國際空間站漏氣了怎么辦？

文/ 李會(huì)超

▲ 2018年國際空間站漏氣的孔洞

無論是在海面下行駛的潛艇，還是在高空中飛行的民航飛機(jī)，有人的艙室必須和不適合人類生存的環(huán)境密封隔離。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。要讓航天員在這樣的環(huán)境中生存，航天器就必須在保持密封的情況下，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，航天員們就能舒適地在航天器內(nèi)工作生活了。

航天器一旦發(fā)生漏氣，便不是個(gè)小事情。

漏氣如何發(fā)現(xiàn)？

國際空間站是目前唯一的可以供航天員長期在太空駐留的航天器。在國際空間站中，主要通過電解水的方式產(chǎn)生氧氣，補(bǔ)充航天員們的消耗。在日常運(yùn)行中，航天員進(jìn)行太空行走前氣閘艙的充氣放氣、來訪的載人及貨運(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，國際空間站會(huì)定期利用貨運(yùn)飛船運(yùn)來的氮?dú)鈿怏w儲(chǔ)備，對(duì)艙內(nèi)進(jìn)行加壓操作。

▲ 命運(yùn)號(hào)實(shí)驗(yàn)艙舷窗左下的U型管

▲ 國際空間站

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)的物品甚至航天員一起卷入太空中的場景。在國際空間站的真實(shí)運(yùn)行過程中，雖然從來沒有如此危險(xiǎn)的情況發(fā)生，但艙內(nèi)氣體泄漏事件卻發(fā)生過好幾次。2004年、2018年和今年，國際空間站曾經(jīng)出現(xiàn)過3次漏氣事件。這幾次漏氣都是地面控制人員通過監(jiān)控艙內(nèi)氣壓發(fā)現(xiàn)的：空間站艙內(nèi)氣壓下降的速度比正常快，意味著空間站的某處正在漏氣。而尋找漏氣點(diǎn)的方式并沒有多么先進(jìn)：航天員們將各個(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。

當(dāng)確定漏氣事故所處的艙段后，航天員們會(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，從而能讓航天員們發(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。航天員們使用的手持式探測器，也是市面上能夠輕松買到的產(chǎn)品。

國際空間站的三次漏氣事件

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型管與舷窗連接位置的密封出現(xiàn)了漏洞。這個(gè)問題實(shí)際上是航天員們?nèi)辗e月累的習(xí)慣性操作造成的。

當(dāng)他們在這個(gè)舷窗附近活動(dòng)時(shí)，就會(huì)“順手”把U型管當(dāng)成扶手，經(jīng)過長時(shí)間的拉扯之后造成了漏氣的出現(xiàn)。不過，問題的責(zé)任并不在航天員，因?yàn)榕摱蔚脑O(shè)計(jì)制造人員并沒有標(biāo)注這個(gè)U型管不允許拉扯，而舷窗附近也確實(shí)沒有可以供他們抓握的專門的扶手。事后，有關(guān)技術(shù)人員修正了這個(gè)設(shè)計(jì)缺陷，除了送來了新的U型管供替換外，還專門在舷窗附近增設(shè)了扶手。

而2018年8月的漏氣事件，則可能是一場人為引起的事故。經(jīng)過相似的查找過程后，航天員們發(fā)現(xiàn)漏氣點(diǎn)位于幾個(gè)月前剛剛來訪的聯(lián)盟號(hào)MS-09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。在一次十分緊急的情況下，航天員們甚至躲避到連接在空間站的飛船上，準(zhǔn)備一旦出現(xiàn)嚴(yán)重意外就乘飛船撤回地球。

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。在太空中的失重環(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)人員一時(shí)疏忽產(chǎn)生的。漏氣孔洞的制造者顯然意識(shí)到自己闖了禍，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)拒絕向外透漏具體的信息。

▲ 國際空間站上俄羅斯和美國的艙段

確定漏點(diǎn)后，國際空間站的航天員首先用膠帶對(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。到聯(lián)盟號(hào)MS-09飛船完成任務(wù)、與國際空間站分離時(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)申請了專利。

聯(lián)盟號(hào)飛船最后只有返回艙一個(gè)艙段搭載航天員降落到地面，服務(wù)艙和軌道艙都會(huì)在返回前先行分離并墜入大氣層焚毀，因此軌道艙上的漏洞也不會(huì)對(duì)返回地面關(guān)鍵而危險(xiǎn)的過程產(chǎn)生影響。出現(xiàn)問題的聯(lián)盟號(hào)MS-09飛船最后平安搭載航天員返回地面。

去年9月，運(yùn)行人員再次懷疑，國際空間站某個(gè)位置出現(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)航天員的生命安全造成急迫的威脅，也不需要立即進(jìn)行處理。

