航天飞机时代终结原因分析

“挑战者”号航天飞机发射升空73s时爆炸

　　自1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射至2011年的30年间，航天飞机为人类提供了探索太空奥秘的一种运载方式，为人类宇航活动做出了重要贡献，并为改进下一代航天器的研制提供了极有价值的经验。但是，在美国航天飞机迎来首次执行任务30周年之际，美国宇航局却宣布，2011年6月，“亚特兰蒂斯”号航天飞机将完成最后一次飞行，这标志着美国的航天飞机全部退役。至此，美国的航天飞机时代将宣告终结。

　　为人类宇航活动作出重要贡献的航天飞机，为何会“被退役”?这与美国航天探索史上的两次重大事故有着直接关系。

“挑战者”号爆炸事故

　　美国宇航局“挑战者”号航空飞机是美国航空太空总署旗下正式使用的第二架太空舱，开发初期原本是被作为高拟真结构测试体，但在“挑战者”号完成了初期的测试任务后，被改装成正式的轨道载具，并于1983年4月4日正式进行任务首航。

　　1986年1月22日2时43分， “挑战者”号航天飞机在佛罗里达州的肯尼迪航天中心发射升空，这是“挑战者”号的第10次飞行。

　　当日清晨发射场的大气温度接近-1℃，低于允许发射的最低温度(-0.5℃)。上午11时38分，耸立在发射架上的“挑战者”号航天飞机点火腾空而起。11时38分42秒时，高度8km，航速677m/s;50s时，地面控制中心发现航天飞机右侧固体火箭助推器侧部冒出一丝白烟;60s时，助推器突然喷出一团火焰，射向外挂的燃料箱;73s时，飞行高度为16.6km，机身突然闪现一团亮光，接着外挂燃料箱凌空爆炸，航天飞机被炸得粉碎。爆炸形成了熊熊火团，飞机碎片燃着烈火坠入大西洋，“挑战者”号航天飞机上的7名宇航员全部罹难。

　　事故发生后，时任美国总统的里根任命了由14人组成的事故调查委员会，并任命前国务卿罗杰斯为“调查委员会主席”，负责对此次事故进行调查。

　　事故调查中，美国先后动用了6000余人，包括115名潜水员、52架飞机、31艘船舶、1艘核动力潜艇、2艘常规潜艇、5艘无人驾驶潜水器，在1600km2的海域内，组织了有史以来最大规模的海面搜救和水下残骸打捞工作，作业深度达到水下370m。另外，还运用了声纳、摄像等设备，进行深海搜寻。几个月后，搜寻工作终于有了进展，调查人员在深海找到了航天飞机右侧固体火箭推进器碎片。

　　事故调查组对航天飞机右侧固体火箭推进器碎片进行了还原拼凑，依据残骸上的相关痕迹分析，确定了发生事故的起始部位。残骸物证显示，固体火箭发动机在工作中，一股燃气从右侧固体火箭发动机后段的连接处泄漏，火焰烧穿了外置的氢燃料贮箱，漏出的氢气与空气混合引起爆炸，导致“挑战者”号失事。

　　调查委员会经过4个月的调查，最终公布了调查结论：航天飞机右侧固体火箭推进器有两个下层部件，是由一个“O”形密封圈密封的。由于设计错误，事故发生时，这一密封圈失效，导致燃气泄漏，从而引发爆炸。

　　调查报告同时指出，发射组织工作也存在着制度失效的问题。管理层未充分重视影响飞行安全的潜在危险源的问题;用来承受燃烧热气的密封材料不能满足在低温下的使用要求;在以往的发射中已出现“O”形圈被烧穿的问题，因此证明设计上的缺陷使密封圈很容易损坏，虽然有关部门对此进行过多次讨论，但一直没有采取有效措施来解除这一隐患，最终导致了事故的发生，这也暴露出美国宇航局在安全文化上的重大缺失。

“哥伦比亚”号解体事故

　　哥伦比亚号航天飞机是美国国家航空暨太空总署甘乃迪太空中心旗下拥有的“太空梭”之一，它是美国的太空梭机队中第一架正式服役的航天飞机，也是美国最具历史的航天飞机。“哥伦比亚”号机舱长18m，能装运36t重的货物，外形像一架大型的三角翼飞机。

