航天飛行事故：空間站漏氣了！

文 / 錢衛(wèi)

▲ 聯(lián)盟MS-09的任務(wù)徽章

▲ 航天員們發(fā)布了一條窟窿已經(jīng)被補(bǔ)好的消息，但后來撤回了

2018年8月底，運行在近地軌道上的國際空間站發(fā)生了一次前所未有的險情——對接在站上的聯(lián)盟MS-09飛船軌道艙漏氣了。雖然問題很快得到了解決，航天員的生命安全和空間站的運行也沒有受到什么影響，但漏氣是因為軌道艙上一個人為孔洞引發(fā)的。這在空間站運行歷史上還是第一次，由此引發(fā)了全世界的關(guān)注。

問題出現(xiàn)的前前后后

漏氣問題是在8月29日出現(xiàn)的。休斯頓和莫斯科的飛行控制中心同時發(fā)現(xiàn)，空間站的氣壓正在下降。根據(jù)氣壓分布，斷定問題出在俄羅斯飛船上。不過問題并不嚴(yán)重，控制中心甚至沒有發(fā)出警報，叫醒熟睡中的航天員們。

需要指出的是，漏氣問題在聯(lián)盟MS-09發(fā)射、入軌和對接初期是不存在的。MS-09是在2018年6月6日發(fā)射，6月8日對接在國際空間站上的。到發(fā)現(xiàn)漏氣的時候，已經(jīng)過去了兩個多月。

當(dāng)時，國際空間站上一共對接了三艘飛船，都是來自俄羅斯，分別是進(jìn)步MS-09貨運飛船和聯(lián)盟MS-08、聯(lián)盟MS-09載人飛船。其中進(jìn)步MS-09對接在“探索”艙底部，聯(lián)盟MS-08對接在“探索”艙頂部，聯(lián)盟MS-09對接在“晨曦”艙上。

經(jīng)過反復(fù)排查，俄羅斯航天員賽蓋爾·波羅科帕耶夫在聯(lián)盟MS-09飛船的軌道艙上發(fā)現(xiàn)了一個兩毫米直徑的小孔。他當(dāng)機(jī)立斷，用手指堵住了小孔，然后隊友奧利格·奧特姆耶夫用環(huán)氧樹脂和膠帶堵住了這個小孔，完成了修理。地面人員事后分析說，如果不對這個孔采取任何措施，它會在18天后把國際空間站里的空氣全部漏光。

空間站里失去的氧氣怎么辦呢？美國宇航局與俄羅斯航天局經(jīng)過商議，動用進(jìn)步MS-09上的氧氣儲備來補(bǔ)充。這件事到這里似乎就算結(jié)束了。

事后，美國航天員斯科特·科里出來平息大家的情緒。他說，我們在過去20年里被隕石或者太空垃圾打中過無數(shù)次，這是一個必須引起重視的嚴(yán)重問題。他還贊揚了乘組的修復(fù)工作?？臻g站自身也發(fā)生過很多次小故障，所以這只是一件小事，大家洗洗睡吧。

然而航天質(zhì)量無小事，特別是國際空間站這種大型載人綜合體。任何微小的疏忽都會導(dǎo)致整個型號失敗，甚至導(dǎo)致人員傷亡。這在航天史上并不是什么罕見的事情。因此，美俄雙方的航天機(jī)構(gòu)都對這件事高度重視。主管航天事務(wù)的俄羅斯副總理羅戈津說：“這事關(guān)俄羅斯能源火箭和航天聯(lián)合體的榮譽，他們有責(zé)任找到事故原因。查清這是無心之過還是故意為之，無論是在天上發(fā)生的還是在地球上發(fā)生的?！?/p>

對正在建設(shè)空間站的中國來說，這次事故的原因和各方的應(yīng)對，特別是乘組在發(fā)現(xiàn)問題后的搶修模式，或許是一個值得學(xué)習(xí)和借鑒的案例。

▲ 航天員在聯(lián)盟MS-09上發(fā)現(xiàn)的窟窿（小的那個）

▲ 聯(lián)盟MS-09的乘組，注意胸口的第57次任務(wù)組標(biāo)志

艙壁結(jié)構(gòu)與材料

聯(lián)盟飛船是三艙式飛船，和神舟飛船一樣，從前到后分別是軌道艙、返回艙和推進(jìn)艙。其中，軌道艙前端裝有對接機(jī)構(gòu)。在航天事業(yè)發(fā)展早期，當(dāng)空間站還不存在的時候，軌道艙是航天員執(zhí)行空間科學(xué)實驗任務(wù)的場所。神舟飛船還需要在軌道艙前段裝一個附加段，來提供更多實驗機(jī)會。到了空間站時代，軌道艙就完全成為承載對接機(jī)構(gòu)和運輸貨物的艙段了。由于它不需要返回，也不需要在空間長期載人運行，因此不像返回艙和空間站其他艙段那么厚實。至少，它的外面沒有那么厚的隔熱層和燒蝕材料層。所以，在它的艙壁上打個洞也不算太難。

