[科普中国]-哥伦比亚号航天飞机

首次飞行

1981年4月12日，在卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心聚集着上百万人，参观第一架航天飞机哥伦比亚号航天飞机2发射。宇航员约翰·杨（John W·Young）和克里平（Robert L·Crippen）揭开了航天史上新的一页。

这架航天飞机总长约56米，翼展约24米，起飞重量约2040吨，起飞总推力达2800吨，最大有效载荷29.5吨。它的核心部分轨道器长37.2米，大体上与一架DC—9客机的大小相仿。每次飞行最多可载8名宇航员，飞行时间7至30天，航天飞机可重复使用100次。航天飞机集火箭，卫星和飞机的技术特点于一身，能像火箭那样垂直发射进入空间轨道，又能像卫星那样在太空轨道飞行，还能像飞机那样再入大气层滑翔着陆，是一种新型的多功能航天飞行器。

1981年初，经过十年的研制开发，“哥伦比亚”号终于建造成功，它是第一架用于在太空和地面之间往返运送宇航员和设备的航天飞机。它第一次飞行的任务只是测试它的轨道飞行和着陆能力。在太空飞行54小时，环绕地球飞行36周之后航天飞机安全着陆。

在下一架航天飞机，“挑战者”号建成之前，“哥伦比亚”号又进行了四次飞行。

名字由来哥伦比亚号的命名由来，是纪念凡尔纳小说《从地球到月球》中的大炮“哥伦比亚炮”。

总体性能“哥伦比亚”号机舱长18米，能装运36吨重的货物。航天飞机外形象一架大型三角翼飞机，机尾装有三个主发动机，和一个巨大的推进剂外贮箱，里面装着几百吨重的液氧、液氢燃料。它附在机身腹部，供给航天飞机燃料进入太空轨道；外贮箱两边各有一枚固体燃料助推火箭。整个组合装置重约2000吨3。

在返航时，它能借助于气动升力的作用，滑行上万公里的距离，然后在跑道上水平降落。与此同时，在滑行中，它还能向两侧方向作2000公里的机动飞行，以选择合适的着陆场地。

据宇航局的官员介绍，一架航天飞机可以反复使用75到100次，在美宇航局42年的载人飞行史上，航天飞机在返航时还未出现过事故。1986年，美国“挑战者”号航天飞机在升空不久后曾发生爆炸，造成7名机组人员全部遇难。

2003年1月16号发射升空的“哥伦比亚”号原定2001年升空，但由于技术故障和航天飞机调配等原因，发射日期一直被推迟到了2003年1月16号。“哥伦比亚”号此次飞行总共搭载了6个国家的学生设计的实验项目，其中包括中国学生设计的“蚕在太空吐丝结茧”实验。

事故调查初步分析美国“哥伦比亚”号航天飞机发射后不久燃料箱外脱落的一个泡沫碎块，一直是事故调查中的一大疑点。美国宇航局公布的一份分析报告显示，该航天飞机可能曾被多达三块泡沫材料击中，而不是早先所认为的一块4。

“哥伦比亚”号航天飞机1月16日发射升空，1月24日航天飞机项目承包商美国波音公司技术人员撰写了这份报告，并于1月27日提交给宇航局飞行控制部门。报告称，在“哥伦比亚”号发射82秒后，有三个泡沫材料碎块从连接外部燃料箱和航天飞机的支架区域脱落，每个碎块长约20英寸（相当于50厘米），它们击中航天飞机后“似乎出现了瓦解”，化为大量更小碎片。

美宇航局在公布这份报告时强调说，根据报告得出的结论，泡沫碎块撞击不会影响航天飞机飞行安全性，宇航局飞行控制部门也“同意这一结论”。

尽管如此，新报告公布之后，泡沫材料撞击在“哥伦比亚”号失事中所起的作用，再次引起人们关注。“哥伦比亚”号解体坠毁后不久，泡沫碎块问题就浮出水面。虽然美宇航局一直坚持认为，泡沫碎块撞击不会有严重后果，但负责对“哥伦比亚”号事故进行调查的独立委员会，仍在对泡沫碎块的影响进行深入分析。 这一独立调查委员会目前得出的最主要结论是“哥伦比亚”号机壳上可能出现孔洞，导致超高温气体进入航天飞机，最终酿成事故。而根据美宇航局21日公布的文件，宇航局一位工程师就曾在电子邮件中警告说，航天飞机外部隔热瓦受损，有可能导致轮舱或起落架舱门出现裂孔。

