人类一直在对探索太空做着非常大的努力，因此也取得了不小的成就，但这些成就的背后，也付出了许多不小的代价。比如发射任务的失败，宇航员的丧生，都会给整个国家的航天事业带来巨大的负面影响。 今天要说的是16年前美国“哥伦比亚”号航天飞机发生的坠毁事故，7名宇航员，永远的留在了太空。
当时美国的航天事业如日中天，美国第一艘航天飞机“哥伦比亚”号是当之无愧的明星，哥伦比亚号航天飞机研制1972年，终于在1981年时进行了首飞，重2000吨，可装载36吨的货物飞向太空，还能实现自主机动飞行。失事之前，”哥伦比亚“号共执行了27次飞行任务，每一次都顺利返回地球。2003年，美国计划发射早就制定好的计划，将“哥伦比亚”号第28次送上太空。 然而，哥伦比亚号上的7名宇航员在执行完任务返回地球的时候，隔热层突然失效，船舱内的温度迅速上升到1400℃，几乎在一瞬间，宇航员们的身体就被融化了。上一秒宇航员们还沉浸在返回地球的喜悦中，不料灾难就这么发生了。 哥伦比亚号航天飞机的事故，是美国宇航史上最严重的事故之一，它直接影响到了美国航天飞机的未来。几乎从那时开始，美国宇航员要回到空间站，只能借助俄罗斯的火箭。而哥伦比亚事故还有一个惊人的真相，直到10年后才被公众知晓。 2013年，哥伦比亚事故10周年纪念的时候，美国宇航局（NASA）前飞行主管韦恩·哈尔爆料，其实哥伦比亚号在升空的时候，就已经发生了故障。燃料箱上的一块特制泡沫脱落并砸中了左侧机翼，就已经造成几个传感器出现异常，隔热层被破坏。但地勤人员并没有太在意，因为当时的技术，是无法对此进行修复的。地面人员当时已经几乎认为，这些宇航员将要牺牲了，只是抱着碰运气的想法，祈祷他们平安归来，最终惨剧还是发生了。虽然美国宇航局有自己的说法，但对于牺牲宇航员的家人来说，这造成了不可弥补的遗憾，宇航员们甚至没有给家人留下一句遗言，就失去了生命。 人祸？！据悉，曾经有人建议哥伦比亚号航天飞机在2001年退役，也正是因为新一代航天飞机迟迟不能上马，所以提议被否决。其实哥伦比亚号在升空的时候，就已经发生了故障。燃料箱掉下一块绝缘体材料，击中了航天飞机的左翼，破坏了隔热层。而当时的技术，是无法对此进行修复的。地勤人员并没有太在意，因为材料无法修复的特殊性，一旦破损只能报废处理，这很可能成为很多人升官发财的绊脚石? 因此，这件事并没有被告知当时的宇航员，最终导致了惨剧的发生。非常著名的“哥伦比亚号”航天飞机失事，就发生在即将返回地面的最后一刻，7名航天员罹难，调查认为它的解体与隔热材料受损有关，高温从左机翼融化了内部结构，酿成了悲剧。
哥伦比亚号航天飞机的解体惨剧被认为与隔热材料受损有关，高温从左机翼融化了内部结构（来源：纽约时报，https://www.nytimes.com/2008/12/31/science/space/31NASA.html）那么，航天器最后的返回，有哪些常见的需要注意的方面呢？如果是卫星、航天飞机等航天器，其返回就要脱离正在飞行的轨道，这对姿态调整和航天器制动的技术都有额外要求。即使是探月之类的长距离飞行，返回地球也先进入地球轨道，然后抛弃服务舱、指令舱等不需要的部分，让登陆舱脱离轨道返回地面。航天器脱离轨道时的速度叫做再入速度，其与地平线所形成的俯角称为再入角，这些是其返回地球的“初始条件”，为了保证安全、顺利，再入角的要求很严：再入角一般在3-7度，如果角度太大，航天器降低高度时大气密度变化很快，再入速度大，引起较大的空气阻力和摩擦加热，对航天器各种安全性能要求太高，但如果再入角太小也没法从几百公里高度降下来，降低高度的速度太慢。如果是载人航天，还要考虑人体所能耐受的制动的限度（10倍重力加速度），故而其再入角常常小于3度。因此，航天器返回前需要先通过一系列的制动对其姿态、飞行方向作调整。航天器调整姿态找好推进的方向后，还需要保持姿态稳定，以确保制动推力方向的准确。通常这些调整、脱离轨道都是靠航天器携带的小型助推火箭来控制，火箭的点火时间、推力方向、推力大小与时间长短都会影响到再入速度和再入角的准确度，这就要求有灵敏而可靠的制动发动机。还有些设计方案是让航天器降低高度进入大气再抬高，利用大气减速的同时调整下一次下降进入大气的角度。