2003年2月1日，美國佛羅里達州卡納維拉爾角，晴空萬里。聚集在美國國家航空航天局（NASA）航天中心的人們急切地等待著哥倫比亞號航天飛機的歸來。按計劃，哥倫比亞號將于9時16分著陸。然而，哥倫比亞號再也沒有出現(xiàn)在等待的人們的視野里。距著陸還有16分鐘，哥倫比亞號在亞利桑那州上空解體

　　我們難忘人類為探索和認識太空而付出的犧牲。然而，這種以生命和航天飛機為代價的付出是很難讓人承受的。航空航天飛行安全的需求促進了智能蒙皮（Smart Skin）等技術(shù)的發(fā)展。

NASA納米技術(shù)路線圖

　逝去的航天飛機
　　由于技術(shù)原因而在兩年內(nèi)13次推遲發(fā)射的哥倫比亞號航天飛機，最終于2003年1月16日，在卡納維拉爾角航天發(fā)射中心發(fā)射升空，開始執(zhí)行它的第28次太空任務。

　　發(fā)射階段，航天飛機各系統(tǒng)工作正常。然而，助推燃料箱外敷的保溫泡沫材料，因受熱膨脹從燃料箱上大量脫落，其中一塊手提箱大小的泡沫材料高速撞擊到航天飛機的左翼。撞擊過程被監(jiān)控錄像記錄并傳到控制中心。由于航天飛機在重返大氣層時，速度高達1.7萬千米/小時，在與空氣劇烈摩擦中，航天飛機表面會產(chǎn)生1500℃的高溫，為保護機身免受高溫造成的損傷，航天飛機周身貼了2~3萬塊可以耐受1650℃高溫的陶瓷絕熱片。

　　專家們從錄像上無法判斷究竟是僅損傷了陶瓷絕熱片還是擊穿陶瓷片進而傷及翼板，而宇航員們從駕駛艙根本無法看到兩翼，加之來自航天飛機的遙測信號也都正常。鑒于以往泡沫材料的脫落已是家常便飯，于是，地面專家根據(jù)經(jīng)驗得出沒有傷及翼板、不影響此次任務的結(jié)論。

　　2月1日，哥倫比亞號在太空逗留了16天之后踏上歸途。8時49分，哥倫比亞號開始減速。8時52分，儀器顯示，左翼靠近起落架地區(qū)，溫度比右翼高出8～15℃，而且溫差還在繼續(xù)拉大。在航天員報告飛行正常后，控制中心的專家認為可能是溫度傳感器出現(xiàn)故障。8時56分，溫差加大到33℃。1分鐘后，左翼的溫度傳感器失去聯(lián)系，而航天飛機伺服系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)表明，航天飛機不斷向左側(cè)傾斜，又持續(xù)地被自動駕駛系統(tǒng)所修正。8時59分，控制中心的專家們感到不妙，卻聯(lián)系不上哥倫比亞號，航天飛機與大氣劇烈摩擦產(chǎn)生的等離子體將航天飛機緊密地包圍住，中斷了航天飛機與地面之間所有的無線電聯(lián)系……

哥倫比亞號啟示錄

　　一年半之后，NASA公布了調(diào)查結(jié)果：一塊重達0.75千克的泡沫材料高速撞擊航天飛機左翼前緣的熱保護系統(tǒng)并形成裂隙。航天飛機重返大氣層后，超高溫氣體從裂隙處進入機體，最終造成航天飛機解體。

　　之后，NASA制定了新的標準，規(guī)定脫落的泡沫材料最大重量不得超過14.17克（0.5盎司），以避免泡沫材料在發(fā)射階段脫落后損傷航天飛機的熱保護層。但是，在充滿太空垃圾的太空遨游，航天器依然有被太空垃圾擊中的可能。

　　通常，外來物對航天飛機撞擊造成的損害有三種：一是擊中要害直接造成航天飛機被摧毀；二是撞擊產(chǎn)生的形變影響到航天飛機的氣動性能，進而在重返大氣層后造成航天飛機飛行姿態(tài)的失控；三是遭遇到與哥倫比亞號相同情況。

　　因此，如何確定航天飛機熱保護系統(tǒng)是否受到損傷以及損失的程度，就成為安全飛行的重要問題。

　　NASA航天飛機設(shè)計師Scott Hubbard事后分析道，哥倫比亞號是美國建造的首架航天飛機，它是基于上世紀70年代的技術(shù)水平建造，并于1981年4月12日進行首飛。哥倫比亞號上的計算機很古老，性能跟現(xiàn)在的筆記本電腦差不多，不要說機翼上的溫度傳感器沒有聯(lián)機，就算是聯(lián)機了，計算機也無法實時處理大量數(shù)據(jù)。