而且，如果不用電鉆，而是使用螺絲刀這樣的手工工具，或許更容易在聯(lián)盟的軌道艙壁上打個洞。這聽起來很荒誕，但實際情況就是如此。

首先要知道，宇宙飛船不是潛水艇，它必須用密度很小的金屬來制造，而且材料不可能太厚。具體到聯(lián)盟飛船來說，除了框架之外，它的殼體其實非常薄。

現(xiàn)有的聯(lián)盟飛船防隕石沖擊標(biāo)準(zhǔn)是在2012年開始使用的，比此前的標(biāo)準(zhǔn)更高。第一個采用這個標(biāo)準(zhǔn)的是聯(lián)盟30S飛船。考慮到美國航天員也要乘坐聯(lián)盟飛船上天和返回，因此美國對聯(lián)盟飛船的安全問題也非常重視。聯(lián)盟飛船一共有兩個載人艙，其中軌道艙比較脆弱，因此美國宇航局約翰遜飛行中心用模擬聯(lián)盟飛船軌道艙的外壁進(jìn)行了彈道沖擊試驗。這份試驗報告，透露了聯(lián)盟飛船的艙壁結(jié)構(gòu)和材料使用情況。

使用基于服務(wù)架構(gòu)的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)具有較好的靈活性、通用性及可擴(kuò)展性，同時利用PUSH技術(shù)，“主動”將預(yù)警信息推送，使防汛工作人員能夠隨時隨地靈活地掌握各類重要的防汛防旱預(yù)警信息，極大提高了防汛防旱搶險救災(zāi)應(yīng)急指揮能力。目前，本系統(tǒng)主要對水情、雨情進(jìn)行實時監(jiān)測預(yù)警，將來旱情預(yù)警、工情預(yù)警以及防汛啟動條件預(yù)案可以分別對相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與警戒值進(jìn)行比較，對超出警戒范圍的要素進(jìn)行預(yù)警，具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

聯(lián)盟飛船艙壁是一層1.9毫米厚的AMG6鋁合金，它與屏蔽層的間隔是15毫米。屏蔽層的基底是一層0.5毫米厚的AMG6鋁板，但均勻打孔來減重；上面是50層鋁塑復(fù)合薄膜，再向外是一層玻璃纖維，然后是一層0.2毫米厚的鋁板，向外是一層同樣的玻璃纖維，再是較薄的鋁塑復(fù)合薄膜，最外側(cè)是一層玻璃纖維。屏蔽層主要是為了擋住宇宙射線和保溫，不能起到氣密的作用，并不需要把屏蔽層也打出洞來就可以漏氣。

▲ 模擬太空垃圾很容易就打穿了模擬的聯(lián)盟軌道艙艙壁

▲ 高分子材料的防護(hù)層更是不堪一擊

▲ 聯(lián)盟MS-09上天時，正值世界杯，航天員們在足球上簽名留念

美國人用來模擬聯(lián)盟飛船艙壁的實驗品，結(jié)構(gòu)和材料與真品差不多，但略有不同。首先是2毫米厚的艙壁，用5466鋁合金制成。間隔15毫米處是屏蔽層。屏蔽層的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，它的基底是一層0.5毫米厚的6061-T6鋁板，上面是20層鋁塑復(fù)合薄膜，再向外是一層7781玻璃纖維，然后又是一層0.5毫米厚的6061-T6鋁板，然后是一層同樣的7781玻璃纖維，再是較薄的鋁塑復(fù)合薄膜，最外側(cè)是一層BETA蒙布。

5466鋁合金是一種很常見的鋁合金，中國的很多民營企業(yè)都可以生產(chǎn)并且大量出口。雖然這些產(chǎn)品未必能達(dá)到宇航標(biāo)準(zhǔn)，但至少為我們提供了一種關(guān)于聯(lián)盟飛船艙壁強(qiáng)度的參考。根據(jù)其中一家企業(yè)的出口文件，5466鋁板的抗拉強(qiáng)度是220兆帕以上，屈服強(qiáng)度是113兆帕以上，在造船、航空等很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

