从哥伦比亚号航天飞机失事谈美国航天飞机的发展历程与现状

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2024年2月8日发(作者：)

从“哥伦比亚”号航天飞机失事谈美国航天飞机的发展历程与现状

2003年2月1日美国东部时间上午9时，美国“哥伦比亚”号航天飞机在得克萨斯州北部上空解体坠毁，7名宇航员全部遇难。这成为人类航天史上继“挑战者”号航天飞机爆炸失事后的又一惨剧，也使人类探索空间活动遇难宇航员的人数增加到到22名。

一、“哥伦比亚”号航天飞机失事经过

2003年1月16日美国东部时间上午10时39分，“哥伦比亚”号航天飞机从佛罗里达州的肯尼迪航天中心发射升空，开始执行代号为“STS－107”的航天飞机任务。这次任务不仅是“哥伦比亚”号航天飞机第28次飞行，也是美国航天飞机的第113次飞行，此前美国已连续成功进行了76次航天飞行。“哥伦比亚”号此次航天任务原定于2002年7月19日进行，但由于在2002年6月的一次例行检查中在推进剂管路内部的金属衬垫上发现微小裂缝而被推迟到今年1月16日发射。

从公开资料的报道看，“哥伦比亚”号这次飞行任务是进行科学实验，机上载有86项空间实验，包括天体物理、流体力学和生物等实验。机上有7名宇航员，其中6名为美国籍（包括两名女性），分别是指令长瑞克〃霍斯邦德、领航员威廉〃麦克库尔，以及卡尔帕纳〃曹拉、麦克尔〃安德森、戴维〃布朗、劳罗〃克拉克，另外一名

是以色列宇航员伊兰〃拉蒙。机上7名宇航员分成两组，历时16天圆满完成了预定的各项科学实验任务。

“哥伦比亚”号原定于2月1日美国东部时间上午9时16分返回肯尼迪航天中心。在8时53分左右，航天飞机左翼液压系统的温度传感器数据传输突然出现中断。在随后几分钟内，航天飞机轮胎压力数据也出现丢失，另外航天飞机上还发现了结构过热迹象。美国国家航空航天局（NASA）航天飞机项目负责人罗恩〃迪特摩尔和首席飞行主管黑尔夫林称，地面控制中心在9时与“哥伦比亚”号失去通信联系。当时“哥伦比亚”号航天飞机正飞经得克萨斯州上空，飞行高度约为63000米，飞行速度约为20000千米/小时。“哥伦比亚”号解体后的大部分残骸散落到得克萨斯州和路易斯安那州，部分残骸散落到美国西部的加利福尼亚州、亚利桑那州、内华达州和新墨西哥州。

二、美国航天飞机的发展历程与现状

航天飞机的出现是美国航天技术发展的一次飞跃，实现了航天运载器由一次性使用向可部分重复使用的过渡。航天飞机是集火箭技术、航天技术和航空技术于一身的综合产物，也是一种具有重要民用与军用价值的多用途航天器。航天飞机可以在空间释放与维修人造卫星和空间探测器，进行地球资源勘探和环境监测、空间加工和科学试验，建造空间结构，还可以发射各种军用有效载荷，对侦察卫星进行检修、补充燃料和更换胶卷，以及进行载人军事航天活动。目前航天飞机的主要任务包括：① 为NASA进行空间科学实验，发射侦察卫星；

②为美军试验有关设备；③为私营企业提供卫星发射服务（1986年“挑战者”航天飞机号爆炸失事后，美国政府禁止利用航天飞机发射商用卫星）。

1.美国航天飞机的发展历程

航天飞机的设想产生于20世纪60年代末，正是“阿波罗”登月计划即将取得成功的时候。1969年7月16日，美国使用“土星－5”号运载火箭将载有3名航天员的“阿波罗－11”号飞船送入空间，7月21日登月成功。而后，由美国副总统领导的专门研究载人航天下一阶段发展方向的小组，建议发展空间运输系统，并优先发展作为该系统支柱的航天飞机计划。航天飞机计划分两个阶段实施，第一阶段是试验阶段，用“企业”号和“哥伦比亚”号航天飞机进行地面试验、进场和着陆试验以及研制性飞行试验。第二阶段是生产阶段，完成其他航天飞机的生产，并将它们投入运营，设想每年进行航天飞行任务60次。

