太空飛行器在太空噴火能加速嗎（載人太空飛行器漏氣）

2023-09-13 05:31:04 7

近日，美國國家航天局和俄羅斯航天集團先後在其官方網站上表示，由於國際空間站上的美國艙段出現了空氣洩漏的情況，因此已經指揮空間站上的三名太空人全部在俄羅斯艙段集中，同時著手尋找潛在的洩漏點。目前最新消息是三名太空人結束了在俄羅斯艙段的隔離生活，但並未宣布找到漏氣點。

載人太空飛行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後果。而快速查漏補漏，也是新技術研發的努力方向。我們約請航天學博士李會超和讀者聊聊關於載人太空飛行器漏氣的那些事兒。

問：歷史上發生過哪些載人太空飛行器氣體洩漏事件，是否造成了嚴重後果？

答：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。在距離地面數百公裡的太空軌道中，地球大氣的密度已經十分稀薄，到了接近於真空的程度。要讓太空人在這樣的環境中生存，太空飛行器必須對艙內的氣體進行加壓，使太空飛行器內部的氣壓達到接近於海平面附近氣壓的程度。這樣，太空人們就能舒適地在太空飛行器內工作生活了。

在科幻題材的電影中，常有太空艙突然出現破裂，湧出的空氣將艙內的物品甚至太空人一起捲入太空之中的場景。在載人太空飛行器的發展歷史上，艙內氣體洩漏事件也曾多次發生，有些還造成了十分嚴重的後果。

1971年，前蘇聯的「聯盟11號」飛船在完成與「禮炮1號」的對接任務後返回地球，在再入大氣層過程中發生意外。在軌道艙與返回艙分離時，本應前後啟動的爆炸螺栓同時爆炸，強大的衝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洩漏，三名太空人不幸遇難。事後的調查發現，太空人們在洩漏發生40秒後就被奪去了生命，幾乎來不及採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中湧入太空。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」上工作的俄羅斯太空人眼疾手快，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。

問：國際空間站過去出現過漏氣事件嗎？

答：國際空間站是目前唯一可以供太空人長期在太空駐留的太空飛行器，日前披露的事件已經不是國際空間站第一次出現氣體洩漏問題。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，太空人們通過逐個關閉艙門的方式來縮小故障範圍，再尋找確切的故障點。

當確定漏氣事故所處的艙段後，太空人們會使用手持式超聲波掃描設備對艙段的外壁進行掃描。在洩漏點所在的位置，向艙外湧出的空氣會給出與其他位置不同的超聲波信號特徵，從而能讓太空人們發現。實際上，這個技術並非為太空飛行特別研發，而是已經廣泛應用於地面上的日常工作中。太空人們使用的手持式探測器，也是市面上能夠輕鬆買到的產品。

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型管與舷窗連接位置的密封出現了漏洞。這個問題實際上是太空人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型管當成扶手，長時間的拉扯造成了漏氣的出現。不過，問題的責任並不在太空人，因為艙段的設計製造人員並沒有標註這個U型管不允許拉扯，而舷窗附近也確實沒有可以供他們抓握的專門的扶手。事後，有關技術人員修正了這個設計缺陷，除了送來新的U型管供替換外，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後，太空人們發現漏氣點位於幾個月前剛剛來訪的MS-09號「聯盟」飛船的軌道艙，那裡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於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，曾經多次採取軌道機動，規避密集的太空垃圾。然而，進一步的調查發現，此次出現的洞並非外部撞擊造成，而是有人用鑽頭鑽開的。在太空的失重環境中，使用鑽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，由於相關人員疏忽產生的。漏氣孔洞的製造者顯然意識到自己闖禍了，但是並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，與國際空間站對接後才被發現，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。

確定漏點後，國際空間站的太空人首先用膠帶對漏點進行了暫時的封堵，之後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。而這種看起來並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。

問：此次國際空間站漏氣事件是怎麼發現的？

答：在國際空間站中，主要通過電解水的方式產生氧氣，補充太空人們的消耗。在日常運行中，太空人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。

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，經過觀察後，技術人員認為漏氣的速度在可以容忍的範圍內，漏氣不會對太空人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月之後，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，在經歷前期忙碌後，國際空間站迎來了一段相對清閒的時間。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，地面控制人員和太空人們開始協同進行「查漏」的工作，美國國家航天局也對外發布了相關的消息，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美國部分的太空人要先「搬家」，使所有太空人都能集中到俄羅斯設計指導的一個艙段中。之後，太空人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，從而縮小查漏的範圍。

2020年5月31日，國際空間站的太空人與龍飛船上的太空人相聚場景。

國際空間站的三名駐守太空人。圖片來自美國航天局網站

問：解決載人太空飛行器的查漏堵漏問題，目前是否有新的技術進展？

答：對於國際空間站或其他供太空人長期在太空駐留的太空飛行器來說，漏氣總是有可能出現的。目前，國際空間站上隔離各個艙段、確定漏氣艙段位置後，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震動信號。一旦漏氣發生，通過各個傳感器間獲取的震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幹擾。因此研究人員致力於找出空間站運行背景噪聲的信號特徵，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，密西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湧出，而太空飛行器內部洩露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。