要怎麼阻止太空梭爆炸？為什麼彈性體喜歡溫暖？
想像一下，你是一名站在十字路口的警察，有一輛車停下來向你問路，司機問該右轉還左轉？你知道那個地方，也知道正確的路是右轉，因為左邊有個懸崖，要是左轉車子會掉下去，司機就會沒命，所以你當然是跟司機說右轉。你甚至可能拿出手機調出地圖，告訴司機要是左轉會出事。對方看起來很生氣，還辱罵你，然後就起步左轉了，而你只能眼睜睜看著車子掉入懸崖。
羅傑．寶華佐利（Roger Boisjoly）是一名工程師，但不是警察的他卻經歷了非常類似的事件，永遠改變了他的人生。故事始於1985 年寶華佐利受雇主要求查驗的一對橡膠圈，當時他任職於替美國太空總署（NASA）製造固體燃料火箭等的摩頓泰爾克公司（Morton Thiokol, Inc.）。
這些火箭也稱為助推器，裡面是充滿不同物質的混合物（包括過氯酸銨﹝Ammonium Perchlorate﹞、鋁和氧化鐵），替NASA 將要發射到外太空的太空梭提供主要動力。當燃料耗盡時，助推器會從太空梭上脫離，太空梭繼續飛行，而做為助推器的火箭筒會墜入海中，之後被回收檢查。
寶華佐利曾經前往美國佛羅里達州進行這類調查。現在，他拿著太空梭「發現號」（Discovery）助推器上的橡膠圈，如他後來向英國《衛報》（The Guardian）所述的那樣，「幾乎心臟病發。」因為橡膠圈不再是明亮的蜂蜜色，也不再富有彈性，而是暗沉變色，布滿傷痕，彷彿是被咬斷一樣。
經驗豐富的工程師很清楚問題在哪：橡膠圈做為密封環本來應該要阻隔的熱氣體一直作用在這個地方。寶華佐利對於「發現號」沒有墜毀感到很驚訝，因為橡膠圈已經被衝擊的這麼嚴重。
現在你可能會問：「太空梭又不是玻璃密封罐，它需要橡膠環做什麼？」其實太空梭與玻璃密封罐有一定相似之處，兩者都需要密封環來確保各部位的零件緊密連接。
我們以德國知名玻璃密封罐品牌Weck的產品來解釋，這款密封罐需要用金屬扣夾來將玻璃蓋固定在玻璃罐上，密封前得先替玻璃蓋套一個寬扁的橡膠圈，然後再蓋到玻璃罐上，如果沒有先套上這個做為密封環的橡膠圈，那麼會因為
蓋子和瓶子都很硬，導致兩者無法密合而晃動。
火箭助推器也是這樣。它是由四個部件組成，製造商會預先兩兩組裝好，然後NASA 的工程技術人員會在現場將預先組裝好的兩個部件連接起來，並固定在一起。連接這些部件的是密封圈，即使部件有稍微變形，密封圈也能確保部件
之間沒有出現間隙。這些密封圈看起來像個O，環繞著整個火箭，它們也因為這樣被稱為O 形環。兩個火箭部件之間是用兩個重疊的O 形環密封固定的，但是在「發現號」上，情況卻不是這樣。
寶華佐利立刻向NASA 報告他的發現，當然也通知了自己任職的摩頓泰爾克公司，然後他開始尋找造成橡膠圈損壞的原因。有沒有可能橡膠圈是扭曲狀的？這不太可能，在產品檢測時，橡膠圈被扭曲後就會馬上回復原狀。
原因可能是什麼呢？寶華佐利和同事進行了一個相當簡單的實驗。他們把一個橡膠圈放在兩個金屬板之間，然後輕輕擠壓再放開，觀察橡膠圈與兩個金屬板是否保持接觸。
只要溫度暖和（工程師在攝氏37.7 度﹝華氏100 度﹞的溫度下進行實驗），橡膠圈毫不費力就可以回復與金屬板接觸的狀態。但是橡膠圈所處的環境愈冷，回彈的速度就會愈慢。在攝氏23.8 度﹝華氏75 度﹞的環境下，橡膠圈要花2.4秒才能觸及金屬板。