美国的航天飞机最初是根据“飞回”（fly－back）想法设计的，它共有两级，均有人驾驶，可像飞机一样飞回并水平着陆，第一级是一个庞大的、有翼的、以火箭为动力的飞行器，它将携带较小的第二级，该运载工具可提供起飞动力并飞出大气层，然后释放轨道飞行器后返回地面，装有乘员和有效载荷的轨道飞行器在火箭发动机的推动下进入太空，完成使命后飞回地面。但是，因为航天飞机计划研制经费的不足，再加上1972年进入全面工程研制阶段后，液氢液氧主发

动机技术难度大和防热瓦脱落而达不到技术指标，迫使NASA只好舍弃 “定期地、经济地进入太空”的最佳的完全可重复使用航天飞机设想，改为取消航天飞机内部燃料贮箱，使用一次性外挂燃料贮箱，并缩小轨道器的外形以降低研制费用，同时安全性高且使用费用低廉的液体助推器也被研究费用低的固体火箭助推器所替代。NASA希望重新设计的航天飞机每年可进行24次飞行任务。

1977年2月，“企业”号轨道器开始在爱德华兹空军基地进行进场和着陆试验。试验时把轨道器固定在“波音747”飞机上面，先进行滑行试验；再分别进行不载人和载人的系留飞行试验，轨道器随母机一起起飞、下滑和着陆；最后进行轨道器的载人自由飞行试验，轨道器由“波音747”母机载上天后，在约7千米的高度上轨道器与母机脱离，自行进场和着陆。1981年4月12日，“哥伦比亚”号航天飞机进行了首飞试验，并获得成功，同年11月12日和1982年3月22日、6月27日又相继进行了3次试飞，均获得成功。自此，航天飞机的研制工作正式结束。

2 航天飞机的构成

航天飞机主要由三部分组成：①轨道器：是航天飞机的主体，形状像一架大型三角翼飞机，人们习惯上把它称为“航天飞机”。轨道器被设计成一种可重复使用75～100次的航天运载器，其乘员舱可容纳7人，紧急情况下可容纳10人。轨道器尾部装有三台液体火箭发动机。②外挂燃料贮箱：臵于轨道器的机身下面，内装液体推进剂，

供轨道器3台主发动机使用。它是航天飞机上惟一不可重复使用的部件。③助推器：由两台平行安装的固体火箭助推器组成，位于轨道器双翼下、外挂燃料贮箱两侧。助推器工作结束后，溅落海上回收，可重复使用20次。

3．美国航天飞机执行任务情况

“哥伦比亚”号航天飞机是美国第一架、也是世界上的第一架航天飞机。该航天飞机从第五次飞行开始正式投入使用，迄今为止执行过28次航天任务。在使用期间分别于1994年10月和1999年9月进行过两次翻新和升级技术改造，前者为期6个月，技术改造90项；后者为期9个月，技术改造100项。

除此次失事的“哥伦比亚”号航天飞机外，美国曾经使用的航天飞机有“挑战者”号（1983年4月4日升空，飞行10次，在1986年1月28日爆炸失事）、“发现”号（1984年8月30日升空，飞行30次）、“亚特兰蒂斯”号（1985年10月3日升空，飞行26次）和“奋进”号（替代 “挑战者”号，1992年5月7日升空，飞行19次）航天飞机。

迄今为止，5架航天飞机已交替执行了113次航天任务，将宇航员送入太空达714人次，搭乘过850多个有效载荷，累计在轨时间超过30个月。作为美国载人航天飞行的支柱，美国计划让航天飞机

