天气:航天安全的一个制约因素
来源:中国气象报社   发布时间:2006-02-14
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  20年前,1986年1月28日,“挑战者”号航天飞机升空时爆炸,震惊了全世界。联想到2003年2月1日“哥伦比亚”号航天飞机在即将着陆时解体燃烧,以及2005年8月9日“发现”号返回过程一波三折……这就是说,自1981年美国一共生产了5架航天飞机,25年来有两架机毁人亡,如此高的失事比例让人们不得不对航天飞机的安全表示担忧。美国官方对这些事故调查结果表明,除了技术和管理上的问题外,天气条件差则是一个不容忽视的因素。

  低温和高空风切变:“挑战者”号发射时失事

  1986年1月28日11时38分,“挑战者”号喷火升空,直飞天穹。然而,就在升空74.59秒时,碧空中猛然一声闷响,航天飞机眨眼间变成一团橘红色的大火球,碎片拖着火焰和浓烟四下飞散。6月9日,美国总统特别调查委员会向里根总统提交了长达256页的调查报告。报告指出“挑战者”号失事的直接原因是由于固体火箭助推器连接部件设计上出了毛病,合成胶密封圈失效,使炽热的火焰从右侧固体火箭助推器下部两段之间逸出而导致事故发生。8月5日,调查委员会又发表了长达2700多页的事故报告附录,对6月9日的结论作了证实。后来,专家们又对“挑战者”号发射前后的气象条件进行了分析,认为发射前地面低温超过合成橡胶密封圈正常工作的环境温度范围是酿成这次灾难的直接原因。

  在发射前的1985年8月9日,通过对密封圈弹性进行试验后得出,温度为10℃时密封圈就不能正常工作,而4℃则为其最低工作环境温度。这次事故发生前一天,即1986年1月27日,固体火箭制造公司负责人曾向宇航局提出了“低温天气会使密封部件性能下降,不宜发射”的报告,但宇航局领导未予重视,也没有采纳。

  由当时天气图可见,在发射前一天,恰好地面有一股冷空气经过卡纳维拉尔角,1月28日00时(世界时),冷空气刚过卡纳维拉尔角时,地面气温为2.8℃,12小时后进一步降温,最低气温曾达到-5.6℃,显然远低于密封圈正常工作的温度要求。根据计算机储存的资料分析,发现“挑战者”号在爆炸前10秒,右侧助推器内部的压力突然下降,降低值达5%。密封圈在低温下弹性减弱,不能封住航天飞机发射时的巨大压力,从而在火箭下部两段接缝处留下了缝隙。同时在发射当天,佛罗里达半岛上空存在两支高空急流,一支是8000米上下的极锋急流,风向西北,最大速度达40米/秒左右;另一支是13000米上下的亚热带急流,风向西偏南,最大风速60米/秒左右,卡纳维拉尔角恰处在两支急流交汇点附近的下方,这两支急流使得在其上下有较强的垂直风切变出现,还诱发了较强的大气湍流运动,从而使“挑战者”号承受更大的载荷,其密封部位进一步受到振动而加大了裂隙,导致高达3000℃的火焰从助推器的缝隙中喷出,高温火舌疯狂地吞没了外部燃料箱,航天飞机就在这烈焰中爆炸了。据记录,助推器火焰开始喷出时间为59.8秒,高度约为10070米;爆炸时间为74.59秒,此时高度在14000米左右,而且“挑战者”号爆炸后的烟羽有着极明显的扭曲外形,这也是低温和高空风切变的气象条件成为“挑战者”号失事的主要原因的佐证。

  强风和高温:“哥伦比亚”号降落时失事

  2003年2月1日9时许,美国“哥伦比亚”号航天飞机降落时,在得克萨斯州上空进入大气层后瞬间解体燃烧,摔了个粉身碎骨。当天美国政府就成立了由13名专家组成的独立调查委员会调查“哥伦比亚”号事故原因。独立调查委员会于2003年8月26日公布了长达248页的最终调查报告。事故委员会专家提出,起飞时遭遇强风、发射前临时更换火箭助推器以及“年龄太大”,都可能是造成其解体的根本原因。在“哥伦比亚”号起飞62秒钟后,突然遭遇到异常猛烈的大风吹袭,风力强度已经接近宇航局允许的极限。原本已开始出现老化的机翼因遭受如此强风吹袭,在外界异物的撞击下显得“弱不禁风”,从而出现破损,导致其左侧机身发生“内伤”,为返航途中的超高温空气入侵形成了“方便的后门”。此后仅仅20秒钟,从机身下部主燃料箱上脱落的泡沫绝缘材料又击中了左侧机翼前端,造成直接“外伤”。专家认为,这些损伤对一架使用10年的航天飞机来说可能不算什么,但是,对“哥伦比亚”号这样一架21岁高龄的“老机”则是致命的。

  有关“哥伦比亚”号失事的直接原因基本确定为:机身从接近真空的太空轨道重返地球大气层的过程中,与大气摩擦产生的3000℃高温传导至机体内部,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。

  低云和能见度低:“发现”号“回家”一波三折

  2005年8月,“发现”号航天飞机在完成预定任务后,原定第一次着陆时间是美国东部时间2005年8月8日凌晨4时47分,但约翰逊航天中心发现,肯尼迪航天中心低空有云层,影响航天飞机着陆的能见度,于是将着陆时间推迟了90分钟。

  此后,由于天气状况还不见好转,航天中心再次决定,把着陆时间推迟一天。按照科学分析,无论是发射还是返回时,云层均不能低于2400米,而8月8日的降落地云层只有300米。

  9日的返回过程依然是一波三折。“发现”号原定最早于美国东部时间9日05时07分在佛罗里达州肯尼迪航天中心降落。但是,由于佛罗里达州着陆地点云层很低,甚至还下起了小雨,这糟糕的天气使美国宇航局放弃了在肯尼迪航天中心的两次降落机会。此时,“发现”号在9日只剩下4次着陆“时间窗”,在加利福尼亚州的爱德华兹空军基地和新墨西哥州的白沙各有两次机会。美国宇航局最后根据天气状况做出决定,“发现”号改在爱德华兹空军基地着陆。美国东部时间07时06分,“发现”号点燃了制动火箭,开始减速,并且脱离了地球轨道,07时40分左右,“发现”号进入大气层,美国东部时间08时12分,100吨重的“发现”号稳稳地降落在爱德华兹空军基地,结束了长达15天的太空之旅。 (来源于20062月14日《中国气象报》作者:汪勤模)