（来源：https://www.aulis.com/images_re-entry/fig2.jpg）宇宙中晒了太阳是极热、不晒太阳是极寒，航天器往往面临极端温度以及受热不均的问题，本就在控温方面做了很多工作，例如传感器监测、隔热罩、热管、风冷回路、电加热控温等等。而在返回舱过程中遭遇的温度则是更加极端的。航天器在大气中经历的绝不仅仅是摩擦发热。航天器本身飞行速度很大，而且下降过程中在地球引力作用下还会变得更快，航天器前面的空气快速、极度压缩，由于气体的压强、体积和温度等物理性质的关系，这种压缩可以让返回的航天器周围（主要是前端）的空气温度急速上升，其高温足以让固体发光、发热，我们熟悉的流星发生的就是这样的过程。根据计算，航天器在数百公里高、密度接近真空的高层大气中，飞行速度为3倍声速时前端温度超过300摄氏度，而当飞行速度为6倍声速时约为1500摄氏度，而其从高空下降到达离地面60-70千米时往往还有20倍声速，对应的温度可以高达上万度，这必须采用措施来避免其烧毁。首先延续刚才谈到的姿态控制的一点，大气的气流千变万化，会使高速返回的航天器难以保持固定的姿态，因此通常把返回舱做成不倒翁的形状，下降时的前端又大又圆、而后端较小，可以有效把气流集中在下降时的正面前端，我们在博物馆看返回舱实物的时候常会注意到这一点。而头部这样一种钝形的平面，能保证被压缩的空气产生的热量主要集中于这个钝形面，不容易影响到返回舱后面，就可以对这个钝形面的隔热多做文章，比如更结实的结构、更好的隔热层、更多的烧蚀材料涂层等。通过这些技术，我们可以让返回舱头部的温度控制在可以承受的范围（通常在1600开氏温度附近）。通常，航天器会采用两种应对高温的措施：烧蚀材料技术和隔热瓦（绝缘材料）技术。航天飞机表面的隔热瓦（来源：Space Shuttle Endeavour atCalifornia Science Center，wiki图片上传于https://www.flickr.com/photos/skinnylawyer/8143982281/）烧蚀技术是给航天器外边的隔热层涂上烧蚀材料，这些材料通常气化热大、热容量大、绝热性好、向外界辐射热量的功能强，所以在温度升高时先发生气化、吸收大量热量，保证隔热层内的温度不会太高。我们在博物馆看到的很多返回舱外表是一层黄色，一般是烧蚀材料的颜色。而隔热瓦技术，则应用了多样的绝热原理，常见的有多孔材料、热反射材料和真空材料等，它们一块一块贴在航天器上，中间留有缝隙，在航天器从宇宙中返回、加热的时候热胀冷缩，刚好把航天器保护起来而不会造成挤压、变形、脱落等问题。这些材料通常导热系数小，能耐得住高温，还要在高温下能贴的住航天器表面，例如特殊的二氧化硅瓦。普通卫星在轨工作并不需要保持不间断的监测和联络，很多卫星都是转到头顶才追踪和联络，但返回式卫星在下降过程中必须更加频繁的对卫星进行精确测量和全程跟踪，并根据实测轨道参数对卫星的程序控制数据进行必要的控制和管理。这里除了先进的实时通讯技术，还需要格外注意一个特殊的自然现象：黑障区。航天器要返回地面的话，必须利用大气阻力和火箭推力将速度和高度都逐渐降低下来。但出于燃料等多种因素，在下降的初期，由于航天器的重力势能与动能的交换，在高度降低的过程中其速度变化很小。上一条我们说到返回舱前端压缩的空气达到了非常高的温度，实际上这样的温度还会使航天器附近的气体“电离”，也就是变成带电粒子，在航天器周围形成等离子体鞘，这种现象会对电磁波发生发射、折射、吸收等效应，使得无线电波的最大可使用频率上升几千兆赫（kMHz=GHz，如下图纵坐标），甚至更多，足以使航天器与地面控制之间的直接通信中断，持续时间约12至13分钟，雷达也无法发现目标航天器，这个区域就称为“黑障区”（blackout），如上图所示。返回的航天器的最大加热发生在这个时间段内，高度约为70公里。温度（横坐标）越高，能使用的信号（signals）所需要的频率越高（来源：https://www.spaceacademy.net.au/spacelink/blackout.htm）不过由于该区域空气密度急剧增大，航天器下降速度也在急剧下降。随着飞行器高度的下降，当速度降低到一定程度时（常在40-60公里高度），不再有足够的温度使气体分子电离，等离子体鞘就会解除，也即是黑障消失。