摧毀「哥倫比亞」號太空梭的塑料泡沫 空難改變航空史

「哥倫比亞」（ Colombia）對於美國人而言，意義非凡。它最初可以追溯到18世紀，羅伯特·格雷指揮的一艘帆船，這也是繞行世界的第一艘美國籍帆船。所以，美國很多事物都喜歡用哥倫比亞來命名，例如著名的「哥倫比亞大學」。美國第一艘太空梭也以「哥倫比亞號」命名。                          

 

承載著美國航天光榮與夢想的哥倫比亞號卻沒有善終。2003年2月1日，執行STS-107任務的哥倫比亞號再入大氣層時發生事故，在德州上空解體，搭載的7名航天員罹難。這距離挑戰者號發生爆炸僅過去17年。

 

什麼原因造成哥倫比亞號的悲劇呢？

 

2003年1月16日，美國國家航空航天局（NASA）將要執行STS-107，也即將發射第113次太空梭任務，哥倫比亞號也將要迎來第28次飛行任務。七名組員分別是布朗、赫斯本德、克拉克、喬拉、安德森、麥庫爾，還有第一個進入太空的以色列人拉蒙。

 

由於種種原因，STS-107任務被NASA延遲了18次。從安全程序上看，太空梭和飛機一樣，最危險的階段是起飛和降落的時候。尤其是發射階段，稍有不慎滿盤皆輸。例如17年前挑戰者號就是發射途中發生爆炸事故。哥倫比亞號組員嚴陣以待，謹慎的對待升空程序。

 

圖1、太空梭起降示意圖

 

10點39分，哥倫比亞號在萬眾矚目下順利點火，龐大的發動機每半分鐘就要消耗一座標準泳池容量的燃料。它很快便進入了MAX-Q階段，此時大家都捏了一把汗。幸運的是，哥倫比亞號平穩的度過了最危險的時間。

 

哥倫比亞號還在加速向外太空飛去，在4.3萬米高空，它和助推器脫離。發射八分鐘後，哥倫比亞號關閉了主發動機，他們平安進入既定軌道。

 

發射次日，NASA工程師在錄像中發現了不同尋常的一幕，發射82秒後，一個公文包大小的隔熱泡沫從燃料箱上掉落，擊中了哥倫比亞號左翼的複合材料板上。此時大家關注的焦點都在太空梭本身上，根本沒有注意這個細節。

這，也成為了阿克琉斯之踵，為災難性的結局埋下了伏筆。

 

幾乎每次太空飛行器發射都會有類似的泡沫塑料掉落，通常情況下都不會造成嚴重後果。NASA的主管開始評估掉落泡沫的影響，他認為哥倫比亞號在返回後經過修復即可，所以並未採取進一步措施。

 

圖2、哥倫比亞號發射瞬間

 

2月1日，經過十七天的飛行，航天員圓滿完成既定任務，他們要回家了。他們換上特製的太空衣，用以抵抗返回時巨大的壓力。

 

8點15分，哥倫比亞號在指揮長一系列的操作下，進入了返回位置。哥倫比亞號在時速2.8萬千米穿過大氣層時，機翼的溫度能升至1400攝氏度，外層的隔熱瓦是它唯一的「保護神」。摩擦產生的熱量和氣體映出橘紅色的光，當組員都在為即將重返地球而興奮時，危險悄然而至。

 

地面控制人員發現哥倫比亞號左側的四個溫度傳感器突然失效，艙內其他情況看似都很正常，控制中心並未將這一情況告知，此時太空梭已經開始損壞。

 

哥倫比亞號的偵測器開始接二連三失效，控制中心的氣氛陡然緊張起來，突然他們和控制中心失去了聯繫。太空梭開始逐漸失效並解體，撕裂成數個碎片滑落天際。

 

控制中心仍不知道哥倫比亞號的具體情況，德州已經有目擊者報警，稱有空難事件發生。數分鐘後，NASA的工程師從電視上看到太空梭失事的畫面，控制中心也開啟善後程序。然而數百噸太空梭殘骸正從天空中不斷墜落，這也帶來極大的安全隱患。

 

圖3、哥倫比亞號，能隱約看到左翼碎片

 

午後，NASA正式公布了哥倫比亞號空難的事實。接連兩次太空梭失事，給NASA聲譽和航天計劃造成重大打擊。事故發生三小時後，官方成了獨立的哥倫比亞號事故調查委員會（CAIB），委員會由退休的美國海軍上將哈羅德·蓋曼領銜。

 

CAIB的當務之急是要消除輿論的猜忌，眾所周知2001年「9·11」事件，讓大眾對航空安全風聲鶴唳，哥倫比亞號也會是恐怖分子的目標嗎？調查員事無巨細的查閱完安保記錄後，將恐怖分子的選項劃除了。

 

蓋曼要求調查組開始仔細研究哥倫比亞號返回時的每一個細節，他們發現太空梭失事前幾分鐘，回傳的數據出現異常，尤其是幾個故障前的傳感器探測到了極高的溫度，這些傳感器的均分布在左側機翼的起落架附近。

