航天飛機之殤

美國東部時間2003年1月16日早晨，“哥倫比亞號”航天飛機搭載7名宇航員，從佛羅里達州的卡納維納爾角發(fā)射場升空，執(zhí)行編號為“STS-107”的飛行任務(wù)。機組總指揮是里克·哈斯奔，他參加過前一次航天飛機飛行。飛行員是威利·麥庫爾，他是第一次執(zhí)行航天飛機飛行任務(wù)。任務(wù)專家戴夫·布朗和伊蘭-拉蒙(她也是以色列第一個進入太空的人)也是第一次乘坐航天飛機邀游太空。其余3名機組成員分別是載荷指揮邁克爾·安德森、飛行工程師卡爾帕納·查烏拉和海軍女軍官勞瑞爾·克拉克博士。

2003年，“哥倫比亞號”航天飛機在返回地球過程中爆炸解體。這一重大事件迫使美國宇航局做出讓航天飛機全部退役的決定。事實上，這已是航天飛機第二次在空中發(fā)生爆炸。那么，兩次爆炸的原因是什么?功勛卓著的航天飛機為什么一定要退出歷史舞臺?

應(yīng)運而生

在“挑戰(zhàn)者號”航天飛機于1986年發(fā)生重大災(zāi)難之后的17年里，美國宇航局已經(jīng)成功進行了87次航天飛機飛行，但“哥倫比亞號”這次的STS-107飛行仍被認為是試驗性質(zhì)的——畢竟，航天飛機是迄今為止最復(fù)雜的航天飛行器，其發(fā)射的風(fēng)險尤其大。

跟蹤器監(jiān)測了這次發(fā)射后的每一秒?？雌饋?，這真是一次完美的發(fā)射，8分鐘后“哥倫比亞號”已經(jīng)進入軌道，機組成員開始執(zhí)行科學(xué)任務(wù)?！案鐐惐葋喬枴笔呛教祜w機隊伍中最老的一艘，也是第一艘被設(shè)計為不跟國際空間站對接的航天飛機。具有諷刺意義的是，這艘航天飛機原本是為空間站設(shè)計的，并不是今天這樣子。事實上，“哥倫比亞號”的故事可以追溯到上世紀60年代，那是美國宇航局非常榮光的時期：宇航員尼爾·阿姆斯特朗正準備乘坐“阿波羅11號”飛船登陸月球。登月的成功大大地激勵了美國宇航局，該局緊接著制定了到1975年建立12人空間站、到1980年建立50人空間站、幾年后又建立100人空間站的“超級空間站”計劃，然而，他們迅速意識到，每次發(fā)射火箭都要耗費巨資，因此需要可以重復(fù)利用的飛行器——航天飛機，讓它作為一種交通運輸工具，在地面和空間站之間穿梭。

就在美國宇航局雄心勃勃地籌劃著未來的同時，不堪重負的美國政府卻做出了削減該局預(yù)算的決定。于是，在經(jīng)過數(shù)次登月后，登月任務(wù)被取消，載人太空飛行被禁止超出低地球軌道，“超級空間站”計劃胎死腹中。不過，航天飛機的研發(fā)繼續(xù)得到支持，前提是盡量節(jié)省成本。就這樣，“哥倫比亞號”應(yīng)運而生。作為一艘可以重復(fù)利用的飛行器，它可以像飛機那樣安全降落，但在降落前必須經(jīng)受住重返大氣層過程中與大氣摩擦產(chǎn)生的致命高熱。它要搭載7名機組成員，還要裝載一輛學(xué)校巴士大小的負荷。試想一下，具有這么多的功能，卻要盡可能降低成本，這可能嗎?最終，航天飛機的設(shè)計性能的確是基本達到了，但它成為另一種昂貴的航天飛行器也成定局。航天飛機的每次飛行成本都在5億美元以上，甚至超過10億美元。

