吴国庭（明升中国空间技术研究院研究员 我国载人飞船防热结构研制负责人 飞船专家组成员）

    美国东部时间7月4日下午2时38分(北京时间5日凌晨2时38分)，“发现”号航天飞机从肯尼迪航天中心一飞冲天。

    此次“发现”号的发射可谓一波三折。先是由于天气原因，7月1日和7月2日两次推迟发射。继而又突然发现外部燃料箱绝热泡沫裂缝问题，引发外界广泛关注。美宇航局顶住压力，认为泡沫裂缝问题不影响发射，决定维持原计划。

    “发现”号行程预定12天。此次发射是美国航天飞机第115次太空飞行，也是自2003年“哥伦比亚”号失事后美国航天飞机的第二次上天。这次飞行对美国航天计划来说至关重要。一旦任务失败，美宇航局将彻底取消航天飞机飞行计划，这对国际空间站的建设及美国航天飞机计划都将是沉重打击。

    对“小概率”事件赌几次，不一定会马上发生事故，但飞行次数增多，就可能会酿成重大事故

    美国东部时间7月4日下午2时38分，“发现”号航天飞机在肯尼迪航天中心升空，这是“发现”号自去年8月完成那多事的飞行近一年后再次飞行，加上飞行前多次推迟发射，而且临射前仍有燃料贮箱外绝热泡沫层可能脱落的迹象，使人十分怀疑：造成2003年“哥伦比亚”号机毁人亡和去年“发现”号一场惊吓的隐患是否彻底消除。航天飞机究竟存在哪些安全隐患？隐患原因何在？是否有彻底排除的可能？笔者试图从技术角度作简单探讨。

    航天飞机是美国20世纪70年代发展起来的一种全新的、可重复使用的空间运输系统。发射时人们看到的航天飞机是由三大部分组成：中间最大最长的是燃料贮箱，贮箱两侧外挂两枚固体火箭，驮在贮箱上的就是航天飞机。

    航天飞机发射段的主要动力是两枚固体火箭助推器和航天飞机上的三台液体火箭发动机。液体火箭发动机的燃料液氢、液氧主要存放在外贮箱内。火箭助推器共有两个，起飞时外挂在外贮箱两侧，用以提供起飞时的推力，是上升段的主要推力。工作一段时间后，固体燃料耗尽，助推器外壳与外贮箱分离后自行下降，最后溅落在海中。

    航天飞机在发射时，中间最大圆柱体部分就是外贮箱，由液氧箱、液氢箱组成。在固体火箭助推器完成一级助推后，开始由外贮箱给航天飞机上的主发动机供燃料，航天飞机爬升到入轨前外贮箱内推进剂耗尽，箱体与航天飞机解锁自行降落，再入大气层时烧毁。

    由于外贮箱内存放的是液氢、液氧，液氢存放的温度应分别低于-253℃和-183℃。箱内温度升高，会使液氢、液氧汽化，使贮箱内压增大而破坏贮箱。所以贮箱外要包覆一层绝热性极好的泡沫绝热材料。这层绝热材料一方面保持箱内低温，另一方面也使箱外表面温度不会过低，防止大气中的湿气在贮箱表面结冰。航天飞机发射升空时，如果贮箱表面有大块的冰层脱落就会砸伤航天飞机表面的防热瓦，势必在再入大气层时酿成重大事故。泡沫绝热材料虽然具有很好的绝热功能，但是，它自身的脱落确是一大隐患。

    从航天飞机发射的记录来看，贮箱外绝热泡沫层的脱落时有发生，最严重的一次造成了2003年2月“哥伦比亚”号的机毁人亡。当时，起飞后57秒，一块0.76千克的脱落泡沫绝热材料以每秒700米的速度把左机翼前缘的防热瓦撞出了个小洞，再入时高温气流由此窜入飞机内部而烧毁了整个航天飞机。

    根据分析，绝热泡沫材料脱落的主要原因在于它与贮箱的连接方式。这层绝热材料与贮箱外表面用胶层粘接，在实际工程实施中，这么大面积的胶接面很难避免个别的脱胶和胶层内的气泡，当航天飞机发射后在上升的逐步加速过程中，高速气流与表面的摩擦会使这层绝热材料温度升高，胶层内残留的气体因温度升高而胀鼓，这就是泡沫绝热层局部脱落的原因。美国人在“哥伦比亚”号失事后的事故分析中，就确认了，当时脱落的泡沫绝热材料正是位于外贮箱发射段表面温度较高的部位。笔者认为，既然发射段贮箱外表面温度升高和胶层内的气泡都难以避免，不彻底改变泡沫绝热层的连接方案，“脱落”问题恐怕难以彻底杜绝。

    绝热泡沫材料很轻，它的脱落本身并不是个严重的问题，问题是被撞击的航天飞机的防热系统本身太脆弱。

    航天飞机完成轨道任务后，将携带宇航员返回地面，在重返大气层时会遇到严酷的气动加热，简单地说，就是机身周围将被因高速摩擦而升至数千度的高温气流所包围，所以机身外全要包覆防热系统。为了减轻防热重量，航天飞机采用一种陶瓷材料制成的防热瓦，这种防热瓦耐高温、防热效率高、重量轻、可以重复使用。即使如此，防热瓦的总重也达8000多千克，加上连接部件等，总重约13200千克，占航天飞机总重的19%。但是防热瓦材料质地疏松易碎，给航天飞机留下了很大的安全隐患。所以采用这种极易破坏的材料，是因必须节省防热重量以提高远载能力又要重复使用，不得已而为之的。

    从上世纪70年代航天飞机的研制开始，直至90年代，改善防热瓦的脆性一直是美国航天界的重要课题。虽然上世纪90年代中开始采用了一种韧性更好的材料做防热瓦，但是陶瓷材料的脆性本质却难以从根本上改变，因此，在多次飞行中，很难确保在空间粒子或碎片撞击后仍能保证防热瓦完整无损。事实上，2003年“哥伦比亚”号失事后公布的一个报道说，美国一个研究小组对航天飞机防热瓦损伤记录进行了10年跟踪，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多达25处。

    根据以上分析，美国航天飞机安全隐患主要是：（1）泡沫绝热材料脱离；（2）防热瓦过于脆弱。而不对航天飞机总方案进行彻底改造，恐怕在相当长时间内难以完全杜绝这两个隐患，连美宇航局局长格里芬也承认，“发现”号受损的概率可能达到1.5％。对“小概率”事件赌几次，不一定会马上发生事故，但飞行次数增多就可能会酿成重大事故。难怪美国宇航局已表示，现有的三架航天飞机在完成国际空间站建造的运输任务后将彻底退役。

搭载7名宇航员的“发现”号航天飞机美国东部时间4日下午2时38分（北京时间5日凌晨2时38分）从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空。（新华社记者赵鹏/摄）