后续调查美国宇航局2004年8月13日进一步确认，美国“哥伦比亚”号航天飞机外部燃料箱表面泡沫材料安装过程中存在的缺陷，是造成整起事故的祸首。“哥伦比亚”号航天飞机事故调查委员会公布的调查报告称，外部燃料箱表面脱落的一块泡沫材料击中航天飞机左翼前缘的名为“增强碳碳”（即增强碳-碳隔热板）的材料。当航天飞机返回时，经过大气层，产生剧烈摩擦使温度高达摄氏1400度的空气在冲入左机翼后融化了内部结构，致使机翼和机体融化，导致了悲剧的发生。

事故发生后，由于无法迅速找回事发时的泡沫材料和燃料箱进行检验，宇航局和事故调查委员会一直没对事故原因作出最终定论。“哥伦比亚”号外部燃料箱约50万块碎片已被找到并重新拼在一起。宇航局负责“哥伦比亚”号外部燃料箱工程的首席工程师尼尔·奥特说，宇航局经多次试验确定，泡沫材料安装过程有缺陷是造成事故的主要原因。

奥特说，泡沫材料本身的化学成分没有问题，问题在于用喷枪在燃料箱外敷设泡沫材料的过程。试验表明，敷设工艺会在各块泡沫材料之间留下缝隙，液态氢能够渗入其间。航天飞机起飞后，氢气受热膨胀，最终导致大块泡沫材料脱落。撞击“哥伦比亚”号的泡沫材料有公文包大小，重约0.75公斤。它几乎是被整块“撕下”后，高速撞击到航天飞机左翼前缘的名为“增强碳碳”（即增强碳-碳隔热板）的材料，并形成裂隙。航天飞机重返大气层时，超高温气体得以从裂隙处进入“哥伦比亚”号机体，造成航天飞机解体。

奥特说，根据新标准对燃料箱进行检测是目前摆在美国宇航局面前的最大障碍。新标准要求，不允许有0.5盎司（14.17克）以上的燃料箱外泡沫材料脱落。 哥伦比亚号失事原因解析 美国“哥伦比亚”号航天飞机事故委员会专家提出，起飞时遭遇强风、发射前临时更换火箭助推器、以及“年龄太大”，都可能是造成这艘“功勋宇航器”解体的根本原因。在“哥伦比亚”号起飞62秒钟后，突然遭遇到异常猛烈的大风吹袭，这有可能导致其左侧机身发生“内伤”，为日后坠毁埋下了祸，此后仅仅20秒钟，从机身下部主燃料箱上脱落的泡沫绝缘材料就击中了左侧机翼前端，造成直接“外伤”。专家认为，这些损伤对一个使用10年的航天飞机来说可能不算什么，但是对“哥伦比亚”号这样21岁高龄的“老机”则是致命的。

调查委员会指出，有关方面正在研究美国航空航天局(NASA)是否在“机体老化”问题上重视不够，以致最终酿成本次悲剧。有关“哥伦比亚”号失事的直接原因基本确定：超高温空气从机体表面缝隙入侵隔热瓦下部四处乱窜，最终造成航天飞机在返航途中解体坠毁，七名宇航员丧生。据介绍，飞机起飞一分钟后，遭遇的风力强度已经接近NASA允许的极限。专家因此认为，原本已开始出现老化的机翼因遭受如此强风吹袭，才在外界异物的撞击下显得弱不禁风”，从而出现破损，为返航途中的超高温空气入侵形成了“方便的后患”。

此外，原本和“哥伦比亚”号主燃料箱正常配套的火箭助推火箭被拆卸下来，并安装到另外一艘即将起飞的航天飞机上使用。直到当年11月，NASA才重新为“哥伦比亚”号安装了新的助推火箭，可能就在这“不必要”的一拆一装过程中，有关人员的操作对燃料箱的表面材料形成伤害，结果造成绝缘材料脱落击中航天飞机左翼。此外，由于“年事已高”，哥伦比亚号的左翼前端的超强碳纤维隔热板下面可能发生“缺损现象”。过去10年中，其他航天飞机的类似部位也能遭受不同损伤，其中包括外力(小陨石)撞击、刮伤、密封不严等险情。

调查委员会指出，必须搞清楚的是：NASA是否对包括“哥伦比亚”号在内得美国航天飞机上述容易受损的部位及时进行了检查和更换。据介绍，“哥伦比亚”号首次升空是在1981年，为美国使用时间最长的航天飞机。在事故发生后进行的地面风洞试验发现，“哥伦比亚”号在最后时刻发生的翻滚飞行现象，就是左翼前端保护层丢失造成的。专家估计，当时至少有5块U形隔热板脱落才会产生如此强大拉力。搜索人员已经发现了超过2.8万块“哥伦比亚”号残骸，并将其送到肯尼迪航天中心接受分析调查。据悉，这些东西不过是“哥伦比亚”号庞大机身的19%罢了。