那么，它能擋住微流星和太空垃圾嗎？約翰遜中心的測試結(jié)論讓人肝膽俱裂。用來模擬隕石和太空垃圾的有三種物體，塑料、鋁和不銹鋼。至少，不銹鋼彈丸可以把屏蔽層和艙壁一起打穿。鋁彈丸和塑料彈丸至少可以打穿屏蔽層。所以，即使沒有人為造成的孔洞，為空間站提供一種應(yīng)急修補(bǔ)手段也是必要的。

在不考慮隕石沖擊的情況下，這樣薄的鋁板能保持住艙內(nèi)氣壓嗎？實際上，國際空間站內(nèi)的氣壓是一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，聯(lián)盟飛船內(nèi)的氣壓也是如此。飛船殼體不需要像潛水艇那樣承受恐怖的壓力，因此兩毫米的鋁板完全夠用了。

一個身體健康的人如果拿著一把尖利的螺絲刀，用力鑿幾下，完全可以在兩毫米厚的鋁板上鑿出一個洞來。這比用電鉆容易太多了。

▲ 補(bǔ)好以后的窟窿

修補(bǔ)材料和工具

空間碎片有時也會打壞空間站的外壁。2016年，英國航天員提姆·匹克發(fā)布了一張照片，向大家揭示了小小的空間碎片會造成什么后果。

這也是兩位俄羅斯航天員為什么能嫻熟淡定地把小孔堵上的原因——兩人早就有充分的心理準(zhǔn)備，而且受過相當(dāng)多的訓(xùn)練了。

根據(jù)發(fā)布的新聞，兩位航天員用環(huán)氧樹脂膠水和膠帶堵住了這個洞，國際空間站安全了。這是什么神奇的膠水和膠帶，居然能夠封堵宇宙飛船的漏洞？其實，它們不但不神秘，而且可以在電商網(wǎng)站上買到。

環(huán)氧樹脂膠水

不過，使用環(huán)氧樹脂存在著一個問題。它并不是從軟管里擠出來就可以用的，而是分成主料和固化劑，也叫做A劑和B劑。要把這兩種成分混合之后，涂到所需位置。在常溫下，它需要2～6小時才能固化，24小時后方可承受載荷，10天后完全凝固。國際空間站內(nèi)部溫度不算太低，但在失重條件下，必須想辦法讓樹脂固定保持在孔洞里，不要飛散，這就需要用到膠帶了。

聚酰亞胺膠帶

他們使用的膠帶，叫做kapton聚酰亞胺膠帶，是美國杜邦公司發(fā)明的產(chǎn)品。其中最貴的款式每卷10厘米寬、33米長，在國內(nèi)電商網(wǎng)站上也只不過賣500多元一卷。

聚酰亞胺是綜合性能最佳的有機(jī)高分子材料之一，耐高溫達(dá)400℃以上，熱分解溫度達(dá)600℃，在-269℃的液態(tài)氦中不會脆裂，長期使用溫度范圍-200～300℃。也就是說，它即使暴露在宇宙空間里也能工作，而且它的抗拉強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度都非常高，用來堵這個小洞是很輕松的。特別需要指出，聚酰亞胺是自熄性聚合物，即使遇到火災(zāi)，它也不會助燃，而且發(fā)煙率低。另外，聚酰亞胺在極高的真空下放氣量很少，非常適合宇航環(huán)境。

用聚酰亞胺制成的膠帶高絕緣、耐高溫、低溫、耐酸堿、低電解、良好機(jī)械性能、耐磨擦、抗撕裂，特殊粘劑處理，粘著力強(qiáng)，是膠帶中的勞斯萊斯。在航空和電子行業(yè)，這種膠帶都得到了廣泛使用。國際空間站里準(zhǔn)備一些kapton膠帶應(yīng)急，是情理之中。

普通商品就能解決空間站的問題，或許是很多人想不到的。其實美國宇航局早在航天飛機(jī)時代后期就發(fā)現(xiàn)了這件事。哥倫比亞號因為隔熱瓦破裂而解體失事后，美國宇航局就在設(shè)法尋找一種在軌修補(bǔ)隔熱瓦的手段。基本的思路，就是航天員出艙行走，用刷子、刮板等工具把修補(bǔ)劑填補(bǔ)到裂縫中。而這些工具都是從超市里直接買來的，在空間環(huán)境中照樣能正常使用。