至少飞行到2012年，甚至可能到2025年，直到美国研制出新一代的可重复使用运载器后才能退役。

自航天飞机投入使用以来，其安全性和可靠性一直倍受关注。1986年1月28日，由于固体火箭助推器的一个“O”型密封垫圈烧穿，导致执行第25次航天任务的“挑战者”号航天飞机在发射升空后约73秒时发生爆炸，价值12亿美元的航天飞机被炸成碎片坠入大西洋，7名宇航员全部遇难。“挑战者”号爆炸事故后，美国总统里根下令成立一个由13人组成的总统调查委员会，调查航天飞机失事的原因。在经过4个月的调查后，调查委员会向总统提出长达256页的调查报告。“挑战者”号爆炸事故造成美国航天飞机停飞2年8个月，致使“星球大战”计划遭受严重挫折。此后，美国为提高航天飞机的安全性和可靠性、降低发射成本，一直在不断地改进航天飞机，包括改进航天飞机的助推器和主发动机等。

三、“哥伦比亚”号航天飞机失事原因初步调查分析

“哥伦比亚”号航天飞机失事后，NASA下令暂停所有航天飞机飞行任务，美国政府有关部门也立即成立三个独立调查小组，对失事原因展开调查。2月13日，从得克萨斯州和路易斯安那州发现的“哥伦比亚”号残骸，被陆续运抵位于弗罗里达州的肯尼迪航天中心。调查人员正对收集到的航天飞机残骸进行仔细分析，试图找出事故的真正原因。目前对航天飞机失事原因仍有争议，主要包括以下几种说法：

1．隔热瓦脱落成为“最可能的原因”

在航天飞机的外部装有约24000个隔热瓦，这些隔热瓦可以使航天飞机抵御在再入大气层的过程中产生的高达1650摄氏度的高温。2月18日，调查人员根据雷达观测图像和录像发现，在“哥伦比亚”号解体前的7～8分钟，在加利福尼亚州上空时就已开始掉落部件。NASA航天飞机项目负责人罗恩〃迪特摩尔认为，飞机失事很可能与一到多块隔热瓦的脱落有关。

至于隔热瓦为何脱落，目前说法不一。有图像资料表明，1月16日在“哥伦比亚”号航天飞机发射升空时，左侧机翼至少遭受了三块60厘米左右的大型泡沫材料的撞击。据负责调查失事原因的专家2月25日透露的初步分析结果，发射时掉落的碎片可能导致隔热瓦破损，如果这块隔热瓦因为曾遭受撞击而在返航途中脱落，必将造成航天飞机脆弱的铝制机体直接暴露在超高温空气下，足以让致命的超高温空气进入“哥伦比亚”号左侧起落架舱内，成为飞机解体前地面控制人员发现起落架舱内温度异常升高的直接原因。在得克萨斯州发现的残片也将很可能为这一观点提供进一步的证据。

调查中，也有专家认为，“哥伦比亚”号也很可能是在飞回地球的途中被太空垃圾或小型陨石击中。NASA目前正在研究航天飞机返程途中与太空垃圾或小型陨石擦肩相撞的可能性，这种撞击将产生足够大的能量，造成航天飞机隔热瓦接二连三脱落的连锁反应。

2．其他可能的原因

机体金属疲劳也可能是原因之一。航天飞机承受巨大的压力，可能会使飞机机体发生解体分裂。因为“哥伦比亚”号是目前服役时间最长的航天飞机。这种金属疲劳在民用航空飞机上也较常见。去年NASA就因为在推进剂管路内的金属衬垫上发现微小裂纹，而让所有4架航天飞机暂停飞行4个月。

此外，航天飞机上的电缆也可能因为磨损而发生短路，最后引发火灾。调查人员还发现，地面控制中心在同飞机失去联络后32秒钟内断断续续收到的数据表明，航天飞机动力和计算机系统直到最后2秒之前还在继续工作，而此时应该正常运转的液压系统却没有反应。这些原因目前仍在调查之中，揭开“哥伦比亚”号航天飞机失事之谜可能还需要一定的时日。

（徐鹏、李德顺、刘映国、潘坚）

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