是谁毁了“哥伦比亚号”

2003年2月1日，美国“哥伦比亚号”航天飞机在返回大气层时失事，七名航天员全部罹难。噩耗传来，举世震惊。2月7日，美国航空航天局(NASA)公布了由地面拍摄的“哥伦比亚号”在失事前最后时刻的照片，照片表明航天飞机的左翼当时已受到严重损害。灾难发生后，美国政府成立了独立的调查委员会来调查事故原因。

是谁毁了“哥伦比亚号”?在历时近7个月，动用2.5万人，耗资2000万美元，对收集来的8.4万片航天飞机残骸进行分析后，2003年8月26日，“哥伦比亚号”事故调查委员会公布了这起空难原因的最终报告。报告指出，导致这架航天飞机解体的直接原因是：“哥伦比亚号”发射升空81.7秒后，外贮箱外左侧双脚架斜面段上掉下的一块泡沫隔热材料，撞击到航天飞机轨道器左翼前缘的第8号增强碳碳复合材料防热瓦的下半部附近区域，导致防热瓦形成裂缝，其过程参看题图。当“哥伦比亚号”重返大气层时，超高温气体从裂缝处进入机体，逐步熔化了左翼的铝结构，在越来越大的空气阻力的作用下，轨道器逐渐失控，左翼脱落，轨道器解体。“哥伦比亚号”航天飞机采用的飞行体制和轨道器的设计，致使航天员没有逃生的希望。但是，报告毫不客气地强调：“NASA的疏忽和那块泡沫一样致命!”调查组得出的结论是：NASA文化毁了“哥伦比亚号”。报告警告称，如果NASA再不改弦更张，那么悲剧将会重演。

美国航天飞机及防热系统简介

NASA主持研制的航天飞机，是世界上第一种能运送有效载荷和人员往返于地面与近地轨道之间、大部分可重复使用的带翼航天器。它由轨道器、助推器和外燃料箱三部分组成，主要用作航天运载工具或短期空间试验平台；也可用于在空间施放、维修和回收卫星；甚至可用于执行攻击或捕获敌方卫星等任务。轨道器是航天飞机的主体，形状像一架三角翼飞机，习惯把它称为航天飞机。轨道器前端是驾驶舱，可容纳4～7人。中部有一个容积近300立方米的货舱，可携带29吨重的有效载荷进入低地球轨道。尾部装有三台液体火箭发动机。轨道器可重复使用100次以上。助推器为两台平行安装的固体火箭发动机，钢制外壳，位于轨道器翼下、外燃料箱两侧，每台推力1300吨，可重复使用20次。外燃料箱箱体为铝合金半硬壳式结构，外部覆盖25毫米厚的泡沫隔热材料。前部是液氧箱，容积559立方米。后部是液氢箱，容积1514立方米，推进剂用完后抛弃，不重复使用。航天飞机共制造5架，分别命名为：“哥伦比亚号”、“挑战者号”、“发现号”、“阿特兰蒂斯号”和“奋进号”。1981年4月12日，由“哥伦比亚号”实现了首飞，至今机龄已超过20年，其间曾进行过数次现代化改造。

航天飞机再入返回时，飞行速度高达25倍音速，与大气层摩擦产生大量热，表面温度最高达1600度，许多部位的温度都超过结构壳体的熔点(660度)，再加上返回轨迹较平，持续气动加热时间较长(达25分钟)，对热防护系统提出了很大的挑战。目前的航天飞机采用热防护加冷结构的防热方式，使用多种防热材料对机体进行保护，使机体结构温度控制在176度以下。航天飞机采用的热防护材料包括：

(1)增强的碳／碳材料(RCC)它主要用在机身的鼻锥帽、机翼前缘。该防热瓦总重约1698公斤，使用的表面积约38平方米，使用处表面最高温度约1650度，表面呈黑色。

(2)高温可重复使用表面隔热材料(HRSI)　用在温度为648度～1260度的表面，如机身中、前段和机翼的下表面。航天飞机再入时，以40度的攻角飞行，所以机身和机翼的下表面为迎风面，是鼻锥帽和翼前缘以外的最高热流区。此种防热瓦约使用了20000多块，每块尺寸为152.4x152.4毫米。其厚度随当地热流水平而不同，范围为19.5～64毫米，覆盖面积达480平方米，总重达4413公斤。由于表面经涂层处理，故防热瓦呈灰黑色。