其實，除了“槍把式工具”這樣的特制品，多數(shù)太空工具的構(gòu)造和地球上的工具差不多。這也體現(xiàn)了人類在工程技術(shù)發(fā)展上的傳承性。

▲國際空間站上的聯(lián)盟MS-09（左）和聯(lián)盟MS-08（右）

▲ 聯(lián)盟MS-09向國際空間站對接口靠近的情景

等到宇航技術(shù)有了進(jìn)一步發(fā)展，航天飛行也成為普通人能夠享受的業(yè)務(wù)時，從民用市場乃至消費市場上購買器材和零件的事情將更加廣泛而不足為奇。

美俄關(guān)系背景下的事故影響

最近一些年來，美俄關(guān)系一直非常微妙。烏克蘭內(nèi)戰(zhàn)以來，美俄之間互相攻擊，政治對立非常嚴(yán)重。雙方已經(jīng)開始了實質(zhì)性的軍事準(zhǔn)備。航天作為國家戰(zhàn)略中最重要的部分之一，對政治風(fēng)向的變化也非常敏感。例如俄羅斯向美國出口的RD180發(fā)動機(jī)就是個明顯的例子。但國際空間站作為載人設(shè)施，一直被雙方小心翼翼地對待。從政府到航天界，都盡量不讓國際空間站的運行受到干擾。不過即使如此，在涉及國際空間站未來和費用的問題上，美俄也存在著很大的矛盾。

首先是聯(lián)盟飛船的票價問題，由于俄方一再漲價，美國宇航局和國會早就非常不滿。所以在航天飛機(jī)退役之后，美國宇航局大力推動自主飛船研制。到2020年前后，美國將擁有三種可以載人進(jìn)入國際空間站的飛船，而且設(shè)計指標(biāo)都比聯(lián)盟飛船要高得多。

其次是國際空間站壽命問題，美國政府已經(jīng)決定，把它運行到2024年后。之后是繼續(xù)由政府出資維持，還是轉(zhuǎn)為商業(yè)空間站，尚且沒有一個定論。但美國宇航局肯定不會再把近地軌道載人活動作為重點，而是要轉(zhuǎn)向地月空間、月球、小行星和火星。

在這種局面下，只能載3人、只能抵達(dá)近地軌道的聯(lián)盟飛船，處境其實是非常尷尬的。美國宇航局在研的“獵戶座”、波音公司的“星際航線”、太空探索公司的“載人龍”都可以載6人。如果按照國際空間站現(xiàn)有人員配置，美國一家就可以解決自己再加上歐洲、日本等國的天地往返問題。除了俄羅斯自己，誰都不需要聯(lián)盟飛船了。而且“獵戶座”是一種星際飛船，不但可以往返國際空間站，還可以登月、登小行星、登火星，讓聯(lián)盟飛船望塵莫及。而且以俄羅斯的財力，短期內(nèi)不可能拿出與之相當(dāng)?shù)男吞杹怼?/p>

面對嚴(yán)峻的美俄關(guān)系，俄羅斯也試圖用聯(lián)盟飛船來將美國一軍。前不久，俄羅斯方面?zhèn)鞒鱿ⅲ?019年就不再搭載美國航天員上天了。這個消息并沒有得到廣泛討論，但很明顯，俄羅斯賭的是美國新飛船不會那么順利就研制出來并且投入使用。如果俄羅斯不提供飛船，美國將面臨一個更嚴(yán)重的空白期，航天員完全沒有手段進(jìn)入太空。

但這次聯(lián)盟飛船的事故，卻把石頭砸在了俄羅斯的腳上。如果能源聯(lián)合體失去了對質(zhì)量的控制能力，不能保證后續(xù)飛船的安全運行，那么就算不考慮政治因素，美國、歐洲和日本也不見得敢于繼續(xù)讓自己的航天員搭乘聯(lián)盟飛船。畢竟，美國已經(jīng)犧牲過多名航天員了。

這是不是一個偶然事故，能源聯(lián)合體是不是能如同過去那樣，繼續(xù)提供質(zhì)量穩(wěn)定、飛行可靠的飛船，不但將決定俄羅斯航天事業(yè)的聲譽，也將決定2019年之后國際空間站的運行模式。如果美國飛船研制順利而俄羅斯飛船質(zhì)量下滑，那么俄羅斯在國際宇航合作中的地位將嚴(yán)重下滑，往日榮光將蒙上一層陰影。

迄今為止的載人航天事故簡表

沒有飛出大氣層的亡人事故

訓(xùn)練或者試驗亡人事故