國(guó)際空間站漏氣如何修補(bǔ)

李會(huì)超

近日，美國(guó)國(guó)家航天局和俄羅斯航天集團(tuán)先后在其官方網(wǎng)站上表示，由于國(guó)際空間站上的美國(guó)艙段出現(xiàn)了空氣泄漏的情況，因此指揮空間站上的3名宇航員已經(jīng)全部在俄羅斯艙段集中，同時(shí)著手尋找潛在的泄漏點(diǎn)。目前最新消息是3名宇航員結(jié)束了在俄羅斯艙段的隔離生活，但并未宣布找到漏氣點(diǎn)。

載人航天器漏氣問題歷史上不止一次發(fā)生，有些還帶來(lái)了十分嚴(yán)重的后果。而快速查漏堵漏，也是新技術(shù)研發(fā)的努力方向。

載人航天器氣體泄漏曾造成人員傷亡

隨著距離地面高度的增加，空氣密度和氣壓會(huì)變得越來(lái)越低，人的呼吸也就會(huì)越來(lái)越困難。在距離地面數(shù)百公里的太空軌道中，地球大氣的密度已經(jīng)十分稀薄，到了接近于真空的程度。要讓宇航員在這樣的環(huán)境中生存，航天器必須對(duì)艙內(nèi)的氣體進(jìn)行加壓，使航天器內(nèi)部的氣壓達(dá)到接近于海平面附近氣壓的程度。這樣，宇航員們就能舒適地在航天器內(nèi)工作生活了。

在科幻題材的電影中，常有太空艙突然出現(xiàn)破裂，涌出的空氣將艙內(nèi)的物品甚至宇航員一起卷入太空之中的場(chǎng)景。在載人航天器的發(fā)展歷史上，艙內(nèi)氣體泄漏事件也曾多次發(fā)生，有些還造成了十分嚴(yán)重的后果。

1971年，蘇聯(lián)的“聯(lián)盟11號(hào)”飛船在完成與“禮炮1號(hào)”的對(duì)接任務(wù)后返回地球，在再入大氣層過程中發(fā)生意外。在軌道艙與返回艙分離時(shí)，本應(yīng)前后啟動(dòng)的爆炸螺栓同時(shí)爆炸，強(qiáng)大的沖擊力破壞了返回艙艙門的密封設(shè)備，導(dǎo)致返回艙內(nèi)的空氣快速泄漏，3名宇航員不幸遇難。事后的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，宇航員們?cè)谛孤┌l(fā)生40秒后就被奪去了生命，幾乎來(lái)不及采取任何有效的挽救措施。

1997年6月24日，俄羅斯的“進(jìn)步M-34號(hào)”貨運(yùn)飛船與俄羅斯的“和平號(hào)”空間站對(duì)接。次日，“M-34號(hào)”飛船與“和平號(hào)”空間站暫時(shí)分離，準(zhǔn)備進(jìn)行一次對(duì)接試驗(yàn)，以測(cè)試新的自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)。在測(cè)試進(jìn)行中，飛船意外與“和平號(hào)”空間站的“光譜”艙發(fā)生嚴(yán)重碰撞，導(dǎo)致“光譜”艙艙體外壁和與其相連的太陽(yáng)能電池板發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞，“和平號(hào)”空間站內(nèi)的氣體快速?gòu)呐鲎伯a(chǎn)生的裂口涌入太空。幸運(yùn)的是，破損的太陽(yáng)能電池板一部分插入了裂口中，一定程度上降低了漏氣的速度。同時(shí)，當(dāng)時(shí)在“和平號(hào)”上工作的俄羅斯宇航員眼疾手快，迅速斷開了“光譜”艙與空間站其他部分相連的線纜，徹底關(guān)死了“光譜”艙的艙門，保全了空間站的其他部分。

國(guó)際空間站過去出現(xiàn)過兩次漏氣事件

國(guó)際空間站是目前唯一可以供宇航員長(zhǎng)期在太空駐留的航天器，日前披露的事件已經(jīng)不是國(guó)際空間站第一次出現(xiàn)氣體泄漏問題。2004年和2018年，國(guó)際空間站曾經(jīng)出現(xiàn)過兩次漏氣事件。在這兩次事件中，宇航員們通過逐個(gè)關(guān)閉艙門的方式來(lái)縮小故障范圍，再尋找確切的故障點(diǎn)。

當(dāng)確定漏氣事故所處的艙段后，宇航員們會(huì)使用手持式超聲波掃描設(shè)備對(duì)艙段的外壁進(jìn)行掃描。在泄漏點(diǎn)所在的位置，向艙外涌出的空氣會(huì)給出與其他位置不同的超聲波信號(hào)特征，從而能讓宇航員們發(fā)現(xiàn)。實(shí)際上，這個(gè)技術(shù)并非為太空飛行特別研發(fā)，而是已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地面上的日常工作中。宇航員們使用的手持式探測(cè)器，也是市面上能夠輕松買到的產(chǎn)品。

