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航空航天热防护材料-事故原因及材料分析 美国“哥伦比亚”号航天飞机外部燃料箱表面泡沫材料安装过程中存在的缺陷， 是造成整起事故的祸首。“哥伦比亚”号航天飞机事故调查委员会去年公布的调 查报告称，外部燃料箱表面脱落的一块泡沫材料击中航天飞机左翼前缘的名 为“增强碳碳” （即增强碳-碳隔热板）的材料。当航天飞机返回时，经过大气 层，产生剧烈摩擦使温度高达摄氏1400 度的空气在冲入左机翼后融化了内部 结构，致使机翼和机体融化，导致了悲剧的发生。 事故发生后，由于无法迅速找回事发时的泡沫材料和燃料箱进行检验，宇 航局和事故调查委员会一直没对事故原因作出最终定论。目前，“哥伦比亚” 号外部燃料箱约50 万块碎片已被找到并重新拼在一起。宇航局负责“哥伦比 亚”号外部燃料箱工程的首席工程师尼尔·奥特说，宇航局经多次试验确定，泡 沫材料安装过程有缺陷是造成事故的主要原因。 美国航天史上曾发生过3 起巨大灾难。第一起是 1967 年1 月27 日“阿波罗”号飞船升空时爆炸， 3 名宇航员遇难；第二起是“挑战者”号航天飞机1986 年1 月28 日升空时爆炸，包括1 名女教师在内 的宇航员全部遇难；第三起是2003 年2 月1 日，“哥伦比亚”号航天飞机在完成16 天的太空研究任务 后，在返回大气层时突然发生解体，机上7 名宇航员全部遇难。空难发生后，由美国宇航局(NASA) [1] 支持组成了由材料和工艺工程师及科学家组成的调查组 。调查组对飞机残骸进行了原位重组、残骸 材料的冶金分析以及模拟试验，分析了航天飞机爆炸的原因。“哥伦比亚”号航天飞机的爆炸，震惊了 世人，同时也引起了人们对材料的关注，从材料分析揭开了“哥伦比亚”空难之谜。 1 “哥伦比亚”号航天飞机残骸材料的冶金分析 “哥伦比亚”号航天飞机1981 年4 月12 日首次发射升空，是美国资格最老的航天飞机。“哥伦比 亚”号机舱长18m，舱内能装运36 t 重的货物，外形像一架大三角翼飞机； 机尾装有3 个主发动机和1 个巨大的推进剂外贮箱，里面装有几百t 重的液氧、液氢燃料，它 附在机身腹部，供给航天飞机燃料进入太空轨道；外贮箱两边各有1 枚巨型固体燃料助推火箭。整个 组合装置重约2 000 t 。 2003 年2 月1 日，“哥伦比亚”号在完成为期16 天的科学实验任务后，在返航途中解体，7 名宇 航员丧生。灾难发生后，为了查清原因，首先由NASA 支持组成了调查组，目的是对从得克萨斯州 和路易斯安纳州收集来的8.4 万片大约38 ％飞机残骸重新按原位组装(如图l 所示) ，提供实际数据进 [l] 行分析，通过分析和再现的模拟试验来证实事故产生的原因 。调查组根据以下的检查分析结果以期 作出判断：残骸的清洗和评估、热分析，以寻找航天飞机爆炸的起源；对各种材料的冶金分析，如 Inconel 、Al 合金、不锈钢、C，C 复合材料的X 一射线和断口分析；机翼上的传感器和录音机的结果。 在检查残骸时发现，连接上下翼展面板的钢紧固件表现出沿晶断裂的脆性断口，如图2 所示。图3 为 中间体面板舷内上端的弹坑小半球冲蚀花样，表明该处发生很高的局部过热和大量的沉积物。在机翼 前缘3 个部分，重点研究了子系统面板隔热瓦、碳／碳复合材料(RCC)面板和机翼构件。在这个区域 主要分析左机翼前的8 号和9 号面板附近沉积物成分和观察X 射线显示的花样。分析结果指出，高 温离子流是从RCC 面板内侧缝隙穿过上下面板进入，如图4 所示。 用SEM ／EDS 光电子能谱分析，得出沉积物的化学成分是Fe 、Al 、Ni 、Nb 和C 。由这些成分 虽然不能明确确定是什么合金，但是它们与2000 系铝合金、Inconel 601 、Inconel718 以及面板与绝缘 体有关。图5 为左机翼8 号RCC 面板上部沉积物横截面的电子探针分析的金相图(a)及示意图(b) 。隔 热瓦上陶瓷的内表面上也发现该类沉积物，而其它部位完好，说明沉积物是从隔热瓦的内侧向外喷出 的。经过X 射线鉴定，矿渣为高温转变的多铝红柱石，其形成温度为 1 100℃；并在RCC 面板试样 上发现有Fe 、Ni 、Al 等，这是由于左机翼RCC 的8 号面板横梁及翼展支撑材料是2024 铝合金、Inconel 718 合金，桅杆是A 286 合金。 “哥伦比