國際空間站漏氣如何修補

李會超

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

載人航天器漏氣問題歷史上不止一次發生，有些還帶來了十分嚴重的后果。而快速查漏堵漏，也是新技術研發的努力方向。

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，空氣密度和氣壓會變得越來越低，人的呼吸也就會越來越困難。在距離地面數百公里的太空軌道中，地球大氣的密度已經十分稀薄，到了接近于真空的程度。要讓宇航員在這樣的環境中生存，航天器必須對艙內的氣體進行加壓，使航天器內部的氣壓達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工作生活了。

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

1971年，蘇聯的“聯盟11號”飛船在完成與“禮炮1號”的對接任務后返回地球，在再入大氣層過程中發生意外。在軌道艙與返回艙分離時，本應前后啟動的爆炸螺栓同時爆炸，強大的沖擊力破壞了返回艙艙門的密封設備，導致返回艙內的空氣快速泄漏，3名宇航員不幸遇難。事后的調查發現，宇航員們在泄漏發生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“進步M-34號”貨運飛船與俄羅斯的“和平號”空間站對接。次日，“M-34號”飛船與“和平號”空間站暫時分離，準備進行一次對接試驗，以測試新的自動對接系統。在測試進行中，飛船意外與“和平號”空間站的“光譜”艙發生嚴重碰撞，導致“光譜”艙艙體外壁和與其相連的太陽能電池板發生嚴重損壞，“和平號”空間站內的氣體快速從碰撞產生的裂口涌入太空。幸運的是，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，當時在“和平號”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，徹底關死了“光譜”艙的艙門，保全了空間站的其他部分。

國際空間站過去出現過兩次漏氣事件

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

當確定漏氣事故所處的艙段后，宇航員們會使用手持式超聲波掃描設備對艙段的外壁進行掃描。在泄漏點所在的位置，向艙外涌出的空氣會給出與其他位置不同的超聲波信號特征，從而能讓宇航員們發現。實際上，這個技術并非為太空飛行特別研發，而是已經廣泛應用于地面上的日常工作中。宇航員們使用的手持式探測器，也是市面上能夠輕松買到的產品。

2004年的漏氣事件，漏點最終在“命運”號實驗艙的一個舷窗上被發現。舷窗上用以平衡氣壓的一個U形管與舷窗連接位置的密封出現了漏洞。這個問題實際上是宇航員們日積月累的習慣性操作造成的。當他們在這個舷窗附近活動時，會“順手”把U形管當成扶手，長時間的拉扯造成了漏氣的出現。不過，問題的責任并不在宇航員，因為艙段的設計制造人員并沒有標注這個U形管不允許拉扯，而舷窗附近也確實沒有可以供他們抓握的專門扶手。事后，有關技術人員修正了這個設計缺陷，除了送來新的U形管供替換外，還專門在舷窗附近增設了扶手。

而2018年8月的漏氣事件，則可能是一場人為引起的事故。經過相似的查找過程后，宇航員們發現漏氣點位于幾個月前剛剛來訪的MS-09號“聯盟”飛船的軌道艙，那里的外壁上出現了一個直徑約為2毫米的洞。一開始，人們懷疑這個洞是由于微流星體或者太空垃圾的撞擊所產生的。在國際空間站的運行過程中，曾經多次采取軌道機動，規避密集的太空垃圾。然而，進一步的調查發現，此次出現的洞并非外部撞擊造成，而是有人用鉆頭鉆開的。在太空的失重環境中，使用鉆頭是一件相當困難的事情。因此這個洞最有可能是在地面組裝的過程中，由于相關人員疏忽產生的。漏氣孔洞的制造者顯然意識到自己闖禍了，但是并沒有遵循正確的程序進行匯報，而是自行進行了質量低劣的修補。漏氣之所以在飛船發射到太空中兩個多月，與國際空間站對接后才被發現，很有可能是肇事者的修補在苦苦支撐。雖然俄羅斯航天局已經查明了事故的確切責任者，但該機構拒絕向外透露具體的信息。