就使用橡膠圈的目的來說，這個時間長到令人難以置信，實在太久了。橡膠圈只要1/5 秒沒有接觸到金屬板，就會出現大問題。最後，工程師們在攝氏10 度﹝華氏50 度﹞的環境下進行測試。寶華佐利回憶道：「10 分鐘之後我們停止測試。」
他和同事發現了問題所在：「發現號」起飛時，戶外溫度為攝氏11.6 度。橡膠圈會因為溫度低而變硬。第一個橡膠圈被擠壓後沒有回彈，灼熱的燃燒氣體流穿過它，這就是航太界所謂的「漏氣」（blowby）。幸運的是，第二層的橡膠圈阻止了氣體流出，避免了一場災難的發生。
為什麼夏季輪胎會在霜中變硬？
你可以在家中輕鬆複製前述工程師進行的實驗，將一般橡皮筋套在直尺兩端，然後放進冰箱。你從冰箱取出後，從尺上拆下的橡皮筋需要很久才會縮回原本的大小，因為橡皮筋是彈性體（elastomer）。
彈性體是一種特別具有彈性的塑膠，跟所有塑膠一樣，都是由糾結在一起的分子鏈組成，可以將其想像成一個裝滿煮熟的義大利麵的盤子（在我們另一本著作《物理學就是當它爆炸的時候》﹝Physik ist, wenn’s knallt﹞中，對此有詳
盡的描述，包含你可以自己動手做哪些實驗）。
不過彈性體與義大利麵條不同的地方在於，前者的分子鏈有許多點會相互連接，這是故意的，因為橡膠被拉緊後，這是回復原本形狀的唯一方法。為了達成這個目的，例如天然橡膠會與硫混合，在長鏈分子之間形成連接橋梁。
所以橡膠變形後，會回彈成原本的樣子，目的達成。但如果彈性體變形後，想回復成原本的狀態，分子鏈必須要是柔韌的，而這種韌性取決於溫度。當天氣非常寒冷時，彈性體中的長鏈分子會比較沒有韌性，需要較長的時間才能回復
原狀。
彈性體的另一個特性使這個問題加劇。當彈性體變形時（也就是被兩個火箭助推器部件擠壓在中間時），它們會向環境釋放熱量；但當它們被再度放鬆時，必須要從環境中吸收熱量。如果環境很冷，無法提供足夠的熱量供彈性體使用，它們就會大大減緩放鬆的速度，甚至是停止放鬆。
根據彈性體的組成成分，溫度變化對其影響也有所不同。例如，汽車所用的夏季輪胎在酷寒的氣溫下會變硬，而且可能抓地力會不再足夠。但是製作冬季輪胎的橡膠成分與夏季輪胎所用的不同，所以冬季輪胎即使在較低的氣溫下，依然保有韌性。
塑膠為了能應用在太空之旅上，必須特別能做到兩件事：承受大量的熱量和快速伸展。因為橡膠圈是被用在固體燃料火箭的兩個部件之間，用來確保沒有任何間隙，以免炙熱的燃燒氣體逸出，所以橡膠圈和火箭部件之間必須始終保持緊密接觸。基於以上原因，火箭橡膠環所用的塑料是氟橡膠（Fluorine Rubber, FKM），由含有氟的長碳鏈組成。氟會形成非常穩定的化合物，所以具有熱穩定的特性。但這種彈性體不是為了低溫所設計，在低溫的狀況下，它們很快就會失去彈性。
我們可能會以為現在已經知道危險、已經避免危險，裝配這些橡膠環的太空梭只要在更高的溫度下發射就好了，這點在佛羅里達州根本不是問題。寶華佐利通知了公司的主管，並且認為這件事已經解決。但是NASA 已經在計畫下個任務：6 個月後，將要發射另一架太空梭「挑戰者號」（Challenger），前往太空部署一顆通訊衛星。那個時間點落在1 月，並不是最溫暖的月分。