在20世紀80年代，航天飛機每年的飛行數(shù)量逐漸增加：1983年4次，1984年5次，1985年達到了創(chuàng)紀錄的9次。當(dāng)時，航天飛機的發(fā)射具有優(yōu)先權(quán)，因為美國宇航局需要利用航天飛機進行低價的商業(yè)性衛(wèi)星發(fā)射來跟歐洲空間局競爭。結(jié)果，美國宇航局顧客盈門，極大地增加了美國公眾的國家自豪感。

背景知識 航天飛機

航天飛機的正式名稱是“太空運輸系統(tǒng)”，主要用于載人航天飛行任務(wù)。在發(fā)射時，這個系統(tǒng)由金色的外部燃料箱，兩個細長的白色固體火箭推進器，以及一艘軌道器共同組成。這個軌道器其實就是一架有翼的太空飛機，通常所說的航天飛機其實就是指這個軌道器本身。

航天飛機搭載宇航員以及衛(wèi)星或空間站部件之類的負荷進入低地球軌道(也叫近地軌道，距離地球表面160～2000千米)，也就是進入地球大氣層的上層。通常情況下，航天飛機每次升空時都搭載5～7名宇航員。當(dāng)任務(wù)完成之后，它將點燃“軌道機動系統(tǒng)”的推進器，從而掉出軌道，重返地球的下層大氣。在下降和著陸過程中，航天飛機相當(dāng)于一架滑翔機，無需任何動力就能完成著陸。

航天飛機是第一種被設(shè)計為可以部分重復(fù)使用的軌道飛行器。攜帶載荷進入低地球軌道后，航天飛機為國際空間站送去新的機組成員，運回老的機組成員，同時提供維修保養(yǎng)服務(wù)。航天飛機能夠從軌道中取回人造衛(wèi)星及其他貨物，將它們送回地面，但這項功能并不常用。航天飛機被經(jīng)常用于把國際空間站的大量載荷送回地面，這是因為俄羅斯的“聯(lián)盟號”飛船在送返貨物載荷方面能力有限。

每一架航天飛機的設(shè)計壽命為100次發(fā)射，或者10年的服役期。負責(zé)設(shè)計航天飛機的科學(xué)家是馬西米·法吉特，他也曾負責(zé)美國宇航局的“水星號”、“雙子座號”空間站和“阿波羅”飛船的設(shè)計。決定航天飛機勒道器大小和形狀的最主要因素，就是它必須能容納迄今最大的商業(yè)衛(wèi)星及分類衛(wèi)星，以及能滿足美國空軍的任務(wù)要求。美國政府對航天飛機的主要用途之一，是用它來放置人造衛(wèi)星。

迄今為止，美國一共建造了6架適航的航天飛機，按先后順序分別是：“企業(yè)號”、“哥倫比亞號”、“挑戰(zhàn)者號”、“發(fā)現(xiàn)號”、“亞特蘭蒂斯號”和“奮進號”。其中，“企業(yè)號”并不用來進行太空飛行，而只用于測試。在“挑戰(zhàn)者號”于1986年爆炸解體后，作為其替代，又建造了“奮進號”。

每一架航天飛機，本質(zhì)上都是一個可以部分重復(fù)使用的發(fā)射體系，由三個主要部分組成：可重復(fù)使用的軌道飛行器，被消耗的外部燃料箱，可部分重復(fù)使用的固體火箭推進器。外部燃料箱和火箭推進器在航天飛機升空過程中被投棄，只有軌道器最終進入軌道。航天飛機是垂直發(fā)射的，就像傳統(tǒng)的火箭。軌道器通過滑行進行水平著陸，隨后經(jīng)過整修而重新使用。

據(jù)估計，到2008年初，美國航天飛機計劃已耗資大約1700億美元(以2008年的美元價值計算)，也就是說，航天飛機的每次飛行平均要花掉15億美元。

致命缺陷

然而，早就有工程師指出，航天飛機在設(shè)計上存在不少的不完善之處，安全性有待商榷。1986年1月26日，危機終于在“挑戰(zhàn)者號”航天飛機身上爆發(fā)了：“挑戰(zhàn)者號”升空73秒后發(fā)生爆炸并在一團火球中解體，機上7名宇航員全部遇難，其中包括高中女教師克里斯塔·麥考利夫，她參與此次飛行原本被認為是一個象征——安全、常態(tài)的太空旅行時代終于到來了。

