送交者: NF 于 February 12, 2003 23:44:36:
航天飞机上的绝热瓦
哥伦比亚号航天飞机出事之后，人们对出事原因进行了很多猜测。其中谈论得最多的是航天飞机上绝热瓦的损坏。根据NASA用高速摄像机拍下的升空实况，哥伦比亚航天飞机在升空80秒时，燃料箱上一块绝热材料脱落(燃料箱内装的是液氢，液氧，需要在低温下保存)，打到了航天飞机左翼。当时NASA的工程师们进行了估算，结果认为航天飞机上的绝热瓦不至于受到损坏，在重返地球时不会被烧穿。而正是左翼上的温度传感器在失事之前，显示了不寻常的温度升高。随后就是航天飞机的爆炸解体。
一般客机在着陆时，进入角度在16度左右。而航天飞机在着陆之前要先重新进入大气层，其进入角度是45度左右。太大，太小都不行。哥伦比亚号出事前的速度是18马赫，也就是音速的18倍。这样的速度会引起机体与空气的剧烈摩擦，产生高温。所以进入大气层的过程要用计算机来控制，随时调整航天飞机的姿态，稍有误差，就会出事。
在重返大气层时，航天飞机的机头和机翼的前缘温度最高，可达1200度，其次是腹部。温度相对较低的地方是顶部，但温度也要有几百度。航天飞机的机体是由铝合金及碳纤维复合材料制成的，显然承受不了这么高的温度。为了解决这个问题，机体表面上要用绝热瓦来覆盖。每一片瓦的尺寸，厚度都不一样，是量体裁衣，特殊裁制的。
航天飞机所要承受的环境很恶劣，温度变化在零下一百多度到零上一千两百多度。随着材料科学的进步，绝热瓦的制造也在不断改进。现在的航天飞机70%的部份是由大约两万四千块绝热瓦来覆盖。绝热瓦的厚度随所需承受的温度而不同，尺寸大小也不一样。高温绝热瓦的尺寸大约6英寸见方，低温绝热瓦的尺寸大约8英寸见方。每片瓦的平均价格大约2000美金。航天飞机上还有大约三千块绝热毯覆盖其它部份。
机头和机翼前缘是由RCC(Reinforced Carbon-Carbon)来保护的。RCC是由碳素纤维泡在特殊的树脂中再加温碳化制成的。碳化后的材料经过氧化铝，硅胶，碳化硅处理之后，在高温炉里经过烧结，就制成了外边有一层抗氧化膜保护的RCC。机头部份是由一整个的RCC来保护的。每个机翼的前缘部份由22块RCC保护板来覆盖。
黑色的高温绝热瓦叫HRSI(High-Temperature Reusable Surface Insulation)，用于保护飞机底部。白色的低温绝热瓦叫LRSI(Low-Temperature Reusable Surface Insulation)，主要用于保护飞机的顶部。现在很多LRSI已经被绝热毯取代了。HRSI的厚度从1英寸到5英寸，密度有每立方英尺9磅和22磅两种。LRSI的厚度从0.2英寸到1英寸，密度有每立方英尺9磅和12磅两种。
高温和低温绝热瓦所用的材料都是一样的，只是表面涂层的材料不一样。首先玻璃纤维浸泡在化学溶液后在模子里成型。在巨型微波炉里乾燥后，玻璃纤维在一千多度的高温下烧结。表面上喷过硼化玻璃之后，绝热瓦就可以送去做机械加工了。机械加工的机器是带钻石刀具的三轴，五轴数控磨床。绝热瓦曲面的精度要求很高，要与航天飞机的表面相一致。绝热瓦的散热性能非常好，从一千度的高温炉里拿出来几秒钟，瓦的边缘部份就不烫手了。这时瓦的中心部份还红着。
航天飞机在运行时所受温度变化很大，从零下一百多度到零上一千多度。所以机体表面的伸缩也很大。为了保证绝热瓦与机体表面的紧密结合，瓦与机体之间装有缓冲垫，是由经过防火处理的尼龙网制成的。缓冲垫与绝热瓦都是用一种特殊黏合剂粘到机体上去的。这种黏合剂叫RTV(room-temperature vulcanizing silicone adhesive)。这种黏合剂可以在零下一百多度到零上两百多度之间保持其黏合强度。
瓦与瓦之间的缝隙是由绝热填料来填补的。这种绝热填料主要由陶瓷纤维，金属箔和RTV制成。
NASA说如果航天飞机的绝热瓦有损坏，一定要在地面上才能修复。其原因除了是宇航员在外太空条件下行动有很大困难外，也与所用的材料有关。首先航天飞机上的每一片瓦其形状，厚薄都不同，即使是只携带高风险部份的瓦，也要占很大的空间和载量。另外NASA的资料显示，所用的胶是一种ROOM TEMPRETURE黏结剂。航天飞机上只有几个有限的温度传感器。在外太空飞行时，别说保持机体某个部份的表面温度，就是测量局部温度都不太可能(另有消息说，航天飞机上很多温度传感器被拆掉以节省空间和载量)。
关于航天飞机绝热瓦用的黏结剂，报纸上还有一个有趣的报导。这个黏结剂尽管在很大温度区间内有良好的效果，但一个缺点是凝结太快。可是这种黏结剂在搀了水之后凝结速度就大大降低。所以有些技术人员在修复绝热瓦是就开始往瓦与瓦之间的缝隙中吐吐沫。可这样一来，黏结剂的强度就大大降低，NASA很快就制止了这种行为。
哥伦比亚号出事之后，美国政府马上开始了大规模的搜索活动来寻找飞机的残片。在所有这些残片中，绝热瓦可能是保存得最好的了。因为它们重量轻，体积小。更重要的是它们还耐高温，且每块都有自己的编号。所以这些绝热瓦会对出事原因的了解，提供比其它残片更完整的依据。当然现在已经找到的残片都是与飞机爆炸解体的过程有关，关键是要找到“最初”掉落的那几片绝热瓦，这也是搜索行动最困难的部份。
NASA可以用计算机来对绝热瓦的“跌落”进行模拟。但这个过程需要对初始条件(如时间，地点，高度，速度等)进行假设，还要有精确的气象参数(如风向，风速，气温，气压，气流稳定程度等)。也许人们以后会在有关的杂志看到这方面的论文。
这次哥伦比亚号事件对整个世界的航天事业都有巨大影响。美国航天飞机的一个重要任务，就是为正在建造中的宇宙空间站输送燃料和物品。而每次航天飞机与空间站接轨之后，都要将空间站往上托一段，因为空间站受重力影响，在不断地往下掉。现在美国的航天飞机计划崭停，只能靠俄国的飞船来救急了。
这次事件也影响到了广告业。据说出事后几小时，惠普就取消了一个有宇航员出现的一个电视广告。
出事以后，也有很多人对NASA的航天计划提出批评。2月3号的华尔街日报就有文章批评NASA的载人航天飞行是一种公关秀，指出所有那些航天飞机上的实验都可以设计成无人操作的。所以除了事故的技术原因之外，航天计划的其它方面也需要人们的思考。