人類一直在對探索太空做著非常大的努力，因此也取得了不小的成就，但這些成就的背后，也付出了許多不小的代價。比如發射任務的失敗，宇航員的喪生，都會給整個國家的航天事業帶來巨大的負面影響。 今天要說的是16年前美國“哥倫比亞”號航天飛機發生的墜毀事故，7名宇航員，永遠的留在了太空。

當時美國的航天事業如日中天，美國第一艘航天飛機“哥倫比亞”號是當之無愧的明星，哥倫比亞號航天飛機研制1972年，終于在1981年時進行了首飛，重2000噸，可裝載36噸的貨物飛向太空，還能實現自主機動飛行。失事之前，“哥倫比亞”號共執行了27次飛行任務，每一次都順利返回地球。2003年，美國計劃發射早就制定好的計劃，將“哥倫比亞”號第28次送上太空。

 然而，哥倫比亞號上的7名宇航員在執行完任務返回地球的時候，隔熱層突然失效，船艙內的溫度迅速上升到1400℃，幾乎在一瞬間，宇航員們的身體就被融化了。上一秒宇航員們還沉浸在返回地球的喜悅中，不料災難就這么發生了。

哥倫比亞號航天飛機的事故，是美國宇航史上最嚴重的事故之一，它直接影響到了美國航天飛機的未來。幾乎從那時開始，美國宇航員要回到空間站，只能借助俄羅斯的火箭。而哥倫比亞事故還有一個驚人的真相，直到10年后才被公眾知曉。 2013年，哥倫比亞事故10周年紀念的時候，美國宇航局（NASA）前飛行主管韋恩·哈爾爆料，其實哥倫比亞號在升空的時候，就已經發生了故障。燃料箱上的一塊特制泡沫脫落并砸中了左側機翼，就已經造成幾個傳感器出現異常，隔熱層被破壞。但地勤人員并沒有太在意，因為當時的技術，是無法對此進行修復的。地面人員當時已經幾乎認為，這些宇航員將要犧牲了，只是抱著碰運氣的想法，祈禱他們平安歸來，最終慘劇還是發生了。雖然美國宇航局有自己的說法，但對于犧牲宇航員的家人來說，這造成了不可彌補的遺憾，宇航員們甚至沒有給家人留下一句遺言，就失去了生命。

那么，這次事故是天災還是人禍呢？

人禍？！據悉，曾經有人建議哥倫比亞號航天飛機在2001年退役，也正是因為新一代航天飛機遲遲不能上馬，所以提議被否決。其實哥倫比亞號在升空的時候，就已經發生了故障。燃料箱掉下一塊絕緣體材料，擊中了航天飛機的左翼，破壞了隔熱層。而當時的技術，是無法對此進行修復的。地勤人員并沒有太在意，因為材料無法修復的特殊性，一旦破損只能報廢處理，這很可能成為很多人升官發財的絆腳石？ 因此，這件事并沒有被告知當時的宇航員，最終導致了慘劇的發生。

航天器返回地面有哪些關鍵環節

非常著名的“哥倫比亞號”航天飛機失事，就發生在即將返回地面的最后一刻，7名航天員罹難，調查認為它的解體與隔熱材料受損有關，高溫從左機翼融化了內部結構，釀成了悲劇。

哥倫比亞號航天飛機的解體慘劇被認為與隔熱材料受損有關，高溫從左機翼融化了內部結構

（來源：紐約時報，https://www.nytimes.com/2008/12/31/science/space/31NASA.html）

那么，航天器最后的返回，有哪些常見的需要注意的方面呢？

脫離軌道時的飛行姿態、速度調整

如果是衛星、航天飛機等航天器，其返回就要脫離正在飛行的軌道，這對姿態調整和航天器制動的技術都有額外要求。即使是探月之類的長距離飛行，返回地球也先進入地球軌道，然后拋棄服務艙、指令艙等不需要的部分，讓登陸艙脫離軌道返回地面。