確定漏點后，國際空間站的宇航員首先用膠帶對漏點進行了暫時的封堵，之后又利用環氧樹脂膠水和紗布對漏點進行了永久性的封堵。到MS-09號飛船完成任務、與國際空間站分離時，漏氣的問題都沒有再發生。而這種看起來并沒有太多技術含量的封堵措施，還被設計它的俄羅斯宇航企業申請了專利。

本次漏氣事件一年前就已發現

在國際空間站中，主要通過電解水的方式產生氧氣，補充宇航員們的消耗。在日常運行中，宇航員進行太空行走前氣閘艙的充氣放氣、來訪的載人及貨運飛船對接過程中的操作，都會釋放一定量的艙內氣體，進而導致艙內氣壓下降。因此，國際空間站會定期利用貨運飛船運來的氮氣氣體儲備，對艙內進行加壓操作。

2004年和2018年，國際空間站曾經出現過兩次漏氣事件。在這兩次事件中，宇航員們通過逐個關閉艙門的方式來縮小故障范圍，再尋找確切的故障點。

去年9月，負責國際空間站日常運行維護的人員發現，國際空間站艙內氣壓下降的速度比正常情況下要快，判斷國際空間站某個位置應該是出現了漏氣現象。不過，經過觀察后，技術人員認為漏氣的速度在可以容忍的范圍內，漏氣不會對宇航員的生命安全造成急迫的威脅，也不需要立即進行處理。在去年9月之后，國際空間站上安排了大量重要的工作：美國恢復載人航天飛行的首次任務，要由載人龍飛船和國際空間站共同完成。空間站上一個出現故障的暗物質探測器需要修復，空間站的供電系統需要升級一些部件。在完成這些任務之前，解決漏氣的工作無法展開。

今年8月，在經歷前期忙碌后，國際空間站迎來了一段相對清閑的時間。同時，目前也是國際空間站上乘員人數在一段時間內最少的時期，為解決漏氣問題創造了條件。8月20日，地面控制人員和宇航員們開始協同進行“查漏”的工作，美國國家航天局也對外發布了相關消息，這才使國際空間站持續了將近一年的漏氣問題進入大眾的視野。在查漏過程中，原來居住在國際空間站上的美國部分宇航員要先“搬家”，使所有宇航員都能集中到俄羅斯設計指導的一個艙段中。之后，宇航員們將各個艙段的艙門關閉，使各個艙段的內部空間相互隔離。通過監控每個艙段的氣壓數據，地面控制人員就能發現氣壓異常的那個艙段，從而縮小查漏的范圍。

新技術助力快速查漏堵漏

對于國際空間站或其他供宇航員長期在太空駐留的航天器來說，漏氣總是有可能出現的。目前，國際空間站上隔離各個艙段、確定漏氣艙段位置后，再使用手持式的超聲波監測儀尋找具體漏氣點的方式雖然有效，但效率較低。技術人員正在研發各種新技術，希望更快地找到漏氣點的位置。

美國國家航天局的蘭利研究中心正在試驗一種傳感器系統，希望能夠實現漏點位置的快速確定。這套系統在每個艙室內壁上安裝14個傳感器，通過壓敏轉換器分析艙室外壁的振動信號。一旦漏氣發生，通過各個傳感器獲取的振動信號間的交互分析，可以確定漏氣點與各個傳感器的相對位置。國際空間站上各類設備的運行會產生一定的噪音與振動，會對傳感器傳回的信號分析造成不小的干擾。因此研究人員致力于找出空間站運行背景噪聲的信號特征，在進行信號分析的過程中先行將背景噪聲去掉，從而更快、更準確地完成找漏任務。

在美國國家航天局的資助下，密歇根大學的研究人員研發了一種神奇的自修復材料，可以在國際空間站的外層保護殼被微流星或者太空垃圾擊中時，提供應急的即時修補。這種材料的結構與三明治類似，最外側是兩層固態的、比較堅硬的聚合物，兩層聚合物間夾著一層液態樹脂。一旦材料的外層被擊穿，液態樹脂將從材料內部涌出，而航天器內部泄漏出的氣體則會使樹脂像人的傷口結痂一樣，在材料外部凝固，將漏洞封堵住。實驗表明，液態樹脂的硬化過程最快只需要幾毫秒。

◎ 來源|北京日報