↑↑今年２月１日，人类航天史上的又一个灾难发生了，“哥伦比亚”号航天飞机在预计落地前１６分钟解体爆炸，７名宇航员全部罹难。这是１９５７年１０月４日世界上第一颗人造地球卫星发射成功后，人类在开发和探索太空的过程中遭受的一个重大打击，是继１９８６年“挑战者”号航天飞机爆炸以来又一次严重的灾难，世界为之震惊。↑↑↑ ↑

↑↑美国“哥伦比亚”号航天飞机１９８１年４月１２日首次发射，是美国最老的航天飞机。今年１月１６日，“哥伦比亚”是进行了它的第２８次飞行，这也是美国航天飞机２２年来的第１１３次飞行。↑↑↑ ↑

↑↑最近，有关“哥伦比亚”号失事的直接原因基本确定：超高温空气从机体表面缝隙入侵隔热瓦下部四处乱窜，最终造成航天飞机在返航途中解体坠毁。↑↑↑ ↑

↑↑奇特的隔热盔甲——“鳞片”↑↑↑ ↑

↑↑如果你看过航天飞机试飞的电视，或见过航天飞机的彩色图片，你一定会奇怪它的表面为什么不是银色的蒙皮，却是五颜六色、大小不同，仿佛披了一身盔甲的“鳞片”。其实，这就是航天飞机返回时防热用的陶瓷瓦。美国为了研究这种防热陶瓷，历时十年，耗资巨额，费尽周折。↑↑↑ ↑

↑↑但首次发射不久，尚未入轨，便出现了一件令人担忧的事故——机身上有十五块陶瓷防热瓦脱落。这使机身结构暴露出来，从而在返回地面时有可能遇到气动加热的损伤。幸好，脱落部位处于低热流区，故未造成严重后果，闹了一场虚惊。然而，防热瓦脱落确实是航天飞机研制中一直未解决的难题。↑↑↑ ↑

↑↑原来，全身布满防热瓦的“哥伦比亚号”早在一九七八年就已出厂，预定在一九七八年底或稍晚进行首次试飞。可是，就在一九七九年三月进行运输前的飞行鉴定中，垂直尾翼上有四、五块防热瓦损坏。接着在同年六月，一架特制的运输机装载着“哥伦比亚号”作短途空运时，防热瓦又因粘接不牢而脱落。这两次事故迫使当局对防热瓦再次进行全面分析和改进，首次试飞一再延期。人们不禁要问，为什么非用这种防热材料不可呢↑↑↑↑↑ ↑

↑↑苛刻而独特的要求↑↑↑ ↑

↑↑航天飞机重返地面时将遇到大气层的气动加热，大部分表面温度升高到摄氏千度以上，某些部位最高达１６００℃，机身不能承受高温，所以表面必须覆以防热材料，以保持内部结构的温度在允许范围以内。↑↑↑ ↑

↑↑以往的载人飞船、返回卫星也都有防热层保护，但它们的重量和表面积却比航天飞机的小得多。一架返回地面的航天飞机其防热层重达近万公斤，占整机自重的１５％。由于防热面积大，材料性能的好坏对重量影响极大。面积大、性能高是航天飞机防热设计的一个苛刻要求。↑↑↑ ↑

↑↑以往任何飞行器都是一次使用的，唯独航天飞机要求使用一百次，防热层也要求重复使用，总寿命十年。防热设计者遇到的这个要求是前所未有的。↑↑↑ ↑

↑↑面对这苛刻而独特的要求，以往飞行器使用的成熟技术：烧蚀和辐射防热法，变得不再称职了。↑↑↑ ↑

↑↑美国的“水星号”、“双子星座号”和“阿波罗号”三代载人飞船都用了烧蚀防热。烧蚀材料覆在飞行器表面，受热时自身发生一系列化学、物理变化，虽能吸收或散去大部分气动加热，但烧蚀材料本身已变成碳素和其它杂质，无法重新使用。↑↑↑ ↑

↑↑还有一种历史悠久的防热方法叫辐射防热。辐射防热由耐高温的辐射蒙皮和隔热材料组成。根据辐射定律，物体表面的辐射热流与表面的辐射率和温度的四次方成正比。当辐射蒙皮受热而温度升得很高时，有高辐射层的外表面以辐射形式散去大量的热能；蒙皮内侧则涂以低辐射层，加上性能很好的隔热材料，传到内部结构的热能就很少了。↑↑↑ ↑