航天器脫離軌道時的速度叫做再入速度，其與地平線所形成的俯角稱為再入角，這些是其返回地球的“初始條件”，為了保證安全、順利，再入角的要求很嚴：再入角一般在3-7度，如果角度太大，航天器降低高度時大氣密度變化很快，再入速度大，引起較大的空氣阻力和摩擦加熱，對航天器各種安全性能要求太高，但如果再入角太小也沒法從幾百公里高度降下來，降低高度的速度太慢。如果是載人航天，還要考慮人體所能耐受的制動的限度（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過一系列的制動對其姿態、飛行方向作調整。航天器調整姿態找好推進的方向后，還需要保持姿態穩定，以確保制動推力方向的準確。通常這些調整、脫離軌道都是靠航天器攜帶的小型助推火箭來控制，火箭的點火時間、推力方向、推力大小與時間長短都會影響到再入速度和再入角的準確度，這就要求有靈敏而可靠的制動發動機。還有些設計方案是讓航天器降低高度進入大氣再抬高，利用大氣減速的同時調整下一次下降進入大氣的角度。

阿波羅飛船的再入角計算（來源：https://www.aulis.com/images_re-entry/fig2.jpg）

進入大氣后的發熱應對

宇宙中曬了太陽是極熱、不曬太陽是極寒，航天器往往面臨極端溫度以及受熱不均的問題，本就在控溫方面做了很多工作，例如傳感器監測、隔熱罩、熱管、風冷回路、電加熱控溫等等。而在返回艙過程中遭遇的溫度則是更加極端的。

航天器在大氣中經歷的絕不僅僅是摩擦發熱。航天器本身飛行速度很大，而且下降過程中在地球引力作用下還會變得更快，航天器前面的空氣快速、極度壓縮，由于氣體的壓強、體積和溫度等物理性質的關系，這種壓縮可以讓返回的航天器周圍（主要是前端）的空氣溫度急速上升，其高溫足以讓固體發光、發熱，我們熟悉的流星發生的就是這樣的過程。

根據計算，航天器在數百公里高、密度接近真空的高層大氣中，飛行速度為3倍聲速時前端溫度超過300攝氏度，而當飛行速度為6倍聲速時約為1500攝氏度，而其從高空下降到達離地面60-70千米時往往還有20倍聲速，對應的溫度可以高達上萬度，這必須采用措施來避免其燒毀。

首先延續剛才談到的姿態控制的一點，大氣的氣流千變萬化，會使高速返回的航天器難以保持固定的姿態，因此通常把返回艙做成不倒翁的形狀，下降時的前端又大又圓、而后端較小，可以有效把氣流集中在下降時的正面前端，我們在博物館看返回艙實物的時候常會注意到這一點。而頭部這樣一種鈍形的平面，能保證被壓縮的空氣產生的熱量主要集中于這個鈍形面，不容易影響到返回艙后面，就可以對這個鈍形面的隔熱多做文章，比如更結實的結構、更好的隔熱層、更多的燒蝕材料涂層等。通過這些技術，我們可以讓返回艙頭部的溫度控制在可以承受的范圍（通常在1600開氏溫度附近）。

通常，航天器會采用兩種應對高溫的措施：燒蝕材料技術和隔熱瓦（絕緣材料）技術。

航天飛機表面的隔熱瓦（來源：Space Shuttle Endeavour atCalifornia Science Center，wiki

圖片上傳于https://www.flickr.com/photos/skinnylawyer/8143982281/）

燒蝕技術是給航天器外邊的隔熱層涂上燒蝕材料，這些材料通常氣化熱大、熱容量大、絕熱性好、向外界輻射熱量的功能強，所以在溫度升高時先發生氣化、吸收大量熱量，保證隔熱層內的溫度不會太高。我們在博物館看到的很多返回艙外表是一層黃色，一般是燒蝕材料的顏色。

而隔熱瓦技術，則應用了多樣的絕熱原理，常見的有多孔材料、熱反射材料和真空材料等，它們一塊一塊貼在航天器上，中間留有縫隙，在航天器從宇宙中返回、加熱的時候熱脹冷縮，剛好把航天器保護起來而不會造成擠壓、變形、脫落等問題。這些材料通常導熱系數小，能耐得住高溫，還要在高溫下能貼的住航天器表面，例如特殊的二氧化硅瓦。