(3)低温可重复使用表面隔热材料(LRSI)用在温度371～648度的表面，如机身中、前段和机身的上表面(由于这些位置处在背风面，所以表面温度不高)。此种防热瓦共用了7000块，每块尺寸为203x203毫米，厚度随当地热流水平而变化，覆盖面积达255平方米，总重1014公斤，经涂层处理表面呈白色。

(4)柔性可重复使用表面隔热材料(FRSI)该防热材料是一种硅橡胶浸渍的Nomex毡，用在表面温度37℃以下的部位，如机身上表面和机翼上表面的后段以及机身两侧。每块防热瓦的尺寸远大于上述3种防热瓦，典型的尺寸为900x1200毫米。其厚度为4.8～16毫米，覆盖面积达333平方米，总重约532公斤。由于它是一种柔性的毡状物，所以可用常温固化硅橡胶(RTV560)粘贴在机身铝合金的结构上。

防热瓦的脆弱是致命伤

以上几种防热瓦实际上主要是一些疏松、轻质而呈脆性的陶瓷材料，如HRSI的密度为0.14～0.35克／立方厘米。由于其耐温高、隔热好、质量轻，高温下不发生物理和化学性能的破坏、可重复使用，因此用作航天飞机的防热材料。但是，它们的这些性能却给连接和防止力学载荷破坏方面，造成了很大的困难，留下了许多隐患。由于防热瓦脆而疏松，使其不可能用机械的方法与结构本体连接，因此需要用一种胶层来连接。防热瓦和铝合金结构的膨胀系数差别很大，再入时两者有数百甚至上千度的温差，所以在防热瓦之间必须留有合适的伸缩缝，连接层也需要具有较大的弹性，以协调防热瓦与结构间的变形。此外，机体结构受力学载荷发生应变时，不允许防热瓦来承受变形，所以防热瓦是通过一种称之为应变隔离垫(SIP)的胶层与结构本体相连的。应变隔离垫是一种用硅橡胶浸渍的Nomex毡，可以有效地防止结构因热、力而产生的变形，传递给防热瓦而造成破坏。但是由于这层垫两侧的胶接面受到的剪切应力很大，所以在胶层反复循环受力后，防热瓦极易发生脱落。在防热瓦外表面有许多种涂层用以达到不同的功能：为提高防热效率，表面应有黑色的高辐射涂层(SiC层)：为进行被动热控，其表面有热控涂层；为防潮吸水，最内层为防潮层。各种涂层均应在防热瓦与结构胶接面处留有1.55毫米的间隙，以便防热瓦内的气体经常与周围的气压保持平衡。

航天飞机机翼前缘的灰色u型碳碳材料壁板是分块安装的，每块机翼22块，中间以碳碳材料T型密封件封闭其缝隙。碳碳材料壁板使用Inconel(一种耐高温金属材料)支架与机翼结构连接。此外，壁板后还使用了Inconel绝热层以保护铝合金机翼前梁。碳碳材料壁板耐高温，但其耐冲击能力较低。航天飞机的机翼前

缘翼梁使用蜂窝夹芯结构，主着陆架舱上下壁板采用蜂窝夹芯壁板，其它机翼表面使用帽型材加强的蒙皮。

为了减轻航天飞机的重量，不得不采用上述复杂的防热系统。即使如此，防热瓦的总重也超过8000公斤，加上连接部件等，总重约13200公斤，占航天飞机总重的19％。这种结构设计虽然构思巧妙，而且相当长时间的飞行，也证明该设计行之有效，但是，其缺点仍然不少。首先，防热瓦吸收水分，增加了重量，减少了进入轨道的有效载荷，并影响周转期，成本增高。其次，它们的装配工艺十分复杂，控制精度要求很高。保证防热瓦间的合适缝隙对整个防热系统的性能有极其重要的作用，它们都是经过大量的地面试验和计算确定的。两片防热瓦的间隙要求控制在0.89～1.91毫米。缝隙过大，底部裸露的部件会烧坏；过小，则可能在结构变形时相邻的防热瓦发生挤压而破碎。此外，防热瓦装配后，两块瓦表面的台阶高度在有些地方要求小于等于0.39毫米，最低要求也要小于等于3.9毫米。如果超过规定指标，台阶处可产生干扰热流。在用室温固化胶接工艺的条件下，装配精度很容易超差。若达不到精度要求，就会留下防热瓦损伤乃至脱落的隐患。防热瓦的装配质量一直是研制航天飞机的难点，航天飞机的首飞就因防热瓦存在问题，而比预期推迟了3年。而且，防热瓦是每次飞行后检修的重点。在过去的飞行中，防热瓦也经常脱落，平均每次飞行脱落25块。最后，它们也无法真正做到重复使用。轨道器上升和着陆时，由于气流和压力的变化，使它们的耐久性降低，并产生弹性变形，需要维修和更换。应变隔离垫工作时受到高剪切力作用易于产生疲劳，从而影响系统的寿命。两次飞行中间需要对损伤的防热瓦进行更换。航天飞机上的防热瓦大约有30000块，由于机身表面各处形面和所用厚度不同，所以每块防热瓦都有若干备份，对号入座地存放在库房，以备检修时更换。由此可见，航天飞机的重复使用是建立在复杂的检测与更换的基础上的。由于检修工作量大、重新装配十分复杂，疏忽或遗漏恐怕难以避免。