黑障区的范围取决于返回航天器的外形、材料、再入速度、无线电的频率和功率等，如果无线电波频率选择的合适，也可以避免黑障现象。如上条所述，虽然经过了制动和大气阻力，但航天器下降到离地较近（10-20公里）时速度仍然非常大，为了尽快把速度降下来，通常还有配以降落伞（减速伞）。降落伞一来要能经得住航天器巨大的速度和质量，以免损坏、脱离，二来也要控制好打开的时间，打开太晚了速度没减下来，但打开太早了空气稀薄起不到减速作用，还会提前磨损降落伞（摩擦、发热）。返回的航天器多采用两个甚至更多的降落伞，先用小降落伞适当减速，最后用大的主降落伞控制落地速度。阿波罗11号返回舱打开降落伞的过程图解（来源：http://nassp.sourceforge.net/wiki/Earth_Landing_System）最后还有回收工作。如果是航天飞机则可以在跑道降落，但大部分的返回舱只是落在指定范围的区域，需要搜寻甚至海上打捞，因此返回舱中往往还带有额外的发信设备帮助回收人员找到的具体位置。 首先，航天器离开地球时并非不用隔热层。不过，返回时大气产生的热量是要更高一些的。![]()
想明白为什么，你首先得稍微了解一下大气阻力。阻力是当你将物体推进大气时受到的来自大气的抵抗。它使你变慢，还会将你的一些能量转变成热量。 一个物体受到的阻力大小取决于几个因素：大气的密度（大气越密，它产生的阻力越大），物体的运动速度（速度越快，它受到的阻力越大）以及该物体垂直于运动方向的横截面面积和形状（想想看，降落伞大大的表面积是为了产生巨大的阻力让人慢下来，而赛车精美的流线形车身是为了将阻力降到最小）。![]()
结合上述因素我们不难发现，在大气中一个定点上，航天器受到的阻力只会因其速度变化或横截面面积形状变化而变化。原来，这两个因素在（航天器）离开和返回地球时是不一样的。![]()
假如你必须让航天器在发射即刻便具有完全足够进入轨道的速度，大气阻力将是升空过程中的“拦路虎”。还好，如果你曾经见过航天飞机（或其他航天器）发射你就明白事实并非如此——恰恰相反，航天飞机最初的起步是很慢的，它要在上升过程中不断地燃烧燃料给引擎点火才会最终得以提速。![]()
当你越飞越高，大气的密度会急剧（实际上是指数级）下降，所以一旦所在位置足够高，你大幅度地加速也不会制造出太大阻力了。工程师们所说的最大q值点（最大动压点，译者注）——便是大气阻力达到最大值的地方。这个点位于发射后一分钟左右的几千米高空处——过了这个点，航天飞机引擎的油门便被开到最大了（不过航天飞机还需要飞到更高的地方才能达到最大速度）。![]()
好了，那么返回地球时呢？航天飞机在轨道上以高速运行——将近每秒8千米（每小时17000多英里）。为了让航天飞机安全回家，你需要让它大幅度减速——如果你曾见过航天飞机着陆，你就会发现这和飞机降落没什么两样，也就是说它此时是以相对缓慢的速度运行的。 一种让航天飞机减速的办法是点燃它的火箭——一套和送它上天的火箭类似的程序。不过，这个过程需要耗费极大量的燃料（看看发射便知），并且将这些为了返航而额外准备的燃料一路扛上天的成本是难以计数的。![]()
另一种更高效的办法是让主引擎烧得相对“温柔”一些（以便让航天飞机慢下来，进入一个与大气接触更频繁的位置相对较低的轨道）然后把剩下的工作都交给大气阻力——也就是说，大气阻力是被人为地用来让航天飞机减速的，所以你早就想好返回地球时要产生很多热量了！你可能已经注意到，航天飞机上升的时候是“尖端”朝上——它的形状非常符合空气动力学（就像赛车）因此阻力很小。但是降落的途中，它得用黑黑的大肚子撞向大气并这样“趴”在空中往下掉——这时它的形状变得不再那么符合空气动力学（就像降落伞），于是便减速了。 载人航天器返回地球大气层的时候，基本没有机动性，完全是一种自由落体运动，这样的速度是极快的。为了让它的速度慢下来，需要用到降落伞来减速，减速的目的是要避免它跟大气层的剧烈摩擦，因为这种摩擦产生的高温是任何物体都承受不了的，它高到1700多度，有时甚至达到3000多度。这样的高温将会使物体烧蚀掉，就像流星那样，最后烧蚀的不剩一点物质。但是，航天器是要完好地降落到地面上，绝对不允许这样的高温。因为航天器的里面有着珍贵的实验仪器和设备，更重要的是宇航员的生命需要受到保障。 