返回過程中的通訊

普通衛星在軌工作并不需要保持不間斷的監測和聯絡，很多衛星都是轉到頭頂才追蹤和聯絡，但返回式衛星在下降過程中必須更加頻繁的對衛星進行精確測量和全程跟蹤，并根據實測軌道參數對衛星的程序控制數據進行必要的控制和管理。這里除了先進的實時通訊技術，還需要格外注意一個特殊的自然現象：黑障區。

航天器要返回地面的話，必須利用大氣阻力和火箭推力將速度和高度都逐漸降低下來。但出于燃料等多種因素，在下降的初期，由于航天器的重力勢能與動能的交換，在高度降低的過程中其速度變化很小。

上一條我們說到返回艙前端壓縮的空氣達到了非常高的溫度，實際上這樣的溫度還會使航天器附近的氣體“電離”，也就是變成帶電粒子，在航天器周圍形成等離子體鞘，這種現象會對電磁波發生發射、折射、吸收等效應，使得無線電波的最大可使用頻率上升幾千兆赫（kMHz=GHz，如下圖縱坐標），甚至更多，足以使航天器與地面控制之間的直接通信中斷，持續時間約12至13分鐘，雷達也無法發現目標航天器，這個區域就稱為“黑障區”（blackout），如上圖所示。返回的航天器的最大加熱發生在這個時間段內，高度約為70公里。

溫度（橫坐標）越高，能使用的信號（signals）所需要的頻率越高

（來源：https://www.spaceacademy.net.au/spacelink/blackout.htm）

不過由于該區域空氣密度急劇增大，航天器下降速度也在急劇下降。隨著飛行器高度的下降，當速度降低到一定程度時（常在40-60公里高度），不再有足夠的溫度使氣體分子電離，等離子體鞘就會解除，也即是黑障消失。黑障區的范圍取決于返回航天器的外形、材料、再入速度、無線電的頻率和功率等，如果無線電波頻率選擇的合適，也可以避免黑障現象。

落地速度的調整

如上條所述，雖然經過了制動和大氣阻力，但航天器下降到離地較近（10-20公里）時速度仍然非常大，為了盡快把速度降下來，通常還有配以降落傘（減速傘）。降落傘一來要能經得住航天器巨大的速度和質量，以免損壞、脫離，二來也要控制好打開的時間，打開太晚了速度沒減下來，但打開太早了空氣稀薄起不到減速作用，還會提前磨損降落傘（摩擦、發熱）。返回的航天器多采用兩個甚至更多的降落傘，先用小降落傘適當減速，最后用大的主降落傘控制落地速度。

阿波羅11號返回艙打開降落傘的過程圖解

（來源：http://nassp.sourceforge.net/wiki/Earth_Landing_System）

回收

最后還有回收工作。如果是航天飛機則可以在跑道降落，但大部分的返回艙只是落在指定范圍的區域，需要搜尋甚至海上打撈，因此返回艙中往往還帶有額外的發信設備幫助回收人員找到的具體位置。

實踐十號回收（來源：新華網）

為什么航天器返回地球時需要隔熱層，升空時不需要   

首先，航天器離開地球時并非不用隔熱層。不過，返回時大氣產生的熱量是要更高一些的。

想明白為什么，你首先得稍微了解一下大氣阻力。阻力是當你將物體推進大氣時受到的來自大氣的抵抗。它使你變慢，還會將你的一些能量轉變成熱量。

一個物體受到的阻力大小取決于幾個因素：大氣的密度（大氣越密，它產生的阻力越大），物體的運動速度（速度越快，它受到的阻力越大）以及該物體垂直于運動方向的橫截面面積和形狀（想想看，降落傘大大的表面積是為了產生巨大的阻力讓人慢下來，而賽車精美的流線形車身是為了將阻力降到最小）。

結合上述因素我們不難發現，在大氣中一個定點上，航天器受到的阻力只會因其速度變化或橫截面面積形狀變化而變化。原來，這兩個因素在（航天器）離開和返回地球時是不一樣的。

