哥伦比亚空难与材料

InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences李依依哥伦比亚空难与材料哥伦比亚空难与材料广州2005.05.10InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences内容1.哥伦比亚空难与材料分析2.通用关键材料—航天、航空、核动力及钢铁材料3.材料制备工艺的重要性4.结语—可视化铸、锻造技术InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences1.哥伦比亚空难与材料分析Ø材料在人类社会的发展中至关重要，它同生物、能源、信息技术共同构成了当今新技术革命的四大支柱。Ø材料的正确应用给人类和社会带来福利；同时，材料也可因为使用不当或因其质量问题而导致损失与灾难。Ø从阿波罗-4和挑战者号爆炸，到哥伦比亚号航天飞机的解体等空难的分析中，说明材料的重要性。下面将介绍美国航天史上三起巨大空难InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences阿波罗-1、2、3号无人飞船三次发射成功。1967年1月27日阿波罗-4号进行载人飞船发射前的飞行试验时发生爆炸，三名宇航员遇难。第一起1967年阿波罗-4号爆炸左起：EdwardH.WhiteII,VirigilI.Grissom,和RogerB.Chaffee.InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciencesØ这次试验的方案是在阿波罗-4号飞船的指挥舱中模拟行走。假若这次试验成功，这3名航天员便能乘阿波罗-4号飞船升空进行勘测，为登月飞行作准备。Ø在地面试验过程中，突然发生爆炸。Apollo-4的指挥舱InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences剧烈燃烧后的强热痕迹阿波罗事故原因烧毁的阿波罗-4号指挥舱隔热罩在纯氧高压为16psia压力下一个小的电火花引燃了舱易燃材料导致燃烧密封舱门设计为1分半钟才能打开InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences阿波罗-4事故后的改进措施ü太空舱内纯氧的压力改为5psia；ü舱内采用阻燃材料；ü舱门改为单层，能在2-3秒内打开；1969年7月21日，第一次实现人类登月计划。InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences挑战者号航天飞机1986年1月28日升空时爆炸，七名宇航员全部遇难。第二起挑战者号(STS-51L)航天飞机爆炸挑战者号机组人员升空时刻InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences总统委员会认为造成爆炸原因是密封环失效.与右侧固体燃料助推火箭的连接件未经充分的验证就使用有关.发射后约80秒发生爆炸起火位置爆炸的原因InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences固体燃料火箭推进器与外贮燃料箱连接图螺帽固体燃料火箭推进器外贮燃料箱分离螺栓InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences正常密封的密封环泄漏试验时的密封环密封环是怎样泄漏的呢？PressurizedAirInstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences正常的O－型环冲蚀的次O－型环冲蚀的主O－型环冲蚀的O－型密封环InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences挑战者号航天飞机爆炸原因Ø低温使O-型环变脆。Ø飞行前的多次试验没有更换O-密封环，增加了失效的可能。ØO-型密封环冲蚀失效，使高热气体泄漏，点燃了燃料箱中的燃料引起爆炸。InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences2003年2月1日哥伦比亚号航天飞机在即将着陆时发生的灾难。又一次七名宇航员遇难。22年生涯走过28次太空之旅哥伦比亚号航天飞机上七名宇航员第三起哥伦比亚号(STS-107)航天飞机的解体InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences发射台上的哥伦比亚号航天飞机InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciencesSTS-107次飞行前的“哥伦比亚”号STS-107次飞行前的“哥伦比亚”号航天飞机，其机舱长18米，能装运36吨重的货物，外形象一架大型三角翼飞机。推进剂外贮箱固体燃料助推火箭InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences起飞后“哥伦比亚”号航天飞机`机尾装有三个主发动机和一个巨大的推进剂外贮箱，里面装着七百多吨重的液氧、液氢燃料，提供动力给航天飞机进入太空轨道，外贮箱两边各有一枚巨型固体燃料助推火箭。InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences哥伦比亚飞机的解体Ø2003年2月1日，“哥伦比亚号”航天飞机第28次太空之旅，载人飞行16天进行了80多项科学实验，如“火焰燃烧实验”、“试管培植细胞”以及我国少年设计的“蚕在太空吐丝结茧”等。返回时在预计落地前16分钟解体爆炸。InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences从哥伦比亚航天飞机上拍到的红海和地中海InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences哥伦比亚飞机从California上空再入后，其轨迹通过了Nevada,NewMexico,在Texas北部上空解体，可以看到飞机残骸和碎片逐渐离去。InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences再入后的轨迹和时间表-失去信号以后InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences航天飞机解体过程在得克萨斯解体，碎片经达拉斯、路易斯安娜、墨西哥湾、佛洛里达肯尼迪航天中心。InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences在Texas东部恢复的航天飞机左翼和右翼RCC面板碎片掉块比较图像指出左翼先掉，右翼后掉，左翼面板RCC8-22(红色)先掉。碎片InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciencesl共17,400个电话、电子邮件、报告等。l见了2,900个目击证人l收到700分照片和录像以及报告调查组从2003－2月1日到4月4日调查组的工作与收集资料From:COLUMBIAACCIDENTINVESTIGATIONBOARD,2003.8InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences是什么原因引起航天飞机爆炸？在肯尼迪航天中心，把在得克萨斯州和路易斯安纳州历时四个月收集来的8.4万片大约38％飞机的残骸进行分类和重新组装。为了查清原因，首先由NASA支持组成了调查组，由材料和工艺的工程师和科学家组成。ByBrianM.Mayeauxetal.JOMFebruary2004,Vol.56,pp20-30InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences左侧下翼碎片右侧下翼碎片从哥伦比亚航天飞机左及右侧恢复的碎片量比较。在轮子前左右相当，在轮子后左右相差很大。左、右两翼残骸数量对比InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences调查组根据以下的步骤进行：ü残骸清洗和评估，寻找航天飞机爆炸可能的起源；ü对机翼上各种材料进行冶金、金相和热分析；ü计算机模拟空气动力学及热力学模拟；ü收集在机翼上的传感器和录音机和图像的结果。ü再现的冲击RCC面板试验由以上的分析判断航天飞机爆炸的起源。InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences每一侧机翼上有RCC面板22块RCC7、8、9面板前缘区简图每一侧机翼上有RCC面板22块InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences机翼前缘的分析Ø残骸分析发现在左机翼的前缘存在很大的过热和大量的沉积物。专家组确定对机翼前缘三个部分重点研究：¾RCC面板¾子系统面板隔热瓦¾机翼附件InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences机翼前缘RCC面板及构件机翼前缘横截面图2024AlalloyA-286桅杆的配件RCCInconel601横梁及支撑材料IN718InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences哥伦比亚机翼前缘结构用材InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences用X线、SEM／EDS光电子能谱分析嵌镶在试样16692的隔热瓦内表面上的沉积物。指出该沉积物是从隔热瓦的内侧引起的，并且沉积物的成分与机翼前缘构件和起落架上的分析成分相同。沉积物有两种：-多铝红柱石Al、Cu+Al2O3-Cerachrome冶金分析InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences子系统面板隔热瓦左翼下部前缘子系统面板9出现过热、侵蚀并伴有腐蚀坑。16692面板重构图InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences在RCC8、9之间受到过热气流冲蚀，展示很大的热损伤。RCC8RCC9InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences大量熔化沉积物在左翼前缘RCC面板8内侧，向两边减少，大量的沉积物也在5、6、7面板的外侧表面上，而在这些面板的内侧上很少观察到沉积物。另外在RCC面板12号以外也很少沉积物，说明在此RCC面板8和9处温度过高，造成热损伤，而两侧的机械损伤大于热损伤。RCC8RCC9RCC面板8内表面观察到的沉积物沉积物数量面板数89InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences航天飞机机翼前缘每块面板的寿命图9InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciencesCerachromeInconel718小球和Cerachrome渣沉积在RCC8面板上。Inconel718InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences左RCC的8号面板上面沉积物电子探针分析的横截面金相图a及示意图b沉积物：一种是1100oC形成的一种多铝红柱石Al、Cu+Al2O3ab沉积物的形貌及位置InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences左翼8号面板上面，靠近内侧根部沉积物电子探针分析的横截面金相图a及示意图bba沉积物：另一种是“Cerachrome”，其形成温度是1649oC，由Inconel718合金、2024铝合金和A-286铁基合金等和这些合金与SiC及RCC熔化形成一种含Cr的Al2O3、SiO2的沉积物组成。InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciencesInconel718溶化渗入RCC中，外表面的SiC已经消失。左翼8号面板的外侧沉积渣电子探针分析的横截面金相图a及示意图bInstituteofMetalR