　　2003年2月1日，“哥伦比亚”号航天飞机结束了第28次太空飞行任务。在返航进入大气层的过程中，当飞行高度约63km，航速约5500m/s时，随着一声巨大声响，天空出现数条金属微粒带的白色轨迹，“哥伦比亚”号解体，该事故导致7名宇航员牺牲。

　　事故发生后，美国成立了由13人组成的独立于宇航局之外的事故调查委员会，另有120名调查官和2万5000名搜索人员参与搜寻工作。由于航天飞机在空中解体，残骸散落范围较大，因此搜索人员对散布在德克萨斯州东部约190km长的狭长地带进行了拉网式搜索。随后，事故调查人员将回收的航天飞机残骸运往佛罗里达州肯尼迪航天中心。专家们根据这些残骸，拼装了“哥伦比亚”号航天飞机的有关部分，其中将50万块碎片拼接复原了航天飞机的外部燃料箱。

　　为了查清事故原因，调查委员会分析了“哥伦比亚”号航天飞机的参数记录器的数据，观看脱落的泡沫材料撞击左机翼表面的图像记录，并且进行了7次泡沫隔热材料撞击航天飞机表面的模拟试验，即“故障再现试验”。在其中一次试验中，研究人员用一块重量为675g的泡沫隔热材料，高速撞击了美国第四架航天飞机——“亚特兰蒂斯”号的机翼部件，结果撞出了一个直径约40cm的孔洞。

　　经过近7个月的调查，调查委员会公布了长达248页的事故调查报告。报告指出，造成“哥伦比亚”号机毁人亡的具体原因，是左机翼前缘上的防热系统破损。航天飞机起飞后的81.7s，一块绝热泡沫材料从外贮箱左侧的双脚架斜面段上掉了下来，这块泡沫材料砸到了左机翼8号增强碳-碳隔热板的区域。在航天飞机再入大气层的过程中，防热系统的这处破损使过热的空气透过了前缘防热层，并使左机翼的铝制结构逐渐熔化，导致结构强度减弱，直到越来越高的气动力引起失控、机翼破坏和轨道器解体。

　　报告还指出，美国航宇局长期以来缺乏高效的安全检查和评估机制，在安全问题上的放松和疏忽导致了这起悲剧的发生。

安全与经济并存

　　作为一种以火箭为动力的飞机，航天飞机以垂直发射的方式起飞直至脱离大气层，而后在可控状态下与在近地轨道上的国际空间站对接。航天飞机返回再入大气层后，如同飞机一样可驾驭飞翔，在跑道上准确降落。一般来讲，航天飞机的设计寿命定为20年，可往返飞行100架次。设计者期望其可作为往返于地面与近地轨道外层空间站之间的交通工具，避开一次性使用航天器的高额制造费用，以期降低使用成本，并获得与飞机近似的安全性水平。

　　然而，纵观航天飞机的运载历程，从1981年4月12日美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射，至美国计划在2011年6月“阿特兰蒂斯”号航天飞机完成最后一次飞行，5架航天飞机飞行架次事故率高达1.47%，坠机率达40%，共有14名宇航员因安全事故而牺牲。航天飞机这样的安全性水平是无法令世界接受的，这也是促使美国的航天飞机全部退役，结束航天飞机时代的重要原因。

　　航天飞机的每一次发射前都需完成大量维修工作，更换有关部件来保持系统的可靠性和安全性。据统计，航天飞机每次发射的费用高达4~5亿美元。费用如此高昂，是促使航天飞机全部退役的另一重要原因。

　　人类在探测太空的开拓性飞行中付出了沉重的代价，这些教训将转变为系统安全理论研究的宝贵财富，指导人们在更高水平上进行太空探测活动。在航天飞机时代终结时，人类探测太空的热情不减。随着科技的进步，未来载人太空飞行将更趋频繁，探测活动将向更加纵深的领域发展。下一步，美国将启用比航天飞机更安全的载人太空飞行器，预计2020年后，新研制太空飞行器将会在美国本土上再次实现载人发射。

　　编辑 杨 璇