假如你必須讓航天器在發射即刻便具有完全足夠進入軌道的速度，大氣阻力將是升空過程中的“攔路虎”。還好，如果你曾經見過航天飛機（或其他航天器）發射你就明白事實并非如此——恰恰相反，航天飛機最初的起步是很慢的，它要在上升過程中不斷地燃燒燃料給引擎點火才會最終得以提速。

當你越飛越高，大氣的密度會急劇（實際上是指數級）下降，所以一旦所在位置足夠高，你大幅度地加速也不會制造出太大阻力了。工程師們所說的最大q值點（最大動壓點，譯者注）——便是大氣阻力達到最大值的地方。這個點位于發射后一分鐘左右的幾千米高空處——過了這個點，航天飛機引擎的油門便被開到最大了（不過航天飛機還需要飛到更高的地方才能達到最大速度）。

好了，那么返回地球時呢？航天飛機在軌道上以高速運行——將近每秒8千米（每小時17000多英里）。為了讓航天飛機安全回家，你需要讓它大幅度減速——如果你曾見過航天飛機著陸，你就會發現這和飛機降落沒什么兩樣，也就是說它此時是以相對緩慢的速度運行的。

一種讓航天飛機減速的辦法是點燃它的火箭——一套和送它上天的火箭類似的程序。不過，這個過程需要耗費極大量的燃料（看看發射便知），并且將這些為了返航而額外準備的燃料一路扛上天的成本是難以計數的。

另一種更高效的辦法是讓主引擎燒得相對“溫柔”一些（以便讓航天飛機慢下來，進入一個與大氣接觸更頻繁的位置相對較低的軌道）然后把剩下的工作都交給大氣阻力——也就是說，大氣阻力是被人為地用來讓航天飛機減速的，所以你早就想好返回地球時要產生很多熱量了！你可能已經注意到，航天飛機上升的時候是“尖端”朝上——它的形狀非常符合空氣動力學（就像賽車）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氣并這樣“趴”在空中往下掉——這時它的形狀變得不再那么符合空氣動力學（就像降落傘），于是便減速了。

載人航天器的“避火衣”

載人航天器返回地球大氣層的時候，基本沒有機動性，完全是一種自由落體運動，這樣的速度是極快的。為了讓它的速度慢下來，需要用到降落傘來減速，減速的目的是要避免它跟大氣層的劇烈摩擦，因為這種摩擦產生的高溫是任何物體都承受不了的，它高到1700多度，有時甚至達到3000多度。這樣的高溫將會使物體燒蝕掉，就像流星那樣，最后燒蝕的不剩一點物質。但是，航天器是要完好地降落到地面上，絕對不允許這樣的高溫。因為航天器的里面有著珍貴的實驗儀器和設備，更重要的是宇航員的生命需要受到保障。

為了抵御返回大氣層時所產生的高溫，順利地返回地面，載人航天器需要有高超的隔熱能力，這就要求科學家給它穿上一件“避火衣”。對于載人航天器來說，依據返回的方式不同，它所穿的“避火衣”也有著不同的形式。

一次性飛船的“避火衣”

飛船作為載人航天器，是一次性的，它使用一次后基本就不能使用了，比如中國的神舟飛船和俄羅斯的聯盟飛船都是一次性的。

既然是一次性使用，對于“避火衣”的要求不是那么高，這種“避火衣”是一種瞬間耐高溫材料，它只能在短時間內起到作用，也就是返回地球的短短十幾分鐘內。

這種“避火衣”的材料是一種特殊纖維材料，或者是多孔顆粒物資再加上有機物，它們具有良好的導熱功能。在具體使用的時候，飛船的各個部分使用的厚度是不同的，它經過了精心的設計和計算。

當飛船重返大氣層的時候，劇烈的高溫將會使這層隔熱材料發生奇妙的變化，它們首先會燃燒起來，變成氣體，這樣就吸收了大量的熱量，變成氣體之后它們還會蒸發掉，蒸發的過程又帶走了一些熱量。