 

調查員認為，這是由於太空梭產生的高溫氣體竄入了起落架艙，他們繼而得出結論，哥倫比亞號的外部蒙皮遭到破壞，尤其是蒙皮外的隔熱層失效。如果要證實調查員的猜測，他們還需要找到太空梭的飛行數據記錄儀，不同於「黑匣子」的地方在於，它並沒有堅固的保護殼。

圖4、太空梭外部水箱的泡沫

 

哥倫比亞號事故發生後的數月內，NASA組織起了最大規模的地面搜索行動，他們希望從殘骸中找到破解空難的線索。數萬名搜救隊員在德州和路易斯安那州展開了密集的搜索工作。在搜索殘骸時，一架直升機不幸墜機，搜索飛行員小朱爾斯·F·米爾和碎片搜索航空專家查爾斯·克熱內克遇難，另外三人也因此受傷。

 

搜救隊員經過艱苦的工作，終於發現了飛行數據記錄儀，幸運的是它僅受輕傷。解析的數據顯示，太空梭的蒙皮出現破洞，位置不在起落架艙，而是在左側機翼前緣，而且這個洞口在重返大氣層前就已經存在。

 

大家此時才發覺到發射時，一塊脫落的泡沫塑料釀成了大禍。NASA調取發射時的錄像，並未清晰展現出哥倫比亞號受損的樣子。他們經過圖像增強技術處理發現，重約0.8千克的泡沫塑料以500千米的時速撞上了太空梭的左翼。

 

哥倫比亞號的機翼上覆蓋著隔熱片，這些由碳纖維製成的隔熱片能耐受零下160度的低溫和1650度的高溫，但其缺點則是不能增加結構的強度，遭受衝擊便一潰千裡。為了驗證泡沫塑料的破壞力，他們特意採用同樣的隔熱片做衝擊實驗，由於每片隔熱片價值高達80萬美元，他們先測試了猜測的第六片。

 

調查員將塑料泡沫加速並撞擊到隔熱片上，但這隻造成了輕微的裂縫。隨後，調查員從飛行數據中發現，遭到破壞的是第八塊隔熱片，他們又開始了同樣的實驗。結果證實，一塊0.8千克重的塑料泡沫，在隔熱片上留下了直徑25釐米的大洞！

 

實驗結果震驚了在場的所有人，也讓事故調查取得了突破性進展。

 

圖5、塑料泡沫留下了直徑約25釐米的大洞

 

2003年1月16日，哥倫比亞號升空時，燃料箱上脫落的一塊塑料泡沫擊穿了太空梭的隔熱片。31日，哥倫比亞號在返回地球時，1400攝氏度的高溫氣體竄入洞口中。太空梭的左翼湧入4400攝氏度的氣流，並陸續摧毀了溫度感測器。

 

地面的目擊者開始看到有碎片脫落，失去防護的太空梭在高溫面前異常脆弱，左翼的內部結構亦遭破壞，進而導致系統性損壞。太空梭左翼受損失去平衡，強烈的搖擺機體逐漸散開，最終在德州上空解體。

 

調查員還有最後一個疑問，NASA知道哥倫比亞號上的破洞嗎？

 

事實上，NASA的工程師在發射次日便發現了異常，他們還向管理層申請，通過衛星拍攝哥倫比亞號在軌道上飛行時的照片，用以評估太空梭的受損情況，但是這一建議遭到了拒絕。

 

調查員發現，NASA的管理層拒絕調查的另一隱情是，擔心調查事件會延誤飛往國際空間站的重要任務。按照美國國會的要求，如果NASA不能按時完工國際空間站，他們就會削減預算並終止該計劃，這是他們最不願意看到的結果。NASA的管理層在施工進度和預算的雙重壓力下，選擇忽視這個問題。

 

調查員還有最後一個問題，如果NASA通過衛星圖片，得知哥倫比亞號機翼上破洞的消息，他們能挽救航天員的生命嗎？

理論上講，需要NASA加速發射另一架太空梭，航天員經過一系列的太空漫步進行移艙。雖然整個過程充滿了挑戰，但是這是挽救航天員的唯一辦法。可惜，這一切的希望都浪費在NASA管理層的漠視當中。

 

2003年8月26日，CAIB發布了最終的調查結果。事故報告充滿了嚴厲批評的措辭，其中包括了繼續安全進行太空梭的計劃。

 

管理系統能否得到徹底貫徹執行，也是發射安全的重要保障。NASA的主管也深刻認識到了問題的嚴重性，並承諾予以檢討和修正。隨後NASA進行了大刀闊斧的改革工程，並鼓勵各級員工對安全建言獻策。他們也增加了發射的錄像機位，並通過衛星拍攝太空梭的詳細照片。

圖6、STS-107行動的成員，從左至右分別是：Brown, Husband, Clark,Chawla, Anderson, McCool, Ramon

 

由於巨大的風險性，NASA在20011年7月21日終結了太空梭計劃。美國阿特蘭蒂斯號太空梭在甘迺迪中心著陸，完成了美國太空梭項目第135次，也是最後一次飛行。

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