寶華佐利想阻止這次的發射任務，但同樣也有人想強制執行這個任務。寶華佐利注意到，在他第一次示警後，幾乎沒有任何事情發生。如果你去網路上查找他後來在多所大學舉辦的講座，會發現事件發生很久後，對他的影響仍然非常大。寶華佐利是個高大、健壯的男人，善於計算且擁有大量數據。這位工程師一生都在根據事實做出決定，也因此承擔了責任。
人類的生命和大筆金錢都投注在太空任務上，現在臨近「挑戰者號」發射的時間點，卻沒有人對寶華佐利提出的數據有所反應！他簡直不敢相信。
最後，他在1985 年7 月下旬，寫了一份備忘錄給公司經理，預言這會是「一場災難」。他寫道：「這是我發自內心且非常真實的恐懼，如果我們不立刻採取行動，就會有失去這架太空梭的風險，不僅會有災難發生，還會有人因此喪命。」
終於有些行動運轉起來了，先是成立了一個工作小組，就算成員只有5 名工程師。根據寶華佐利的說法，管理階層並未提供任何支持。當然後續的調查結果也沒有改變：在低溫下，橡膠環的確會因為太硬而失去彈性。
「挑戰者號」原定於1986 年1 月27 日發射，那天位於佛羅里達州的甘迺迪太空中心（Kennedy Space Center）發布的溫度是0 度以下。0 度以下！ NASA 從來沒有在這麼酷寒的天氣下發射過火箭。寶華佐利和他的工程師同事們知道自己手上的數據，他們知道接下來會發生什麼事：發射臺上會發生巨大爆炸。
如果因為火箭中出現極高的壓力或是不可預見的振動，導致部件之間出小間隙，那麼擠壓在兩個緊密相間部件之中的橡膠環，不管在任何情況下，都要能保有彈性。但在低於0 度的溫度下，彈性體不再是彈性體，而且無法封填間隙。因為低溫，導致其失去回彈所需的能量。還有另一個問題，塑料的分子鏈通常只有在夠暖和的情況下，才能變形。只有這樣它們才能來回移動一點點，而非停留在本來凍結的位置。
如果你將塑料冷卻，最終會到達玻璃化的溫度，在這個溫度下，塑料不再是液體或具有韌性，而是像玻璃一樣堅硬易碎。高於這個溫度，塑料至少是軟的，低於這個溫度則不是，這就是為什麼玻璃化溫度也稱為軟化溫度。
我們曾經以一根橡膠管重現這個現象，先用液態氮將其冷卻到攝氏-196 度，再用槌子敲打，橡膠管隨即破成無數碎塊。一般人家裡可能沒有液態氮，但我們幸運地發現一個大家都可以做的類似實驗，只要你有一袋吐司就行了。
我們是一家六口，一袋吐司沒多久就吃完了，所以總是會多買一點冷凍起來。吐司買來時已經用塑膠袋裝著，我們也懶得拆裝到耐凍的袋子裡，便直接放進冷凍庫。這麼做對吐司沒什麼影響，但塑膠袋就不是這樣了。當溫度降至零下時，塑膠袋會破掉，你可以輕輕鬆鬆就弄破它。
我們家的冷凍櫃放在洗衣間，當你一手將裝滿衣物的洗衣籃穩穩夾在腰側時，另一手可以從冷凍庫抓出整袋吐司。要是你只抓到塑膠袋的前半部，大概前三、四片吐司的位置，那麼後面會整個往下掉，然後你就會聽到吐司落地的聲音。
如果我們看過德國知名烘焙公司「黃金吐司」（Golden Toast）官網上的警告，就應該知道會發生這種事。那個頁面上有著令人食指大動的吐司照片，在這些剛解凍的吐司照片下，寫著：「冷凍保存前，請改用可冷凍的包裝袋或保鮮膜進行分裝，因為我們的包裝袋在冷凍後會失去彈性，可能會破裂。請確認產品已用可冷凍的保鮮膜緊緊包裹住，或是裝進標有『可冷凍』的適用耐凍袋。」沒注意到警語，是你運氣不好。