最终报告2009年12月30日，美国国家航空和航天局（NASA）公布“哥伦比亚”号航天飞机失事的最终调查报告，细述了“哥伦比亚”号解体前舱内的最后情况。 报告还重点关注宇航员安全问题，提出多项改进意见。“哥伦比亚”号航天飞机2003年返航时失事，7名宇航员全部遇难。美国宇航局随后展开深入调查7。

和调查相比，这份长400页的最终报告还原了更多“哥伦比亚”号解体前舱内宇航员的活动细节。报告说，从“哥伦比亚”号舱内警报响起，到宇航员生命结束只有约1分钟时间。航天飞机翻滚着失去控制，宇航员威廉·麦库尔按下数个按键，试图控制航天飞机。其他大多数宇航员也按NASA既定程序操作。此时，他们并不知道，噩运就要降临，没有花时间给自己做准备。3名宇航员没有戴防护手套，1人没在自己坐椅上，1人没戴头盔。数秒钟后，“哥伦比亚”号乘员舱失压。报告认为，压力下降造成的缺氧让宇航员死亡或昏迷，昏迷者随后在飞机剧烈翻滚摇晃中受到致命撞击致死。报告认为，宇航员即便有时间穿上防护衣物，在飞机失压后给自己增压，也只能多活一段时间，依旧不可能生还。

据美联社等西方媒体2013年2月2日报道，同年2月1日，在美国“哥伦比亚号”航天飞机宇航员罹难惨剧发生10周年纪念日到来之际，美国宇航局（NASA）前飞行主管韦恩·哈尔惊爆秘闻，称当年“哥伦比亚号”航天飞机机翼受损后，尽管NASA的高级工程师们早就发现这一致命故障，并相信这架飞机在返航途中将机毁人亡，然而NASA主管和同僚却一致同意向宇航员隐瞒事实。因为NASA高层相信，与其让宇航员知道实情后在痛苦绝望和折磨中度过他们的生命最后时刻，还不如让他们在不知情的情况下突然死去！

哈尔披露，当NASA的高层官员在获悉“哥伦比亚号”左翼受损后，当时的飞行任务总指挥乔恩·哈珀尔德立即召开紧急会议，讨论“哥伦比亚号”航天飞机可能出现故障的情况，而他显然已预计会出现最坏情况。哈尔回忆道：“当时哈珀尔德在会上说：‘你们都知道，对于隔热保护层受损，我们都无能为力。所以如果真的发生事故，我认为宇航员也情愿蒙在鼓里。你不认为宇航员在回程时，在毫无预兆的情况下死亡，比知道无法解决问题、要留在轨道上，并等待空气用尽后死亡好吗？’”

当哈珀尔德说出这段话之后，现场所有人都沉默不语。最终，大家默许了这个艰难的决定。而事后调查证明，NASA本来可以有多达8次机会利用军事卫星近距离查看损害程度，但NASA却错误地忽视了这些机会。哈尔痛苦地说，如果当年NASA将真相告诉了“哥伦比亚号”上的宇航员，那么他们至少还可以在遇难之前与死神进行最后抗争，或者是向亲人留下最后遗言。尽管哈尔当年也默许了NASA隐瞒故障让宇航员“送死”的决定，然而，10年之后，哈尔坚信这一决定是错误的。多年来哈尔一直为此深深自责。8

虽然这是一场悲剧的航行，仍是人类探索太空的一次壮举。 “哥伦比亚”号作为美国宇航局第一架航天飞机，承载了经验和教训并重的航天科技历史，共进行了28次太空飞行任务，是人类探索太空了解宇宙的一座丰碑。

失事大事记北京时间20时00：“哥伦比亚”号在距地面280公里的轨道上绕地球飞行，乘务人员得到休斯顿地面任务控制中心的绿灯信号，开始做重新返回地球大气层的最后准备9。