　　事實上，即便是計算機性能足夠強大，而且機翼內(nèi)嵌的溫度傳感器的信號也傳送到中央計算機系統(tǒng)中，慘劇依舊不可避免。因為航天飛機處在太空，空氣極端稀薄，損傷部位的溫度不會產(chǎn)生變化，飛行姿態(tài)也不會受到影響。而航天飛機重返大氣層后，當溫度傳感器測出溫度變化時，已經(jīng)為時過晚。因為航天飛機的降落程序是單向的，一旦啟動就不可逆轉(zhuǎn)。即便是可以逆轉(zhuǎn)，航天飛機上儲備的燃料也不足以使航天飛機重新獲得2.84萬千米/小時的第一宇宙速度以擺脫地心的引力，而且，航天飛機上儲存的氧氣僅有5天的富裕量，時間上很難滿足NASA組織另一次救援發(fā)射的需求。

　　從物聯(lián)網(wǎng)的角度看，哥倫比亞號的失事是一系列因素造成的。技術(shù)上最大的問題是沒有及時對航天飛機上的計算機系統(tǒng)進行更新?lián)Q代。具體到傳感層面，首先是沒有合適的傳感器在撞擊的第一時間對損傷信息進行判斷；二是傳感器未能與航天飛機上的中央計算機系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。在傳輸層面，在航天飛機重返大氣層時產(chǎn)生具有強烈屏蔽作用的等離子體時，應將傳輸鏈路實時地縮短至航天飛機內(nèi)——將信號送至機內(nèi)計算機中，以保障航天飛機能夠?qū)崟r而連續(xù)地處理來自傳感器的數(shù)據(jù)；而在后臺處理上，應該由控制中心中央計算機提供決策支持，而不是靠以往的經(jīng)驗行事。

　　哥倫比亞號給我們帶來的啟發(fā)是，在物聯(lián)網(wǎng)應用過程中，必須具備充分的行業(yè)知識和經(jīng)驗，要充分考慮到應用的需求和所處的環(huán)境，而且，除了考慮正常使用時的功能外，更要注重故障期的應急響應。

傳感器網(wǎng)絡的高端應用

　　如果能像仿生學那樣，讓航天飛機熱保護層具有生物皮膚的功能，那么，被撞擊的位置和損傷的程度就可以在第一時間確定，這就是智能蒙皮技術(shù)。

　　雖然廣義上說智能蒙皮也屬于傳感器網(wǎng)絡，但智能蒙皮與當下流行的傳感器網(wǎng)絡還是有很大的區(qū)別的，這是因為智能蒙皮應用在宇航時，須要監(jiān)測振動、壓強、張力、電磁波等多種物理量，而且傳感器還要被嵌入到陶瓷片中，你既要考慮傳感器的尺寸，又要考慮傳感器與陶瓷片的膨脹系數(shù)問題，還要考慮到在1000多度的超高溫下傳感器能夠正常工作。

　　智能蒙皮更多地應用于航天器、飛行器上，通過嵌入光纖、壓電陶瓷、有機薄膜以及電阻絲、半導體等傳感器來探測多種物理量。其中光纖傳感器扮演著重要的角色，它可以監(jiān)測溫度、聲、光、磁、壓力、加速度、核輻射、x射線等物理量的變化，具有測量精度高、頻率響應高、抗電磁干擾性強等特點，而且體積小，重量輕，耐高溫，耐腐蝕，防潮，易于與基體結(jié)構(gòu)集成。即便是耐高溫性能突出，普通的光纖傳感器也難以勝任航天器外表面1500℃的工作環(huán)境，而藍寶石光纖傳感器則可輕松承擔，其溫度測量上限可到1800℃。

　　智能蒙皮不僅能夠?qū)崟r監(jiān)測多種物理量，而且還可以對航天飛機陶瓷片等蒙皮進行全生命周期的監(jiān)測，防患于未然。

　　除了被動監(jiān)測外，智能蒙皮技術(shù)還可以用于主動監(jiān)測。美國空軍正在研究把相控陣天線放到飛機蒙皮中，以安裝更多的天線單元。這樣不僅可以加大高探測距離，而且由于天線單元遍布機身而不在局限機頭，從而消除了雷達探測盲區(qū)。

　　智能蒙皮的獨特優(yōu)勢引發(fā)了多國研究機構(gòu)和軍方的重視，如NASA的納米計劃，共分三個相互關(guān)聯(lián)的主題：一是納米電子學與計算，其重點在分子電子學與光電子學、計算架構(gòu)和裝配；二是傳感器，其重點為生命探測、乘務組健康與安全、航天器健康；三是結(jié)構(gòu)材料，其重點放在復合材料、多功能材料以及材料的自愈。

　　明確而清晰的發(fā)展路線圖，從應用和系統(tǒng)的角度出發(fā)，研究中注重各主題之間的關(guān)聯(lián)，注重基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，這些既是NASA納米計劃的特點，也是我們發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)應該借鑒的。