“挑戰(zhàn)者號”的災(zāi)難對美國宇航局以至整個美國來說都是一次重大打擊，為了調(diào)查事故原因，一個專家委員會立即組成。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，“挑戰(zhàn)者號”發(fā)射當(dāng)日過于寒冷，導(dǎo)致出現(xiàn)細微裂縫，熾熱氣體通過裂縫逸出，點燃主油箱，從而造成爆炸。調(diào)查還得知，在“挑戰(zhàn)者號”升空前，多名工程師曾反對這次發(fā)射，理由是存在安全風(fēng)險，但他們的警告被置若罔聞。

直到1988年，航天飛機才恢復(fù)飛行，其中最著名的任務(wù)是搭載宇航員在軌道中對哈勃太空望遠鏡進行了維修。到1993年，航天飛機任務(wù)再達巔峰。但是，到2002年，飛行次數(shù)又降了近一半，主要原因還是基于對安全性的擔(dān)憂。

1998年，再三推遲的國際空間站終于開始組裝，航天飛機大大地派上了用場，但航天飛機的安全性問題仍未得到解決。例如，“雙子座”空間站和“阿波羅”飛船都有輔助火箭，一旦主火箭出問題，輔助火箭就能把機組成員推到安全處，但航天飛機卻缺乏這種安全保護。不僅如此，就算火箭不出問題，航天飛機在發(fā)射升空的過程中也很脆弱。

在航天飛機研發(fā)過程中，有人擔(dān)心在龐大外部燃料箱上形成的冰會損害航天飛機。這個燃料箱中裝著氫和氧，它們在超低溫下保持液態(tài)。為阻止佛羅里達的濕冷空氣在外部燃料箱上結(jié)冰，就需要使用絕緣泡沫，而這種輕薄、脆弱的材料本身就帶來了問題。早在1981年航天飛機首次飛行時，工程師們就注意到，成百上千塊泡沫碎片掉下來，擊中航天飛機的下側(cè)。工程師們擔(dān)心，如果下側(cè)遭到嚴重損壞，超熱大氣就會在航天飛機重返大氣層的過程中滲進航天飛機，從而釀成災(zāi)難。

直到2003年當(dāng)“哥倫比亞號”靜靜地躺在發(fā)射架上等待升空之時，美國宇航局的專家們?nèi)栽谘芯颗菽瓎栴}，因為，就在3個月之前，在“亞特蘭蒂斯號”航天飛機發(fā)射過程中，一大塊泡沫在航天飛機的一個助推火箭上砸出了一個小坑，導(dǎo)致一個重要的電子盒錯位10厘米左右。美國宇航局下令調(diào)查此事，但調(diào)查卻因故推遲。

“哥倫比亞號”升空81秒后，一大塊泡沫從主燃料箱上掉了下來，擊中航天飛機的左翼。飛行第二天，地面工程師們在重新審視有關(guān)的錄像時發(fā)現(xiàn)了這個問題。但任務(wù)管理者相信這并無大礙。的確，宇航員們在“哥倫比亞號”上面完成了所有科學(xué)工作，“哥倫比亞號”的飛行也一直四平八穩(wěn)。

滅頂之災(zāi)

2003年2月1日，美國宇航局工作人員及其家屬和大批記者聚集在肯尼迪航天中心的著陸帶附近，迎接“哥倫比亞號”宇航員們的歸來。當(dāng)天天氣晴好，檢查也未發(fā)現(xiàn)任何技術(shù)問題。在成功控制了超過100次著陸后，身在休斯頓的地面控制組已經(jīng)對航天飛機重返大氣層的程序駕輕就熟。然而，在“哥倫比亞號”穿越加利福尼亞海岸上空不到一分鐘時，地面控制中心就響起第一聲警報：“航天飛機左翼丟失4個溫度傳感器!”幾分鐘后出現(xiàn)第二次警報：“左側(cè)內(nèi)外胎均失去胎壓!”