另一方面，這些隔熱材料在燃燒完畢之后，剩下的是碳化層，它們往往具有很多的孔洞，這些孔洞也有一個好處，它們加大了飛船的表面積，這種表面積的增大讓飛船的底部有更多的面積與大氣層接觸，有利于傳導熱量，讓它所受到的熱量可以更好地向周邊擴散。

“避火衣”完全燃燒之后就只剩這些孔洞，飛船的底部一團漆黑可以證明“避火衣”犧牲自己，換來了飛船的安全。盡管飛船的內部設施良好，但是為了安全起見，飛船完成這次使命之后就不再使用了。

航天飛機的“避火衣”

與飛船不一樣，航天飛機需要重復使用，對隔熱性能就提出了更高的要求，所以它的“避火衣”也就更高明。

飛船在返回地面的時候，盡量采用大頭朝下的方式，航天飛機在返回地面的時候，也與此類似，它在進入大氣層的時候，不是一下子頭朝下扎下來，而是盡量多地與大氣層接觸，這樣也有利于熱量傳導到飛機。

但這個措施還是遠遠不夠的，它還要穿上“避火衣”。航天飛機的“避火衣”跟一次性使用飛船比起來要復雜得多，但是聽起來似乎不可思議，航天飛機的“避火衣”竟然是陶瓷制作的。當然這不是我們生活中經常使用的陶瓷，這種陶瓷是古老的技術和現代技術相結合的產物，它是一種新型復合陶瓷，這種新型復合高溫陶瓷主要由兩部分組成，外層是高輻射陶瓷材料，而內部是導熱系數非常低的耐高溫陶瓷纖維，它們合在一起有三厘米的厚度，像一片片的瓦那樣貼在機身上面，這就是航天飛機的“避火衣”。

防熱瓦也有自我犧牲精神，它把熱量全部吸收了，而不傳給防熱瓦下面的金屬機身，雖然外面的溫度可以接近兩千度，但是飛機的內部基本上沒有什么變化。但是防熱瓦本身卻被損害，變得面目全非，。所以，對航天飛機來說，雖然它本身不是一次性的，但它的“避火衣”是一次性的。當它從太空回到地面以后，地面維護人員就要把貼在它身上的防熱瓦一塊塊地揭掉，然后換上新的防熱瓦，等候著下一次出征。

太赫茲技術在軍工航天中的應用

太赫茲脈沖成像技術在軍工航天中用途廣泛。由于航空航天以及現代化武器裝備中采用了很多復合材料，太赫茲對復合材料有很好的穿透性，能夠很好地發現復合材料內部和涂層的缺陷。太赫茲無損檢測技術應用在戰機等武器裝備檢測、航天軍工材料檢測、戰略導彈和航母檢測等幾個方面。

2003 年2 月1 日，美國哥倫比亞號航天飛機返回地球時在62 千米高空發生爆炸，機上7 名宇航員遇難。事故調查委員會把這一悲劇歸因于，一塊手提箱大小的外置燃料箱泡沫隔熱層在起飛過程中發生脫離，然后砸破航天飛機左翼隔熱板。當航天飛機重返大氣層時，3000℃的高溫氣體從破洞中進入，導致機毀人亡。據稱在以前的發射中，泡沫隔熱材料撞擊航天飛機的情況至少發生過7 次。因此，泡沫材料中缺陷的檢查成為了確保航天飛機發射安全的關鍵所在。

業界已證明，泡沫塑料在太赫茲波段具有非常低的吸收率和折射率，太赫茲波可以穿過幾英寸厚的泡沫材料，并探測到深埋其中的缺陷。傳統成像技術只能提供每個像素的強度信息，而太赫茲時域成像記錄了每個像素點太赫茲脈沖的整個時域波形，從而提供了多維信息。舉例來說，記錄各個交界層反射的太赫茲脈沖后，利用太赫茲成像就能看到被監測物不同層中存在的缺陷。

該技術在戰略導彈、航空航天結構材料的檢測和評估方面具有重要應用價值，美國已經開始應用太赫茲技術對戰機等武器裝備進行檢測。