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时解体，机上7名宇航员全部遇难，这是自16年前挑战者号航天飞机坠毁以来最大的航天事故。

美国航天局立即成立了哥伦比亚事故调查委员会，成员包括诺贝尔奖获得者、斯坦福大学的道格拉斯·奥什罗夫教授和其他权威专家。调查委员会工作了几个月，详细分析了整个飞行数据，以找出事故原因。

哥伦比亚号航天飞机

根据航天飞机的设计指标和多次飞行的测量数据，在航天飞机的整个返回舱过程中，铝结构平均每分钟上升1.2℃，但哥伦比亚号显示的数据非常不正常:航天飞机在第二次返回舱达到102公里的高度，这通常被认为是气动加热的开始阶段，这种方式没有异常。第8秒时，虽然还没有进入高温期，但温度传感器发现左翼起落架温度异常升高，第10秒时，左翼温度升高了15℃；在第13秒，休斯顿任务控制中心丢失了温度传感器数据。根据机翼铝结构的最高设计温度为175℃，传感器的使用范围不应超过200℃。这一现象表明结构温度已经达到175℃以上。在第15秒，哥伦比亚号有61公里高。里克·赫斯本德船长对地面作出了最后的反应，在噪音中失去了联系。然后目击者和雷达发现哥伦比亚号解体成无数碎片。从以上数据不难看出，左翼隔热板的失效导致了航天飞机的最终解体。

那么，为什么左翼的隔热板失效了呢？经过调查，发现当航天飞机起飞时，左机翼的前缘被一块从外储油箱上掉下来的泡沫击中。根据起飞记录(当时相机离航天飞机40公里)，起飞后57秒，一块重约0.76公斤、长度不超过1米、厚度为6毫米的泡沫塑料以20°的迎角和700米/秒的速度撞击到左翼前缘，同时，根据记录，当时的噪音水平高于正常水平。

这种在当时被认为无关紧要的“轻微”冲击是热防护砖损坏的罪魁祸首吗？事故调查委员会利用地面测试再现了防热瓦被损坏的整个过程，最终导致机器被摧毁，人员死亡。

根据上述起飞时撞击过程的参数(如泡沫大小、撞击速度和角度)，备用的航天飞机机翼被用作试件，实际上机翼前缘被打了一个约25平方厘米的洞。采用等离子体加热高温气流模拟再入大气层的气动热。测试结果表明，防热瓦从破损处快速燃烧。机翼前缘防热瓦是一种碳纤维增强复合材料。破坏过程如下:首先破坏材料基体碳，然后破坏碳纤维，最后破坏整个构件。地面试验完全再现了防热瓦损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脱落的原因。本文简要介绍了泡沫塑料的必要性及其隐患。

在航天飞机发射过程中，中间最大的圆筒是外罐，由液氧罐和液氢罐组成。外层舱主要为航天飞机的主发动机提供推进剂。在航天飞机进入轨道之前，外层燃料箱用完了推进剂，燃料箱和航天飞机自行解锁着陆，并在重返大气层时烧毁。

因为液态氢和液氧储存在外部储存罐中。液态氢和液氧的储存温度分别低于-253℃和-183℃。当储罐中的温度升高时，液态氢和液氧会蒸发，导致储罐内部压力增加并损坏储罐。因此，储罐外应涂一层隔热性能良好的泡沫保温材料。一方面，这一层隔热材料使储罐内的温度保持较低，另一方面，它也使储罐外表面的温度保持较低，防止大气中的水分在储罐表面冻结。绝缘泡沫材料脱落的原因是与储罐的连接方式。这一层隔热材料用粘合剂层粘合到储罐的外表面。在项目实施过程中，对于如此大面积的粘合表面，很难避免个别脱胶和粘合层中的气泡。航天飞机发射后，在上升段逐渐加速的过程中，高速气流与表面的摩擦会使这层隔热材料的温度升高，胶层中的残余气体会因温度升高而膨胀，导致泡沫隔热层部分脱落。事故分析还证实，当时脱落的泡沫绝缘材料位于外储罐发射段表面温度相对较高的位置。

由于发射部分中的罐的外表面上的温度上升和胶层中的气泡都是不可避免的，所以泡沫绝缘层脱落的问题也难以消除。事实上，2003年哥伦比亚号失事后发布的一份报告称，一个美国研究小组已经追踪航天飞机隔热瓦的损坏记录10年了。结果显示，航天飞机每次飞行后都有几块隔热瓦损坏，平均有25个部件损坏。