地面控制中心立即向“哥倫比亞號”喊話：“‘哥倫比亞號’，我是休斯頓。我們看見你們的胎壓信息，但無法拷貝你們現(xiàn)在的信息?！睂Ψ交卮穑骸爸溃_杰。但是……”聲音突然中斷。失去通訊幾分鐘后，“哥倫比亞號”在得克薩斯州上空爆炸解體，又一組優(yōu)秀的宇航員全部罹難。

災(zāi)難調(diào)查隨即展開。首先是尋找殘骸。在差不多一個月的時間里，20000人在得克薩斯找尋“哥倫比亞號”的遺物。盡管最終只找到大約40％的殘骸，但這些殘骸的特征迅速把調(diào)查人員的注意力引向被泡沫擊中的機翼，他們立馬想到了“哥倫比亞號”在升空81秒后大塊泡沫掉落并擊中左翼這個事實。

這塊泡沫有一個小公文包那么大，重量不到1千克，它來自于連接外部燃料箱和航天飛機的坡道底座，跟3個月前危及“亞特蘭蒂斯號”的那塊泡沫來自同一區(qū)域。盡管這塊泡沫不算太大，也不重，但由于它擊中左翼的速度之快，足以重創(chuàng)“哥倫比亞號”的左翼邊緣。實際上，隨著“哥倫比亞號”重返地球大氣層，摩擦產(chǎn)生的航天飛機外殼溫度高達1600攝氏度。由于泡沫在機翼上砸出了洞，超熱氣體乘虛而入，并緩慢地、從外到內(nèi)地全面破壞航天飛機。盡管自動駕駛儀點燃推進器以補償受損機翼上的阻力，但阻力實在太大，遠遠不夠補償，最終導(dǎo)致“哥倫比亞號”在預(yù)計著陸前16分鐘爆炸解體。

值得一提的是，調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，雖然成功拯救的幾率很低，但“哥倫比亞號”機組成員直到最后一刻也未意識到滅頂殺機的存在。在殘骸中發(fā)現(xiàn)的一盤特制的機上錄音帶仍舊完好，它顯示宇航員們在重返大氣層的這天心情輕松愉快，根本沒有料到會出任何問題。

后繼有人

調(diào)查結(jié)果公布后，美國宇航局受到嚴厲指責(zé)。2004年1月，美國政府要求美國宇航局開發(fā)新型、安全、高效、能將宇航員帶出低地球軌道的飛船，于是“星座”系列飛船的研制被提了出來。而從一開始就存在致命缺陷、并且耗資不菲的航天飛機則被勒令退役。撇開安全性不說，航天飛機既去不了火星，也去不了月球。

基于安全性考慮，“星座”飛船將利用已被證明為可行且安全的技術(shù)進行研發(fā)，并且宇航員和其他載荷分開發(fā)射。為什么要采取分開發(fā)射的方式呢?航天飛機每次升空都同時搭載機組成員和貨物等載荷，共約120噸，其中20噸為貨物和機組成員，另外100噸全部用于支撐機組成員及貨物本身。從某種程度上說，如果發(fā)射目的只是將宇航員送入預(yù)定軌道，那么航天飛機的運力就大大地過剩了(或者說是浪費了)。要知道，航天飛機的載荷區(qū)寬近5米、長近20米，確實大得有些奢侈。同時發(fā)射宇航員和貨物，對火箭的要求自然更高，因而成本巨大，何況還有自身難以克服的安全風(fēng)險。而“星座”系列飛船除了具有更優(yōu)的能力之外，還將完全克服航天飛機的主要安全缺陷——航天飛機在發(fā)射時位于火箭的側(cè)面，而“星座”飛船在發(fā)射時位于火箭的頂部，就像“阿波羅”飛船那樣。因此，“星座”飛船在發(fā)射升空時不會像“哥倫比亞號”那樣注定要被泡沫之類的東西擊中?！靶亲憋w船還配備有逃逸系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)緊急情況它就有可能拯救機組成員的性命。這個逃逸系統(tǒng)包括逃生塔和置于機組艙頂部的逃生火箭等?？偠灾瑱C組成員在危急情況下獲救的幾率要比航天飛機大很多倍。