北京时间20时49分，NASA向“哥伦比亚”号发出开始降落重新定位指令。当时，佛罗里达的卡纳维拉尔角降落带的上空有雾。

21时09分，天空上的雾散去。返回飞行指挥官勒鲁瓦·卡恩向“哥伦比亚”号发出离开地球轨道指令。

21时15分，“哥伦比亚”号飞临印度洋上空。这时，“哥伦比亚”号上的小型方向控制用火箭发动机打开，时间为3分钟。航天飞机的尾部向着地球，开始降落。

21时23分，惯性制导电脑的自动导航系统指挥航天飞机调整为前端在前、尾翼向下的姿势。

21时32分，辅助动力装置被打开，以便向控制航天飞机副翼和起落架的水压系统增加压力。

21时42分，“哥伦比亚”号到达位于太平洋上空144公里的位置，这时的火箭发动机以每小时27,000公里(声速的25倍)的速度工作着。

21时44分，“哥伦比亚”号开始“进入大气层”，其前端向上抬升，保持一个40度的仰角，这样，航天飞机外的陶瓷阻热瓦能够承受飞机进入浓厚大气层时与大气层摩擦产生的所有热量。陶瓷阻热瓦开始升温。

21时46分，“哥伦比亚”号距地面只有102公里了，并准备在30分钟内着陆，逐渐地，它穿越加利福尼亚、内华达、新墨西哥、亚利桑那、得克萨斯、路易斯安那州的墨西哥湾沿岸，最后到达佛罗里达州上空。

21时49分，“哥伦比亚”号开始按原计划逐渐减缓飞行速度，它的前端朝着右侧飞行。

21时52分，“哥伦比亚”号越过加利福尼亚海岸。休斯顿地面任务控制中心的控制记录显示，航天飞机的左侧起落架温度发生轻微异常变化。三个水压热传感器显示的左侧起落架温度在华氏40到60度(摄氏8至15度)之间。

21时53分，航天飞机左翼第4个传感器显示温度仍在上升。

21时54分，整个机身的温度因左翼温度而上升了15摄氏度。

21时55分，“哥伦比亚”号飞临内华达沙漠上空。

21时56分，“哥伦比亚”号飞临亚利桑那州南部上空。

21时57分，在飞临新墨西哥州上空时，仍受自动导航系统控制的航天飞机开始向左偏转，速度再次下降。休斯顿地面任务控制中心失去与航天飞机左翼温度传感器数据传输之间的联系。

21时58分，航天飞机左侧一种无法解释清楚的力量推动“哥伦比亚”号向左滚动，配平滚动稳定器自动打开，试图修正航天飞机的降落位置。

21时59分，航天飞机上的机载电脑试图通过启动2部偏航喷气推进器进一步修正自己的位置。在距离地面61公里的高度、“哥伦比亚”号以时速21,000公里的速度进入得克萨斯上空。休斯顿地面任务控制中心记录下了最后的无线电联络信号：“哥伦比亚，这里是休斯顿。我们看到你们的轮胎压力信息，但没有抄下你们最后的数据。”

过了片刻，“哥伦比亚”号机长里克·赫斯本德回答：“收到，但……”

听到一阵噪音短波之后，地面与“哥伦比亚”号便失去了联系。

22时0分，在失去所有无线电联系的情况下，休斯顿地面任务控制中心继续在雷达上跟踪着“哥伦比亚”号。地面目击人员报告称，他们看到“哥伦比亚”号碎裂成无数小块，在天空拖过一条长长的白烟。

22时16分，在“哥伦比亚”号航天飞机的预定着陆时间，美国国家航空航天局正式启动事故应急计划。

失事影响哥伦比亚号的失事使得航天飞机为国际空间站运送宇航员和物资这一主要作用也暂时被搁置，太空和军事政策智囊团公司的主任约翰-佩克表示航天飞机本来预计的使命并非仅仅是为国际空间站运送物资，而这却成了主要任务，而且用航天飞机给国际空间站运货成本太高，合计下来每磅货物的运输成本高达2万美元。航天飞机本来的主要任务有三，分别是NASA进行太空科学实验、发射间谍卫星并为军方测试设备以及为私营企业提供卫星发射服务。当初NASA计划每年进行24次航天飞机发射。但是，NASA实际上发射航天飞机的频率并没达到预计的目标，而且发射成本较之预想高得多。在这次事故之后，调查人员得出结论认为，每78次发射就有可能出现一次空难10。

而且“挑战者”号航天飞机的爆炸使航天飞机的用途受到压缩。在“挑战者”号空难之后，美国军方重新恢复使用一次性火箭发射卫星。在商业领域，当时的美国总统里根下令NASA放弃商业卫星发射业务。这意味着航天飞机可以执行的任务大大减少。虽然NASA后来选择用航天飞机发射自己的科研卫星，而且还为“哈勃望远镜”提供太空服务，但是航天飞机在太空中进行各种科研实验的成本却格外高昂。NASA如果使用一次性火箭向国际空间站运送物资可以大大节约成本而且更加安全，利用一次性火箭不仅成本低得多而且也可以实现相同的目标。此外，航天飞机系统非常复杂，这注定了航天飞机的发射要冒风险。但是一向以创新为荣的NASA却并不愿意再使用一次性火箭将人送往太空10。

