哥伦比亚号航天飞机为什么会解体?

　　2003年2月1日，美国哥伦比亚号航天飞机在返回地面过程中解体，机上7名航天员全部遇难，成为16年前挑战者号航天飞机失事以来最大的一次航天事故。

　　美国航空航天局立即成立了哥伦比亚号事故调查委员会，成员包括诺贝尔奖获得者、美国斯坦福大学道格拉斯·奥谢罗夫教授等多位权威专家。调查委员会工作了数月，对整个飞行数据进行了详细的分析，查明了事故的原因。

　　哥伦比亚号航天飞机

　　根据航天飞机设计指标和多次飞行的实测数据，航天飞机在整个再入大气层过程中，铝结构平均每分钟温升约1.2℃，但哥伦比亚号显示的数据却十分异常：再入第2秒时，航天飞机到达102千米高度，一般认为该处为气动加热开始阶段，此时尚看不出异常；第8秒时，虽然未进入高加热时段，但温度传感器已发现左机翼起落架温度异常升高，到第10秒时左机翼温度已上升了15℃；第13秒时，休斯敦任务控制中心失去温度传感器数据，根据机翼铝结构的最高设计温度为175℃推断，所用传感器量程不应在200℃以上，此现象说明结构温度已达175℃以上；第15秒时哥伦比亚号在61千米高度，机长里克·赫斯本德与地面作了最后一次应答，便在一片噪声中失去联络，紧接着目击者和雷达发现哥伦比亚号解体为无数碎片。从以上数据不难看出，是左机翼上的防热瓦失效导致了航天飞机的最终解体。

　　那么，左机翼上的防热瓦为何会失效呢？经排查发现，航天飞机起飞时，左机翼前缘曾遭受外贮箱上脱落的一块泡沫塑料的撞击。根据起飞时的摄像记录（摄像机当时与航天飞机相距40千米），起飞后57秒从外贮箱上脱落了一块泡沫塑料，该泡沫塑料约0.76千克，长度不大于1米，厚6毫米，以20°攻角、700米/秒的速度撞击了左机翼前缘。同时，根据记录，当时的噪声水平高于正常值。

　　这样一次当时被认为无关紧要的“轻微”撞击，是否就是破坏防热瓦的罪魁祸首呢？事故调查委员会用地面试验复现了防热瓦被撞坏并最终导致机毁人亡的全过程。

　　按照上述起飞时撞击过程的参数（如泡沫塑料大小、撞击速度和角度等），以备用的航天飞机机翼作试验件，果然机翼前缘被撞出约25平方厘米的孔洞。再用等离子加热高温气流模拟再入大气层时的气动热，试验结果表明，防热瓦很快从被撞坏处烧毁。机翼前缘防热瓦是一种碳纤维增强复合材料，破坏的过程是：材料基体碳首先破坏，然后碳纤维松散，最后整个部件破坏。地面试验完全复现了防热瓦被撞坏并导致防热失效的全过程。

　　事故调查委员会还进一步调查了泡沫塑料脱落的原因。这里简要介绍一下泡沫塑料存在的必要性和它的隐患。

　　航天飞机在发射时，中间最大圆柱体部分就是外贮箱，由液氧箱、液氢箱组成。外贮箱主要给航天飞机上的主发动机提供推进剂，航天飞机入轨前，外贮箱推进剂耗尽，箱体与航天飞机解锁自行降落，再入大气层时烧毁。

　　由于外贮箱内存放的是液氢、液氧。液氢、液氧存放的温度分别低于-253℃和-183℃。箱内温度升高，会使液氢、液氧汽化，使贮箱内压增大而破坏贮箱。所以贮箱外要包覆一层绝热性极好的泡沫绝热材料。这层绝热材料一方面保持箱内低温，另一方面也使箱外表面温度不会过低，防止大气中的湿气在贮箱表面结冰。绝热泡沫材料脱落的原因在于它与贮箱的连接方式。这层绝热材料与贮箱外表面用胶层粘接，工程实施中，这么大面积的胶接面很难避免个别脱胶和胶层内存在气泡的现象。航天飞机发射后，在上升段逐步加速过程中，高速气流与表面的摩擦会使这层绝热材料温度升高，胶层内残留的气体因温度升高而膨胀，导致泡沫绝热层局部脱落。事故分析还确认了当时脱落的泡沫绝热材料正是位于外贮箱发射段表面温度较高的部位。

　　既然发射段贮箱外表面温度升高和胶层内的气泡都难以避免，泡沫绝热层的脱落问题也就难以杜绝。事实上，2003年哥伦比亚号失事后公布的一个报道说，美国一个研究小组跟踪了10年航天飞机防热瓦的损伤记录，结果表明，航天飞机每次飞行后都有多处防热瓦损伤，平均损伤部位达25处。