这次“哥伦比亚号”事故的原因来自防热瓦的脆弱性。在重复工作环境下，防热瓦承受649～1627度高温，超过重复使用温度限制，其主要部位产生脆裂、边缘脱落、过热、发裂、涂层剥落等现象，次要部位(间隙填充物、隔热涂层等)损伤也很多。从航天飞机的研制开始到多次飞行，改善防热瓦的性能一直是NASA的重要课题。因此，在多次飞行中，很难确保航天飞机受到空间粒子或碎片撞击后，仍能保证防热瓦完整无损。事实上，美国一个研究小组对航天飞机防热瓦损伤记录跟踪了10年，结果表明防热瓦每次飞行后都有多处损伤，平均每次飞行后的损伤部位达25处。NASA的研究人员从1999年开始，研究用于机翼前缘防热的增强碳碳复合材料在航天飞机飞行后出现的针孔或裂纹等缺陷。NASA约翰逊太空中心2000年3月发布报告，称如果太空中的垃圾碎片以每秒7000米左右的速度撞击机翼，将产生致命的损伤。统计表明，机翼受垃圾碎片撞击的风险远高于航天飞机其它部位。这份报告总结了由两名NASA研究人员和波音公司两名工程师共同进行的试验。他们用高速弹丸撞击增强碳碳复合材料，得到的结果令人瞠目结舌：正面的穿孔很小，背后却炸开了。如果航天飞机带着这样的创伤重返大气层，剧烈摩擦产生的热量会迅速沿着这一通路扩散，最终摧毁航天飞机。在“哥伦比亚号”失事后，调查委员会组织了多次地面模拟试验。如2003年7月7日，在美国西南研究所进行了地面模拟试验：高速落下的泡沫隔热材料，撞击到“阿特兰蒂斯号”航天飞机的机翼部件上，结果撞出直径40厘米的孔洞。可见，防热瓦的脆弱性是这次事故的致命伤。

NASA的文化毁了“哥伦比亚号”

报告称：“导致这一事故的组织原因深深扎根于航天飞机项目的历史和文化当中，包括发射时间压力、资源方面的限制以及重点任务的先后次序不明确等。NASA的组织文化，可以说对于导致这起事故的发生，起到了与泡沫撞击防热瓦相同的负面影响。”最终报告称，造成“哥伦比亚号”悲剧的“责任人”是NASA、国会和白宫。

(1)美国航天政策出现重大失误报告认为：“白宫、国会和NASA高层不断施加压力，要求减少或冻结航天飞机的操作费用。而最终导致的结果是，安全和技术支持被耽误，航天飞机的构造得不到及时改进。”

(2)迫于进度的压力　报告称：“围绕‘国际空间站’项目的复杂性和政治压力，以及航天飞机项目管理层对此做出的回应，都使得航天飞机的发射时间表过于野心勃勃，以至于完成这一时间表的压力很大。”

(3)NASA缺乏“高效安全文化”和有力的制衡机制NASA没有独立的安全计划，缺乏“高效安全文化”和有力的制衡机制，不善于学习和总结，从未表现出一个高科技机构应当具备的特点。调查委员会称，“哥伦比亚号”飞行期间，NASA的工程师已经知道其左翼在起飞过程中曾受到泡沫材料的撞击，可能会产生严重后果；而且当时也有办法补救，如航天员出舱修复防热瓦，或派另一架航天飞机去救援，这些情况未引起有关人员的重视。调查委员会成员巴里少将在新闻发布会上一语中的：“NASA在资金、日程安排和安全问题上出现了冲突。不幸的是，他们最终舍弃了安全。”

责任编辑：兆　然

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