會這樣是因為「黃金吐司」的包裝袋材質是「聚丙烯」（Polypropylene, PP），而耐凍袋材質則是「聚乙烯」（Polyethylene, PE），雖然兩者皆由長鏈分子組成，但在聚丙烯中，這些長鏈分子總是非常有序地排列形成小區域，也就是結晶。這也就導致物質的流動性受到嚴重限制，玻璃化溫度介於攝氏0 ∼ 10 度，冷凍的溫度就更低了，所以在你一手穩定洗衣籃，一手抓取那袋冷凍過的吐司時，悲劇才會發生。
地獄般的戰鬥
與寶華佐利的擔憂相比，吐司落地這種後果當然根本微不足道。「挑戰者號」的橡膠圈會在發射塔上失去作用，熾熱的燃燒氣體會逸出，裝載液態燃料的燃料箱會爆炸。寶華佐利和同事再次警告不要於這麼寒冷的天氣中發射太空梭，或者，他也正如自己後來向記者說的那樣：「我拚命阻止這種情況發生。」
「挑戰號」發射升空前一天，摩頓泰爾克公司和NASA雙方的工程師及主管進行了一場匆忙的電話會議（只有通電話，那時是1986 年，還無法進行視訊），NASA 要求進行實際演練，但因為時間太過緊迫，寶華佐利只能出示手寫的數據，但他相信已經有足夠的證據可以阻止這場發射計畫。他一開始故意沒提溫度細節，只說擔心現在的氣溫並不暖和。畢竟「發現號」發射升空時，攝氏11.6 度的氣溫就已經太低了，更何況現在是冬天。「這種材料冰凍後會跟石頭一樣硬。」
在日常生活中，我們更熟悉的是讓塑料過熱的問題，例如熨燙衣服。許多衣服的材質是合成纖維，主要是聚酯（polyester）或聚醯胺（polyamide）纖維，它們柔軟、不易變形，而且速乾，所以特別適合用來製作運動服。
聚酯纖維也相對能耐高溫（熔點為攝氏235 ∼ 260 度），不過如果你穿著聚酯纖維製成的運動褲在健身房跌倒滑過地板，褲子可能會因為摩擦生熱而燒破洞。聚醯胺纖維則是一種熱敏感纖維，即使以攝氏60 度洗滌也會出問題。
但對「挑戰者號」來說，問題是低溫。「挑戰者號」發射前一天的電話會議持續了6 小時，工程師們相互爭論、提出證據，並回答問題。就寶華佐利看來，摩頓泰爾克公司的專案主管似乎被說服了，「挑戰者號」的升空計畫會叫停。
但隨後氣氛出現改變，NASA 的某位專案主管說：「你的說法讓我很震驚！」另一人緊接著說：「那我們什麼時候可以發射？明年4 月嗎？」
摩頓泰爾克公司的主管要求暫停會議，希望在沒有NASA 人員與會的狀況下，內部單獨進行5 分鐘的會談。寶華佐利回憶道：「按下電話上的靜音鍵後，公司一名主管低聲對其他人說：『現在我們必須做出管理決策』。」據寶華佐利說，主管們花了半小時編篡出一份證明可以發射太空梭的要點清單，其中最重要的論點是：工程師提出的數據沒有意義。
那是沒有工程師在場的情況下討論出來的結論。寶華佐利還記得，自己那時不知道為什麼站起來走到經理前面，把「發現者號」損壞的橡膠圈照片扔到主管桌上：「我根本是在對她大吼，喊著溫度愈低愈漏氣！」但這樣還是沒用。隨後，引用摩頓泰爾克公司副總裁的話：「放下你工程師的堅持，用管理者的角度處理事情。」
