哥倫比亞號航天飛機為什麼會解體

2003年2月1日，美國哥倫比亞號航天飛機在返回地面過程中解體，機上7名航天員全部遇難，成為16年前挑戰者號航天飛機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事故調查委員會，成員包括諾貝爾獎獲得者、美國斯坦福大學道格拉斯·奧謝羅夫教授等多位權威專家。調查委員會工作了數月，對整個飛行數據進行了詳細的分析，查明瞭事故的原因。

根據航天飛機設計指標和多次飛行的實測數據，航天飛機在整個再入大氣層過程中，鋁結構平均每分鐘温升約1.2℃，但哥倫比亞號顯示的數據卻十分異常：再入第2秒時，航天飛機到達102千米高度，一般認為該處為氣動加熱開始階段，此時尚看不出異常；第8秒時，雖然未進入高加熱時段，但温度傳感器已發現左機翼起落架温度異常升高，到第10秒時左機翼温度已上升了15℃；第13秒時，休斯敦任務控制中心失去温度傳感器數據，根據機翼鋁結構的最高設計温度為175℃推斷，所用傳感器量程不應在200℃以上，此現象説明結構温度已達175℃以上；第15秒時哥倫比亞號在61千米高度，機長裏克·赫斯本德與地面作了最後一次應答，便在一片噪聲中失去聯絡，緊接着目擊者和雷達發現哥倫比亞號解體為無數碎片。從以上數據不難看出，是左機翼上的防熱瓦失效導致了航天飛機的最終解體。

那麼，左機翼上的防熱瓦為何會失效呢？經排查發現，航天飛機起飛時，左機翼前緣曾遭受外貯箱上脱落的一塊泡沫塑料的撞擊。根據起飛時的攝像記錄（攝像機當時與航天飛機相距40千米），起飛後57秒從外貯箱上脱落了一塊泡沫塑料，該泡沫塑料約0.76千克，長度不大於1米，厚6毫米，以20°攻角、700米/秒的速度撞擊了左機翼前緣。同時，根據記錄，當時的噪聲水平高於正常值。

這樣一次當時被認為無關緊要的“輕微”撞擊，是否就是破壞防熱瓦的罪魁禍首呢？事故調查委員會用地面試驗復現了防熱瓦被撞壞並最終導致機毀人亡的全過程。

按照上述起飛時撞擊過程的參數（如泡沫塑料大小、撞擊速度和角度等），以備用的航天飛機機翼作試驗件，果然機翼前緣被撞出約25平方釐米的孔洞。再用等離子加熱高温氣流模擬再入大氣層時的氣動熱，試驗結果表明，防熱瓦很快從被撞壞處燒燬。機翼前緣防熱瓦是一種碳纖維增強複合材料，破壞的過程是：材料基體碳首先破壞，然後碳纖維鬆散，最後整個部件破壞。地面試驗完全復現了防熱瓦被撞壞並導致防熱失效的全過程。

事故調查委員會還進一步調查了泡沫塑料脱落的原因。這裏簡要介紹一下泡沫塑料存在的必要性和它的隱患。

航天飛機在發射時，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上的主發動機提供推進劑，航天飛機入軌前，外貯箱推進劑耗盡，箱體與航天飛機解鎖自行降落，再入大氣層時燒燬。

由於外貯箱內存放的是液氫、液氧。液氫、液氧存放的温度分別低於-253℃和-183℃。箱內温度升高，會使液氫、液氧汽化，使貯箱內壓增大而破壞貯箱。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低温，另一方面也使箱外表面温度不會過低，防止大氣中的濕氣在貯箱表面結冰。絕熱泡沫材料脱落的原因在於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，工程實施中，這麼大面積的膠接面很難避免個別脱膠和膠層內存在氣泡的現象。航天飛機發射後，在上升段逐步加速過程中，高速氣流與表面的摩擦會使這層絕熱材料温度升高，膠層內殘留的氣體因温度升高而膨脹，導致泡沫絕熱層局部脱落。事故分析還確認了當時脱落的泡沫絕熱材料正是位於外貯箱發射段表面温度較高的部位。

既然發射段貯箱外表面温度升高和膠層內的氣泡都難以避免，泡沫絕熱層的脱落問題也就難以杜絕。事實上，2003年哥倫比亞號失事後公佈的一個報道説，美國一個研究小組跟蹤了10年航天飛機防熱瓦的損傷記錄，結果表明，航天飛機每次飛行後都有多處防熱瓦損傷，平均損傷部位達25處。