特別是在去年9月之后，國際空間站上安排了大量重要的工作：美國恢復(fù)載人航天飛行的首次任務(wù)，要由載人龍飛船和國際空間站共同完成。空間站上一個(gè)出現(xiàn)故障的暗物質(zhì)探測器需要修復(fù)，空間站的供電系統(tǒng)需要升級(jí)一些部件。在執(zhí)行這些工作的過程中，艙內(nèi)氣壓會(huì)出現(xiàn)不可避免的波動(dòng)。在完成這些任務(wù)之前，解決漏氣的工作無法展開。

今年8月，在經(jīng)歷前期忙碌后，國際空間站迎來了一段相對(duì)清閑的時(shí)間。同時(shí)，此時(shí)也是國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，地面控制人員和航天員們開始協(xié)同進(jìn)行“查漏”的工作，美國宇航局也對(duì)外發(fā)布了相關(guān)的消息，這才使國際空間站持續(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，原來居住在國際空間站上美國部分的航天員要先“搬家”，使所有航天員都能集中到俄羅斯設(shè)計(jì)制造的一個(gè)艙段中。經(jīng)過一段時(shí)間的檢查后，在9月底航天員們已經(jīng)基本確認(rèn)漏氣位置處于俄羅斯制造的星辰號(hào)服務(wù)艙。漏氣沒有對(duì)國際空間站的工作造成特別嚴(yán)重的影響，在修復(fù)漏氣的同時(shí)，航天員們還進(jìn)行了必要的準(zhǔn)備工作，以迎接10月份到達(dá)空間站的貨運(yùn)補(bǔ)給和新的航天員乘組。

新技術(shù)助力快速查漏堵漏

對(duì)于國際空間站或其他供航天員長期在太空駐留的航天器來說，漏氣總是有可能出現(xiàn)的。目前，國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)，以便更快找到漏氣點(diǎn)的位置。

▲ 氣壓平衡后，載人龍飛船航天員鮑勃·貝肯進(jìn)入國際空間站

▲ 國際空間站3名駐守航天員

美國宇航局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震動(dòng)信號(hào)。一旦漏氣發(fā)生，通過各個(gè)傳感器間獲取的震動(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)。

除了國際空間站的艙內(nèi)可能出現(xiàn)漏氣外，國際空間站的其他氣體或液體循環(huán)管道也面臨潛在的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。例如，國際空間站的冷卻系統(tǒng)使用氨作為制冷劑，在2009年、2010年和2013年，曾經(jīng)發(fā)生過3次因氨泄露而導(dǎo)致的冷卻系統(tǒng)運(yùn)行異常事件。在這3次事件中，為了確定泄漏點(diǎn)，航天員都不得不進(jìn)行太空行走，在管道上人工查找泄漏位置。

為了更有效地應(yīng)對(duì)類似事件，美國宇航局研發(fā)了一種名為“外部泄露機(jī)械定位器”RELL的裝置。這種裝置上配備了質(zhì)量譜儀和真空離子壓力計(jì)這兩種儀器，可以相互配合找到泄漏位置。一旦異常情況發(fā)生，被安裝到國際空間站的艙外機(jī)械臂上在經(jīng)過12個(gè)小時(shí)的準(zhǔn)備后，儀器測量精度可以達(dá)到要求。這時(shí)，機(jī)械臂就可以在沒有航天員操作的情況下，移動(dòng)RELL對(duì)管路進(jìn)行檢查。RELL上的質(zhì)量譜儀可以對(duì)氣體的成分做出掃描分析。

▲ 外部泄露機(jī)械定位器被安裝到國際空間站的艙外機(jī)械臂上

由于國際空間站所在位置的稀薄大氣中并沒有氨，因此質(zhì)量譜儀可以輕松地發(fā)現(xiàn)氨氣泄露的區(qū)域。進(jìn)一步的精細(xì)搜尋由真空離子壓力計(jì)完成。這種儀器可以尋找壓強(qiáng)異常的區(qū)域，確定漏點(diǎn)的具體位置，搜尋精度可達(dá)英寸級(jí)別。

在美國宇航局的資助下，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)，能夠提供應(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)部泄露出的氣體則會(huì)使樹脂向人的傷口結(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?！?/p>

▲ 國際空間站內(nèi)部

▲ 外部泄露機(jī)械定位器在地面檢查中

嚴(yán)重的載人航天器氣體泄漏事故

1971年，蘇聯(lián)的聯(lián)盟11號(hào)飛船在完成與禮炮1號(hào)空間站的對(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)先后啟動(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，三名航天員不幸遇難。事后的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，航天員們在泄漏發(fā)生40秒后就被奪去了生命，幾乎來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)，以測試新的自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)。在測試進(jìn)行過程中，飛船意外與和平號(hào)空間站的“光譜”艙發(fā)生嚴(yán)重的碰撞，導(dǎo)致光譜艙艙體外壁和與其相連的太陽能電池板發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞，和平號(hào)空間站內(nèi)的氣體快速從碰撞產(chǎn)生的裂口中涌入太空。幸運(yùn)的是，破損的太陽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)”上工作的俄羅斯航天員眼疾手快，迅速斷開了光譜艙與空間站其他部分相連的線纜，徹底地關(guān)死了光譜艙的艙門，保全了空間站的其他部分。