↑↑辐射防热只要选用耐高温的材料做蒙皮便可以重复使用。例如钛合金重复用的温度约５００℃，镍基合金可达１０００℃以上，而钨、钼、铌、钽等难熔金属则可在更高温度下使用。然而，用这些金属作航天飞机蒙皮时，需要冲成波纹状以提高承受压力的能力，否则就要增加蒙皮厚度使机身变重。但是，这种波纹状的表面干扰了气流，使热流增大、飞行气动特性变差。可见辐射防热也无法使用。↑↑↑ ↑

↑↑新的表面隔热系统↑↑↑ ↑

↑↑既然原有的方法都不适用，只得探索新的途径。美在１９７０年左右开始专门为航天飞机设计了一种新型的陶瓷防热系统，称为重复使用表面隔热系统。这种防热形式实际上就是从辐射防热发展而成的。将辐射蒙皮去掉，使隔热材料“硬化”并在表面涂附高辐射层，这样，这种表面隔热材料就兼有辐射和隔热的双重作用，成为一个简单而轻巧的防热层。↑↑↑ ↑

↑↑重复使用表面隔热材料的主要成分是各种高温无机纤维，加上无机粘结剂后９８０℃到１３２０℃烧结成材。由于所用纤维很细↑↑通常只有几微米，成材后密度又低，所以隔热性很好，而且可耐１２００℃以上的高温。但是，这种材料疏松、质脆、强度很低，与一般金属材料的膨胀系数相差又大，所以当防热瓦与金属机身连接时，机身上的机械变形和热膨胀都会使它破坏。设计者们采用两个方法来防止破坏。首先，将防热材料制成小块的瓦片，整个机身的防热面用近三万块防热瓦覆盖着，而相邻瓦片之间留有适当的间隙，使不致因结构变形时而相互挤压。第二个↑↑措施是在防热瓷瓦与金属结构间衬着一层用聚芳酰胺纸↑↑商标牌号为Ｎｏｍｅｘ的毡纸的硅橡胶制成的弹性隔离垫。这种联结方式使机身的变形大部分被隔离垫吸收，脆弱的防热瓦只受很小的变形。↑↑↑ ↑

↑↑另一个颇费周折的问题是防热瓦的表面处理。根据不同的用途，材料表面应该有四层涂层。最先是防潮层，用来阻止多孔的防热瓦吸潮，据估计，未经防潮处理的材料在发射前的等待时间里吸收的水分重达防热瓦自重的３０％。防潮层外还要涂以温控层和高辐射层。温控层有一定的吸收率和辐射率比值，在轨道飞行时舱内温度部分地靠它来控制。高辐射层用在返回阶段提高表面的辐射散热。防热瓦的最外层是抗腐蚀、抗冲击、耐磨损的防护层，用以保护内层材料免受施工、操作时的碰伤，同时也抵御风沙、冰雹、雨滴等自然尘埃的侵蚀。这些涂层分别一层一层地处理，整个工艺势必十分繁琐，也难以确保每层的质量。经多年的研究和试验，最后用在航天飞机上的涂层只有０↑↑↑.↑↑↑４６ｍｍ厚的薄薄一层。利用化学反应在防热瓦表面烧结成一玻璃态薄层，性质坚固而致密，兼备防潮，防腐，耐磨，抗冲击等特性，涂层内预加的不同添加剂则使表面具有要求的温控性能和高辐射性能。↑↑↑ ↑

↑↑防热层结构↑↑↑ ↑

↑↑航天飞机表面不同部位在飞行中受到的气动加热不同。在配置防热材料前，设计者们得仔细地求出各处在飞行中达到最高温度，然后将温度相等点连起来画成温区分布图，最后针对不同温度选用合适的材料和厚度。↑↑↑ ↑

↑↑增强的碳—碳复合格料↑↑简称ＲＣＣ材料↑↑，使用在温度最高的部位，主要为机身的头部、机翼和尾翼前缘等处，最高温度可达１６００℃。使用的面积约３８ｍ２，总重约１４００ｋｇ。这种材料用石墨纤维布和多次碳化的树脂复合而成。表面经适当的反应使外层石墨纤维转变成碳化硅，形成高温抗氧化层，而且表面呈微绿色具有设计要求的高辐射性。↑↑↑ ↑