为了抵御返回大气层时所产生的高温，顺利地返回地面，载人航天器需要有高超的隔热能力，这就要求科学家给它穿上一件“避火衣”。对于载人航天器来说，依据返回的方式不同，它所穿的“避火衣”也有着不同的形式。 飞船作为载人航天器，是一次性的，它使用一次后基本就不能使用了，比如中国的神舟飞船和俄罗斯的联盟飞船都是一次性的。 既然是一次性使用，对于“避火衣”的要求不是那么高，这种“避火衣”是一种瞬间耐高温材料，它只能在短时间内起到作用，也就是返回地球的短短十几分钟内。 这种“避火衣”的材料是一种特殊纤维材料，或者是多孔颗粒物资再加上有机物，它们具有良好的导热功能。在具体使用的时候，飞船的各个部分使用的厚度是不同的，它经过了精心的设计和计算。 当飞船重返大气层的时候，剧烈的高温将会使这层隔热材料发生奇妙的变化，它们首先会燃烧起来，变成气体，这样就吸收了大量的热量，变成气体之后它们还会蒸发掉，蒸发的过程又带走了一些热量。 另一方面，这些隔热材料在燃烧完毕之后，剩下的是碳化层，它们往往具有很多的孔洞，这些孔洞也有一个好处，它们加大了飞船的表面积，这种表面积的增大让飞船的底部有更多的面积与大气层接触，有利于传导热量，让它所受到的热量可以更好地向周边扩散。 “避火衣”完全燃烧之后就只剩这些孔洞，飞船的底部一团漆黑可以证明“避火衣”牺牲自己，换来了飞船的安全。尽管飞船的内部设施良好，但是为了安全起见，飞船完成这次使命之后就不再使用了。 与飞船不一样，航天飞机需要重复使用，对隔热性能就提出了更高的要求，所以它的“避火衣”也就更高明。 飞船在返回地面的时候，尽量采用大头朝下的方式，航天飞机在返回地面的时候，也与此类似，它在进入大气层的时候，不是一下子头朝下扎下来，而是尽量多地与大气层接触，这样也有利于热量传导到飞机。 但这个措施还是远远不够的，它还要穿上“避火衣”。航天飞机的“避火衣”跟一次性使用飞船比起来要复杂得多，但是听起来似乎不可思议，航天飞机的“避火衣”竟然是陶瓷制作的。当然这不是我们生活中经常使用的陶瓷，这种陶瓷是古老的技术和现代技术相结合的产物，它是一种新型复合陶瓷，这种新型复合高温陶瓷主要由两部分组成，外层是高辐射陶瓷材料，而内部是导热系数非常低的耐高温陶瓷纤维，它们合在一起有三厘米的厚度，像一片片的瓦那样贴在机身上面，这就是航天飞机的“避火衣”。 防热瓦也有自我牺牲精神，它把热量全部吸收了，而不传给防热瓦下面的金属机身，虽然外面的温度可以接近两千度，但是飞机的内部基本上没有什么变化。但是防热瓦本身却被损害，变得面目全非，。所以，对航天飞机来说，虽然它本身不是一次性的，但它的“避火衣”是一次性的。当它从太空回到地面以后，地面维护人员就要把贴在它身上的防热瓦一块块地揭掉，然后换上新的防热瓦，等候着下一次出征。太赫兹脉冲成像技术在军工航天中用途广泛。由于航空航天以及现代化武器装备中采用了很多复合材料，太赫兹对复合材料有很好的穿透性，能够很好地发现复合材料内部和涂层的缺陷。太赫兹无损检测技术应用在战机等武器装备检测、航天军工材料检测、战略导弹和航母检测等几个方面。2003 年2 月1 日，美国哥伦比亚号航天飞机返回地球时在62 千米高空发生爆炸，机上7 名宇航员遇难。事故调查委员会把这一悲剧归因于，一块手提箱大小的外置燃料箱泡沫隔热层在起飞过程中发生脱离，然后砸破航天飞机左翼隔热板。当航天飞机重返大气层时，3000℃的高温气体从破洞中进入，导致机毁人亡。据称在以前的发射中，泡沫隔热材料撞击航天飞机的情况至少发生过7 次。因此，泡沫材料中缺陷的检查成为了确保航天飞机发射安全的关键所在。业界已证明，泡沫塑料在太赫兹波段具有非常低的吸收率和折射率，太赫兹波可以穿过几英寸厚的泡沫材料，并探测到深埋其中的缺陷。传统成像技术只能提供每个像素的强度信息，而太赫兹时域成像记录了每个像素点太赫兹脉冲的整个时域波形，从而提供了多维信息。举例来说，记录各个交界层反射的太赫兹脉冲后，利用太赫兹成像就能看到被监测物不同层中存在的缺陷。该技术在战略导弹、航空航天结构材料的检测和评估方面具有重要应用价值，美国已经开始应用太赫兹技术对战机等武器装备进行检测。来源：看得见的科技、 中国科学院北京分院、歪果仁的事
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