预防措施自此之后，为了防止类似因航天飞机隔热瓦部缺损而引致事故的发生，当航天飞机飞离地球进入太空时，会打开负载舱进行360度旋转，让NASA的卫星能完整地观察航天飞机的外部状况。

服役历史哥伦比亚号航天飞机（STS Columbia OV-102）是美国国家航空暨太空总署（NASA）甘乃迪太空中心旗下拥有的太空梭之一。哥伦比亚号是美国的太空梭机队中第一架正式服役的，然而很不幸的，哥伦比亚号在2003年2月1日，在代号STS-107的第28次任务重返大气层的阶段中与控制中心失去联系，并且在不久后被发现在德克萨斯州上空爆炸解体，机上7名太空人全数罹难。

宇航员一览**“哥伦比亚”号上七名宇航员（任务编号：STS-107）**

里克·哈兹班德（Rick Husband），男，45岁，昔日空军中校，徳克萨斯人。1994成为宇航员，机长。

威廉姆·麦库（William McCool），男，41岁，昔日海军司令员，三个孩子的父亲。1996年成为宇航员，机组成员。

麦克尔·安德森（Michael P. Anderson），男，43岁，出生于军事家庭，1994年成为少数黑人宇航员之一，有效载荷指令长。

卡尔帕纳·楚拉（Kalpana Chawla），女，41岁，上世纪80年代从印度移民到美国，于1994年成为宇航员，任务专家。

大卫·布朗（David Brown），男，46岁，1996年成为宇航员，任务专家。

劳瑞尔·克拉克（Laurel Clark），女，41岁，昔日海军军医，1996成为宇航员，任务专家。

伊兰·拉蒙（Ilan Ramon），男，48岁，以色列空军中校。1997年成为以色列首位宇航员，有效载荷专家 。

历次任务哥伦比亚号航天飞机是美国的太空梭机队中第一架正式服役的，它在1981年4月12日执行代号STS-1的任务，正式开启了NASA的太空运输系统计划（Space Transportation System program，STS）之序章。期间一共进行了28次太空飞行任务，运送宇航员120人/次。下面是历次飞行列表：

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相关纪念2004年2月，勇气号火星探测器着陆点东侧的七座山峰用失事航天员的名字命名11。

2006年1月28日美国东岸时间早上十时，美国佛罗里达州肯尼迪航天中心举行活动纪念三次美国航天灾难，并向罹难的7名太空人致敬。三次美国航天灾难均集中在这一时间：1月27日（阿波罗）、1月28日（挑战者号）及2月1日（哥伦比亚号）。

2015年美国航空航天局在佛罗里达州肯尼迪航天中心举办了展览。
有史以来第一次向公众展出了挑战者号和哥伦比亚号航天飞机残骸。名为“永远铭记”的新纪念馆面积2000平方尺，作为阿特兰蒂斯号航天飞机展览的一个永久性补充部分，“永远铭记”纪念馆展示了1986年在任务STS-51L当中失事的挑战者号残骸，和于2003年在任务STS-107当中失事的哥伦比亚号航天飞机残骸。
12新的纪念馆展示了一块挑战者号航天飞机的机身残片，以及哥伦比亚航天飞机乘员舱的窗口框架。挑战者号航天飞机残骸的其余部分被存储在两个密封的导弹发射井复合物当中，哥伦比亚航天飞机其余碎片被保存在肯尼迪航天中心一间办公室当中。纪念馆6月27日开幕，除了展示残骸之外，纪念馆还展示了每个任务当中七名机组人员的日常用品，照片和一些个人物品。

史上最大胆的试飞STS-1哥伦比亚号被认为是“历史上最大胆的试飞”。

据国外媒体报道，2011年7月，美国航天飞机执行完最后一个任务后开始退役，执行STS-135任务的航天飞机为亚特兰蒂斯号，本次飞行为空间站带去了备件和耗材，为期12天的轨道任务结束后，标志着始于1981年的航天飞机计划完美落幕。航天飞机给我们留下了五大瞬间：13

第一架航天飞机STS-1，哥伦比亚号，在1981年4月12日成功发射，开启了长达30年航天飞机计划。STS-1哥伦比亚号飞行时间为54小时，绕地球37圈，显然航天飞机是有史以来最复杂的航天器，这次飞行也被NASA称为“历史上最大胆的试飞”。图为STS-1哥伦比亚号的发射瞬间。