在最終退役之前，航天飛機還將繼續(xù)用于完成國際空間站的建造。在此過程中，國際空間站上的監(jiān)視器和航天飛機機械臂上的監(jiān)視器將嚴密監(jiān)測航天飛機受到的損壞。此外，新開發(fā)的技術(shù)已能限制泡沫的破碎數(shù)量，甚至能在太空中修復(fù)受損的隔熱瓦。因此，在“哥倫比亞號”災(zāi)難發(fā)生兩年多之后，航天飛機于2005年7月26日恢復(fù)了飛行。2010年，在服役近30年之后，航天飛機將全部退役。無論成敗，航天飛機都將被載人航天飛行史冊。

相關(guān)鏈接 “他們根本不可能逃生。”

2008年12月30日，美國宇航局發(fā)布了“哥倫比亞號”航天飛機失事的最新調(diào)查報告。此次調(diào)查的重點是這場悲劇最后數(shù)分鐘的狀況。

根據(jù)這份報告，在“哥倫比亞號”失控之前，有3名宇航員沒有戴手套，1名宇航員沒在座位上，1名宇航員沒戴頭盔，多名宇航員沒系好安全帶。但是，報告指出，宇航員所犯的這些錯誤并不是導(dǎo)致他們在事故中喪生的原因，即便他們戴了飛行帽和手套也難逃一死。根據(jù)以往的調(diào)查，7名宇航員要么是死于失壓過程中的缺氧，要么是死于致命碰撞。而最新報告進一步顯示：當(dāng)主警報器因控制射流出現(xiàn)故障而首次響起時，“哥倫比亞號”上至少還有一名宇航員仍然活著，他按下數(shù)個按鍵試圖控制航天飛機，但他并不知道這是徒勞的；在主警報器響了至少4秒后，“哥倫比亞號”失去了控制；26秒后，身處上層艙的3名宇航員可能仍有知覺并能對正在發(fā)生的事件做出反應(yīng)；此后，機艙很快開始失壓(減壓)，整個失壓過程持續(xù)了41秒。如此來看，從發(fā)現(xiàn)航天飛機出現(xiàn)問題到發(fā)生爆炸，前后不到1分鐘時間。由于事故是在瞬間發(fā)生的，宇航員在短短數(shù)秒時間里根本不可能穿上壓力服，即便他們有時間穿上壓力服，并在飛機失壓后給自己增壓，那也不過是多活一點點時間，依舊不可能生還。

這份報告還指出，“哥倫比亞號”座位的設(shè)計也降低了宇航員幸存下來的幾率。宇航員無法把自己固定在一個適當(dāng)?shù)牡胤?，隨著航天飛機失控并發(fā)生猛烈擺動，他們完全有可能因撞擊而導(dǎo)致嚴重的鈍性外傷。

最新報告列出了五個對“哥倫比亞號”機組來說都可能致命的“事件”：在機艙解體之前或解體過程中發(fā)生失壓；宇航員在要么失去知覺、要么已經(jīng)死亡的情況下撞上艙內(nèi)物品；宇航員被甩出座位或者機艙；宇航員被暴露在離地30000米高空的真空中；宇航員擊中地面。

的確，頭盔、手套和壓力服等都不是“哥倫比亞號”發(fā)生災(zāi)難的根本原因。在5年前完成的“哥倫比亞號”災(zāi)難首次調(diào)查報告中已經(jīng)證實，早在這架航天飛機最后一次發(fā)射之時，一塊絕緣泡沫就以很高的速度撞上“哥倫比亞號”的左翼，并撞出一個洞——這才是災(zāi)難注定會發(fā)生的根本原因。

美國宇航局進行此次調(diào)查的目的是幫助設(shè)計下一代逃生艙，從而盡可能使宇航員在突發(fā)事故中能夠死里逃生。目前，調(diào)查組已基于“哥倫比亞號”災(zāi)難提出了30項整改舉措，其中許多涉及壓力服、頭盔及安全帶。