2004年的漏氣事件，漏點(diǎn)最終在“命運(yùn)”號(hào)實(shí)驗(yàn)艙的一個(gè)舷窗上被發(fā)現(xiàn)。舷窗上用以平衡氣壓的一個(gè)U形管與舷窗連接位置的密封出現(xiàn)了漏洞。這個(gè)問題實(shí)際上是宇航員們?nèi)辗e月累的習(xí)慣性操作造成的。當(dāng)他們?cè)谶@個(gè)舷窗附近活動(dòng)時(shí)，會(huì)“順手”把U形管當(dāng)成扶手，長(zhǎng)時(shí)間的拉扯造成了漏氣的出現(xiàn)。不過，問題的責(zé)任并不在宇航員，因?yàn)榕摱蔚脑O(shè)計(jì)制造人員并沒有標(biāo)注這個(gè)U形管不允許拉扯，而舷窗附近也確實(shí)沒有可以供他們抓握的專門扶手。事后，有關(guān)技術(shù)人員修正了這個(gè)設(shè)計(jì)缺陷，除了送來(lái)新的U形管供替換外，還專門在舷窗附近增設(shè)了扶手。

而2018年8月的漏氣事件，則可能是一場(chǎng)人為引起的事故。經(jīng)過相似的查找過程后，宇航員們發(fā)現(xiàn)漏氣點(diǎn)位于幾個(gè)月前剛剛來(lái)訪的MS-09號(hào)“聯(lián)盟”飛船的軌道艙，那里的外壁上出現(xiàn)了一個(gè)直徑約為2毫米的洞。一開始，人們懷疑這個(gè)洞是由于微流星體或者太空垃圾的撞擊所產(chǎn)生的。在國(guó)際空間站的運(yùn)行過程中，曾經(jīng)多次采取軌道機(jī)動(dòng)，規(guī)避密集的太空垃圾。然而，進(jìn)一步的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，此次出現(xiàn)的洞并非外部撞擊造成，而是有人用鉆頭鉆開的。在太空的失重環(huán)境中，使用鉆頭是一件相當(dāng)困難的事情。因此這個(gè)洞最有可能是在地面組裝的過程中，由于相關(guān)人員疏忽產(chǎn)生的。漏氣孔洞的制造者顯然意識(shí)到自己闖禍了，但是并沒有遵循正確的程序進(jìn)行匯報(bào)，而是自行進(jìn)行了質(zhì)量低劣的修補(bǔ)。漏氣之所以在飛船發(fā)射到太空中兩個(gè)多月，與國(guó)際空間站對(duì)接后才被發(fā)現(xiàn)，很有可能是肇事者的修補(bǔ)在苦苦支撐。雖然俄羅斯航天局已經(jīng)查明了事故的確切責(zé)任者，但該機(jī)構(gòu)拒絕向外透露具體的信息。

確定漏點(diǎn)后，國(guó)際空間站的宇航員首先用膠帶對(duì)漏點(diǎn)進(jìn)行了暫時(shí)的封堵，之后又利用環(huán)氧樹脂膠水和紗布對(duì)漏點(diǎn)進(jìn)行了永久性的封堵。到MS-09號(hào)飛船完成任務(wù)、與國(guó)際空間站分離時(shí)，漏氣的問題都沒有再發(fā)生。而這種看起來(lái)并沒有太多技術(shù)含量的封堵措施，還被設(shè)計(jì)它的俄羅斯宇航企業(yè)申請(qǐng)了專利。

本次漏氣事件一年前就已發(fā)現(xiàn)

在國(guó)際空間站中，主要通過電解水的方式產(chǎn)生氧氣，補(bǔ)充宇航員們的消耗。在日常運(yùn)行中，宇航員進(jìn)行太空行走前氣閘艙的充氣放氣、來(lái)訪的載人及貨運(yùn)飛船對(duì)接過程中的操作，都會(huì)釋放一定量的艙內(nèi)氣體，進(jìn)而導(dǎo)致艙內(nèi)氣壓下降。因此，國(guó)際空間站會(huì)定期利用貨運(yùn)飛船運(yùn)來(lái)的氮?dú)鈿怏w儲(chǔ)備，對(duì)艙內(nèi)進(jìn)行加壓操作。

2004年和2018年，國(guó)際空間站曾經(jīng)出現(xiàn)過兩次漏氣事件。在這兩次事件中，宇航員們通過逐個(gè)關(guān)閉艙門的方式來(lái)縮小故障范圍，再尋找確切的故障點(diǎn)。