↑↑高温重复使用表面隔热材料↑↑简称ＨＲＳＩ材料，用在温度为６５０℃到１２６０℃的表面。每块防热瓦１５ｃｍ见方，全部用了２００００多块，占面积５００ｍ２，总重约５０００ｋｇ。厚度随使用处的热流不同而变化，最厚处约１５ｃｍ，在机身下表面。这↑↑种材料密度很小，仅０↑↑↑.↑↑↑３５ｇ／ｃｍ３，表面的涂层用氧化硅、氧化硼和四硼化物等在１１００℃左右化学反应烧结而成，颜色为黑色。↑↑↑ ↑

↑↑相邻瓦片之间留的空隙严格控制在０↑↑↑.↑↑↑９ｍｍ到１↑↑↑.↑↑↑７ｍｍ之间：太小膨胀的余量不够，太大则会增大缝隙处的热流。缝隙底部还有垫条相衬以免铝结构暴露在缝隙底部。表面涂层与弹性隔离垫间留有０↑↑↑.↑↑↑１５ｃｍ的间隙使材料内外透气，当飞行中内、外有压差时，涂层不会因压差而破坏。↑↑↑ ↑

↑↑低温重复使用表面隔热材料↑↑简称ＬＲＳＩ材料，用在温度６５０℃到３７０℃的表面。每块防热瓦２０ｃｍ见方，一共约７０００块，占面积约↑↑２７０ｍ２，总重约１０８０ｋｇ。使用厚度１↑↑↑.↑↑↑３ｃｍ到１↑↑↑.↑↑↑９ｃｍ。这种材料除了密度更低↑↑约０↑↑↑.↑↑↑１４４ｇ／ｃｍ３↑↑、表面呈白色以外，与高温防热瓦完全相同。↑↑↑ ↑

↑↑柔性重复使用表面隔热材料↑↑简称ＦＲＳＩ材料，用在温度低于３７０℃的表面。每块长９２ｃｍ、宽１２２ｃｍ，总面积约３３０ｍ２，总重５３０ｋｇ。使用厚度为０↑↑↑.↑↑↑４１ｃｍ到１↑↑↑.↑↑↑０２ｃｍ。这种材料由聚芳酰胺纸和硅橡胶制成，材料成毡状，柔软而具有弹性，所以尺寸做得较大，还可以不通过应变隔离垫直接与铝蒙皮胶接。↑↑↑ ↑

↑↑造成美国“哥伦比亚”号航天飞机空中解体的主要原因是左机翼的隔热瓦受损所致。航天飞机最近调查研究表明共有两万多块黑色、白色和灰色的隔热板，这种隔热瓦像鱼鳞一样一圈圈地围绕着机身，它们由碳硅化合物组成，如果有隔热板松动、损坏或丢失，将改变航天飞机的空气动力结构，进入大气层中遇到高温会引起铝制机身变形，从而导致更大面积的隔热板脱落，使航天飞机的温度超过承受极限而导致破裂和爆炸。↑↑↑ ↑

↑↑导致左机翼的隔热瓦受损的原因如下：一是机体表面的隔热硅片脱落，击中机翼。因为在发射升空时，曾有一块隔热板从外置燃料罐上脱落，砸到了航天飞机的左机翼上，虽然当时没有对机翼上的隔热板造成致命性的破坏，但经过１６天太空中的疲劳飞行，航天飞机再返大气层时，左机翼的隔热瓦就无法承担巨大的压力而脱落，致使左机翼进入大气层因磨擦产生高温而烧毁，从而导致航天飞机的解体；二是太空中其它太空碎片垃圾或异物撞击航天飞机的左机翼，致使隔热瓦脱落而导致航天飞机失事；三是航天飞机在进入大气层时角度控制有问题，引起航天飞机机体局部压力过大而使左机翼的隔热瓦脱落而发生意外。四是“哥伦比亚”号航天飞机年久老化，使航天飞机的种种结构应力难以承受任何一个小小的意外，在返回大气层中引发的从左机翼开始的解体。↑↑↑ ↑

↑↑１９８１年，航天飞机首航时脱离的十五块防热瓦，是低温防热瓦或柔性防热瓦，脱落处最高的温度不超过６５０℃，当时，瓦片脱落处尚有胶接层残留，所以内部结构的损伤不致十分严重。当时，如果高温防热瓦脱落，其后果无疑会与今年这次事故一样。↑↑↑ ↑

↑↑果然，不幸的事终于在２２年后发生了。↑↑↑