公司不想得罪NASA 這個重要客戶，NASA 也不想延後發射時間。「發現者號」的發射時間之前就已經因為天氣不好、另一個任務和技術問題延遲了幾次，大家擔心再次延期會給人不好的印象，因此NASA 欣然接受摩頓泰爾克公司的保證。當主管宣布他們的新決定時，沒人表示質疑。電話會議在幾分鐘內結束。渴望戰勝事實。
隔天，也就是1986 年1 月28 日，7 名男女登上「挑戰者號」，坐定後繫好安全帶，這天雖然陽光普照，但只有攝氏2 度，冰柱掛在發射塔的鷹架上。
太空人之一克里斯塔．麥考利芙（Christa McAuliffe）是一位老師， 她參與NASA「太空教師」（Teacher in Space）計畫的甄選，並從1.1 萬人中脫穎而出，之後將在太空中，替電視機前的觀眾上2 堂課。她是首位被NASA 送上太空的一般民眾，美國人為她激動喝采！當「挑戰者號」準備發射時，大約有17% 的美國人在觀看這場電視直播。
一開始寶華佐利是缺席的，他選擇不看這場發射。他依然可以肯定，「挑戰者號」還沒離開發射塔就會因為橡膠圈硬化而直接爆炸。但他有個很要好的同事的女兒沒看過太空梭發射升空，當他們問寶華佐利是否會在現場時，他說會。
開始倒數計時，「挑戰者號」在觀眾的歡呼中升空。寶華佐利低聲對朋友說：「我們剛剛開了一槍。」他們看著時鐘讀秒，等待著接下來的災難，但一秒接一秒過去，什麼事都沒發生。當太空梭發射一分鐘後，寶華佐利感激地說：「我
們成功了！」
又過了13 秒，事情發生了。在「挑戰者號」發射升空73 秒、升至距離地面15 公里的高空上時，寶華佐利和同事們好像看到一枚火箭助推器與太空梭分離了。他的第一個念頭是：「太早了，應該要發生在120 秒後才對。」
然後，電視螢幕上出現了一團火球。在濃煙和火光中，一枚火箭助推器直墜地面。事發第一時間，根本看不到太空梭。播報者的驚恐在錄下的影音中表露無遺，地面上的NASA 工作人員也嚇到了。控制室打來電話：「太空梭爆炸了。」
但事實並非如此，反而是寶華佐利擔心的事發生了。太空梭發射幾秒後，其中一個火箭推助器的橡膠圈失去作用，導致側面出現裂縫，熾熱的燃燒氣體就是從這個地方逸出。不過，這個裂縫一開始顯然有再次密合（可能是熱熔渣的功勞），否則「挑戰者號」根本離不開發射塔。
遺憾的是，熱熔渣未能阻止太空人的不幸，可能是在飛行時被一陣強風吹鬆了。熾熱的氣體逸出，並衝擊到火箭助推器與裝滿液態氫的外燃料箱之間的連結處，導致液態氧和液態氫溢出並立刻炸開，使這起事故看起來像爆炸。後來的調查顯示，雖然還參雜了其他因素，但這是事故主因。
太空人所在的太空艙沒有爆炸，但太空人也對其失去控制，太空艙的電源故障了，之後隨即大力撞擊海面沉入海底，直到三個月後才被找到，7 名太空人都在裡面。
事件發生後，寶華佐利過了幾週糟糕的日子。他被任命為調查小組的一員，但不認為應該揭露致災的真正原因。寶華佐利後來在他的講座上說，當美國雷根總統（Ronald Reagan）的「總統委員會」質詢摩頓泰爾克公司的工程師時，工程師們被指示要簡短地回答問題。寶華佐利選擇不遵照這個指令，他不是簡短地回答「是」或「不是」，而是向委員會提交自己手頭上的文件，包括他警告這會是一場災難的備忘錄。
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