去年9月，負(fù)責(zé)國(guó)際空間站日常運(yùn)行維護(hù)的人員發(fā)現(xiàn)，國(guó)際空間站艙內(nèi)氣壓下降的速度比正常情況下要快，判斷國(guó)際空間站某個(gè)位置應(yīng)該是出現(xiàn)了漏氣現(xiàn)象。不過，經(jīng)過觀察后，技術(shù)人員認(rèn)為漏氣的速度在可以容忍的范圍內(nèi)，漏氣不會(huì)對(duì)宇航員的生命安全造成急迫的威脅，也不需要立即進(jìn)行處理。在去年9月之后，國(guó)際空間站上安排了大量重要的工作：美國(guó)恢復(fù)載人航天飛行的首次任務(wù)，要由載人龍飛船和國(guó)際空間站共同完成?？臻g站上一個(gè)出現(xiàn)故障的暗物質(zhì)探測(cè)器需要修復(fù)，空間站的供電系統(tǒng)需要升級(jí)一些部件。在完成這些任務(wù)之前，解決漏氣的工作無(wú)法展開。

今年8月，在經(jīng)歷前期忙碌后，國(guó)際空間站迎來(lái)了一段相對(duì)清閑的時(shí)間。同時(shí)，目前也是國(guó)際空間站上乘員人數(shù)在一段時(shí)間內(nèi)最少的時(shí)期，為解決漏氣問題創(chuàng)造了條件。8月20日，地面控制人員和宇航員們開始協(xié)同進(jìn)行“查漏”的工作，美國(guó)國(guó)家航天局也對(duì)外發(fā)布了相關(guān)消息，這才使國(guó)際空間站持續(xù)了將近一年的漏氣問題進(jìn)入大眾的視野。在查漏過程中，原來(lái)居住在國(guó)際空間站上的美國(guó)部分宇航員要先“搬家”，使所有宇航員都能集中到俄羅斯設(shè)計(jì)指導(dǎo)的一個(gè)艙段中。之后，宇航員們將各個(gè)艙段的艙門關(guān)閉，使各個(gè)艙段的內(nèi)部空間相互隔離。通過監(jiān)控每個(gè)艙段的氣壓數(shù)據(jù)，地面控制人員就能發(fā)現(xiàn)氣壓異常的那個(gè)艙段，從而縮小查漏的范圍。

新技術(shù)助力快速查漏堵漏

對(duì)于國(guó)際空間站或其他供宇航員長(zhǎng)期在太空駐留的航天器來(lái)說，漏氣總是有可能出現(xiàn)的。目前，國(guó)際空間站上隔離各個(gè)艙段、確定漏氣艙段位置后，再使用手持式的超聲波監(jiān)測(cè)儀尋找具體漏氣點(diǎn)的方式雖然有效，但效率較低。技術(shù)人員正在研發(fā)各種新技術(shù)，希望更快地找到漏氣點(diǎn)的位置。

美國(guó)國(guó)家航天局的蘭利研究中心正在試驗(yàn)一種傳感器系統(tǒng)，希望能夠?qū)崿F(xiàn)漏點(diǎn)位置的快速確定。這套系統(tǒng)在每個(gè)艙室內(nèi)壁上安裝14個(gè)傳感器，通過壓敏轉(zhuǎn)換器分析艙室外壁的振動(dòng)信號(hào)。一旦漏氣發(fā)生，通過各個(gè)傳感器獲取的振動(dòng)信號(hào)間的交互分析，可以確定漏氣點(diǎn)與各個(gè)傳感器的相對(duì)位置。國(guó)際空間站上各類設(shè)備的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一定的噪音與振動(dòng)，會(huì)對(duì)傳感器傳回的信號(hào)分析造成不小的干擾。因此研究人員致力于找出空間站運(yùn)行背景噪聲的信號(hào)特征，在進(jìn)行信號(hào)分析的過程中先行將背景噪聲去掉，從而更快、更準(zhǔn)確地完成找漏任務(wù)。

在美國(guó)國(guó)家航天局的資助下，密歇根大學(xué)的研究人員研發(fā)了一種神奇的自修復(fù)材料，可以在國(guó)際空間站的外層保護(hù)殼被微流星或者太空垃圾擊中時(shí)，提供應(yīng)急的即時(shí)修補(bǔ)。這種材料的結(jié)構(gòu)與三明治類似，最外側(cè)是兩層固態(tài)的、比較堅(jiān)硬的聚合物，兩層聚合物間夾著一層液態(tài)樹脂。一旦材料的外層被擊穿，液態(tài)樹脂將從材料內(nèi)部涌出，而航天器內(nèi)部泄漏出的氣體則會(huì)使樹脂像人的傷口結(jié)痂一樣，在材料外部凝固，將漏洞封堵住。實(shí)驗(yàn)表明，液態(tài)樹脂的硬化過程最快只需要幾毫秒。

◎ 來(lái)源|北京日?qǐng)?bào)