航天科普知識(shí)：哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)為什么會(huì)解體?

2003年2月1日，美國哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)在返回地面過程中解體，機(jī)上7名航天員全部遇難，成為16年前挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)失事以來最大的一次航天事故。

　　美國航空航天局立即成立了哥倫比亞號(hào)事故調(diào)查委員會(huì)，成員包括諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、美國斯坦福大學(xué)道格拉斯·奧謝羅夫教授等多位權(quán)威專家。調(diào)查委員會(huì)工作了數(shù)月，對(duì)整個(gè)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，查明了事故的原因。

　　哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)

　　根據(jù)航天飛機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)和多次飛行的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，航天飛機(jī)在整個(gè)再入大氣層過程中，鋁結(jié)構(gòu)平均每分鐘溫升約1.2℃，但哥倫比亞號(hào)顯示的數(shù)據(jù)卻十分異常：再入第2秒時(shí)，航天飛機(jī)到達(dá)102千米高度，一般認(rèn)為該處為氣動(dòng)加熱開始階段，此時(shí)尚看不出異常；第8秒時(shí)，雖然未進(jìn)入高加熱時(shí)段，但溫度傳感器已發(fā)現(xiàn)左機(jī)翼起落架溫度異常升高，到第10秒時(shí)左機(jī)翼溫度已上升了15℃；第13秒時(shí)，休斯敦任務(wù)控制中心失去溫度傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)機(jī)翼鋁結(jié)構(gòu)的最高設(shè)計(jì)溫度為175℃推斷，所用傳感器量程不應(yīng)在200℃以上，此現(xiàn)象說明結(jié)構(gòu)溫度已達(dá)175℃以上；第15秒時(shí)哥倫比亞號(hào)在61千米高度，機(jī)長里克·赫斯本德與地面作了最后一次應(yīng)答，便在一片噪聲中失去聯(lián)絡(luò)，緊接著目擊者和雷達(dá)發(fā)現(xiàn)哥倫比亞號(hào)解體為無數(shù)碎片。從以上數(shù)據(jù)不難看出，是左機(jī)翼上的防熱瓦失效導(dǎo)致了航天飛機(jī)的最終解體。

　　那么，左機(jī)翼上的防熱瓦為何會(huì)失效呢？經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，航天飛機(jī)起飛時(shí)，左機(jī)翼前緣曾遭受外貯箱上脫落的一塊泡沫塑料的撞擊。根據(jù)起飛時(shí)的攝像記錄（攝像機(jī)當(dāng)時(shí)與航天飛機(jī)相距40千米），起飛后57秒從外貯箱上脫落了一塊泡沫塑料，該泡沫塑料約0.76千克，長度不大于1米，厚6毫米，以20°攻角、700米/秒的速度撞擊了左機(jī)翼前緣。同時(shí)，根據(jù)記錄，當(dāng)時(shí)的噪聲水平高于正常值。

　　這樣一次當(dāng)時(shí)被認(rèn)為無關(guān)緊要的“輕微”撞擊，是否就是破壞防熱瓦的罪魁禍?zhǔn)啄?？事故調(diào)查委員會(huì)用地面試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)了防熱瓦被撞壞并最終導(dǎo)致機(jī)毀人亡的全過程。

　　按照上述起飛時(shí)撞擊過程的參數(shù)（如泡沫塑料大小、撞擊速度和角度等），以備用的航天飛機(jī)機(jī)翼作試驗(yàn)件，果然機(jī)翼前緣被撞出約25平方厘米的孔洞。再用等離子加熱高溫氣流模擬再入大氣層時(shí)的氣動(dòng)熱，試驗(yàn)結(jié)果表明，防熱瓦很快從被撞壞處燒毀。機(jī)翼前緣防熱瓦是一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，破壞的過程是：材料基體碳首先破壞，然后碳纖維松散，最后整個(gè)部件破壞。地面試驗(yàn)完全復(fù)現(xiàn)了防熱瓦被撞壞并導(dǎo)致防熱失效的全過程。

　　事故調(diào)查委員會(huì)還進(jìn)一步調(diào)查了泡沫塑料脫落的原因。這里簡要介紹一下泡沫塑料存在的必要性和它的隱患。

　　航天飛機(jī)在發(fā)射時(shí)，中間最大圓柱體部分就是外貯箱，由液氧箱、液氫箱組成。外貯箱主要給航天飛機(jī)上的主發(fā)動(dòng)機(jī)提供推進(jìn)劑，航天飛機(jī)入軌前，外貯箱推進(jìn)劑耗盡，箱體與航天飛機(jī)解鎖自行降落，再入大氣層時(shí)燒毀。

　　由于外貯箱內(nèi)存放的是液氫、液氧。液氫、液氧存放的溫度分別低于-253℃和-183℃。箱內(nèi)溫度升高，會(huì)使液氫、液氧汽化，使貯箱內(nèi)壓增大而破壞貯箱。所以貯箱外要包覆一層絕熱性極好的泡沫絕熱材料。這層絕熱材料一方面保持箱內(nèi)低溫，另一方面也使箱外表面溫度不會(huì)過低，防止大氣中的濕氣在貯箱表面結(jié)冰。絕熱泡沫材料脫落的原因在于它與貯箱的連接方式。這層絕熱材料與貯箱外表面用膠層粘接，工程實(shí)施中，這么大面積的膠接面很難避免個(gè)別脫膠和膠層內(nèi)存在氣泡的現(xiàn)象。航天飛機(jī)發(fā)射后，在上升段逐步加速過程中，高速氣流與表面的摩擦?xí)惯@層絕熱材料溫度升高，膠層內(nèi)殘留的氣體因溫度升高而膨脹，導(dǎo)致泡沫絕熱層局部脫落。事故分析還確認(rèn)了當(dāng)時(shí)脫落的泡沫絕熱材料正是位于外貯箱發(fā)射段表面溫度較高的部位。

　　既然發(fā)射段貯箱外表面溫度升高和膠層內(nèi)的氣泡都難以避免，泡沫絕熱層的脫落問題也就難以杜絕。事實(shí)上，2003年哥倫比亞號(hào)失事后公布的一個(gè)報(bào)道說，美國一個(gè)研究小組跟蹤了10年航天飛機(jī)防熱瓦的損傷記錄，結(jié)果表明，航天飛機(jī)每次飛行后都有多處防熱瓦損傷，平均損傷部位達(dá)25處。


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