版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)，請聯(lián)系我們

最近，俄羅斯進(jìn)步MS-21貨運飛船在脫離國際空間站前出現(xiàn)了泄漏跡象。

這次事故與去年底俄羅斯聯(lián)盟MS-22載人飛船的情況類似。俄方認(rèn)為，很可能都是由外部撞擊引發(fā)的。

其實，航天器意外泄漏的驚險案例不少，這其中各有哪些原因？科研人員和航天員又該如何采取針對性補救措施呢？

俄羅斯聯(lián)盟MS-22載人飛船冷卻劑泄露

意外泄露危險大

航天器工作環(huán)境惡劣，受到空間環(huán)境中的攝動力、極端溫度變化、噪聲、電磁干擾、振動、流星體撞擊等各種因素影響，個別元器件容易發(fā)生故障，很難保證其在運行過程中不出問題。更何況航天器往往由數(shù)十萬乃至上百萬個元器件組成，系統(tǒng)構(gòu)成非常復(fù)雜，可靠性必然面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

隨著近年來各國發(fā)射航天器的數(shù)量迅速增長，不斷嘗試各種新技術(shù)、新工藝，航天器的任務(wù)和結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，遭遇的意外情況也越來越多。而運行在太空中的航天器無法返回地面修理，萬一出現(xiàn)故障，傳統(tǒng)人工干預(yù)手段有限。其中，載人航天器一旦發(fā)生故障，有可能威脅航天員安全，引發(fā)災(zāi)難。

比如，1971年蘇聯(lián)聯(lián)盟11號飛船完成與禮炮1號空間站的對接任務(wù)后，返回地球途中，軌道艙與返回艙分離時，爆炸螺栓出現(xiàn)異常，破壞了艙門密封設(shè)備，導(dǎo)致返回艙內(nèi)的空氣快速泄漏，3名航天員不幸遇難。

再比如，2003年美國哥倫比亞號航天飛機(jī)入軌途中，外部燃料箱上的絕緣泡沫掉落，擊中左側(cè)機(jī)翼，導(dǎo)致密封失效且被監(jiān)控團(tuán)隊忽視。航天飛機(jī)再入大氣層時，高溫氣體竄入機(jī)翼內(nèi)部并引發(fā)一系列故障，導(dǎo)致航天飛機(jī)解體，7人遇難。

國際空間站供航天員長期駐留，已經(jīng)發(fā)生過多次高危險情。2018年8月，國際空間站出現(xiàn)氣體泄漏。航天員排查后發(fā)現(xiàn)，一艘俄羅斯載人飛船艙壁上有1個1.5毫米直徑的孔，如果不及時處理，空間站內(nèi)的氧氣可能在18天內(nèi)耗盡，恐引發(fā)致命后果。

近期，?？繃H空間站的俄羅斯飛船連續(xù)發(fā)生泄漏事件，引起外界擔(dān)憂。去年12月，聯(lián)盟MS-22載人飛船遭到微流星體撞擊，太陽翼附近出現(xiàn)了直徑約0.8毫米的小孔，冷卻劑泄漏殆盡，飛船失去載人能力。今年2月11日，進(jìn)步MS-21貨運飛船被發(fā)現(xiàn)密封失效，溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)生故障。

聯(lián)盟MS-22載人飛船遭到微流星體撞擊后出現(xiàn)的小孔按常理來講，成熟飛船接連發(fā)生事故的概率很小，所以俄羅斯航天部門對此非常重視。

針對2艘飛船的事故調(diào)查仍未結(jié)束，俄方技術(shù)人員將在地面進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)，以便驗證分析，并制定針對性應(yīng)對措施，提高飛船的防護(hù)性和可靠性。接下來，聯(lián)盟MS-23載人飛船會空載發(fā)射，接航天員回家，不容有失。

在軌補救方法多

載人航天器一旦發(fā)生故障而泄漏，危險極大，必須盡早發(fā)現(xiàn)、迅速處置。這方面經(jīng)驗最豐富的應(yīng)該是國際空間站上的航天員，而根據(jù)故障的具體情況，處置方式也大不相同。

遭遇漏氣險情時，國際空間站的航天員會逐個關(guān)閉艙門，縮小故障范圍。艙段任何位置一旦出現(xiàn)孔洞，從泄漏點向艙外涌出的空氣就會產(chǎn)生異常的超聲波信號特征，航天員需要使用手持式超聲波掃描設(shè)備，迅速掃描艙段外壁，確定泄漏點。2004年，航天員曾在命運號實驗艙的舷窗上發(fā)現(xiàn)泄漏點，確認(rèn)是平衡氣壓的U型管與舷窗連接位置密封失效。

分析認(rèn)為，該U型管未標(biāo)注“不許拉扯”，舷窗附近也沒有另設(shè)扶手，于是航天員在附近活動時往往隨手拉一下U型管，造成變形松脫，日積月累，導(dǎo)致漏氣。后來，國際空間站更換了U型管，又在舷窗附近增加專用扶手。

2018年，航天員發(fā)現(xiàn)俄羅斯聯(lián)盟飛船的艙壁上有泄漏點，決定采取緊急封堵措施：先用膠帶進(jìn)行暫時性封堵，之后使用環(huán)氧樹脂膠水和紗布進(jìn)行永久性封堵。

這些看似簡陋的手段效果不錯，直到該飛船與國際空間站分離，都沒再發(fā)生漏氣問題。

相比載人航天器，無人航天器一旦出故障，主要會造成經(jīng)濟(jì)損失，而這些故障是否值得修是個問題。姑且不說基本不可能開展后續(xù)維修的深空探測器，單就近地軌道無人航天器而言，無論是派遣航天員，還是發(fā)射機(jī)器人去維修，代價可能都要超過發(fā)射備份。

隨著多功能小衛(wèi)星受到青睞，“修不如造”的觀念很可能更加普遍。當(dāng)然，如果是特殊的、價值重大的無人航天器遭遇故障，派人上天維修還是有必要的。

在航天飛機(jī)時代，每次飛行都承擔(dān)著修理任務(wù)，畢竟它可運送7名航天員，配備有機(jī)械臂和各種修理設(shè)備，堪稱理想的“太空診所”。

數(shù)十年間，航天員們挽救了很多重要航天器，最著名的就是哈勃望遠(yuǎn)鏡，共經(jīng)歷過5次維修，確保其在軌30多年來保持良好的工作狀態(tài)?？上Т蠖鄶?shù)無人航天器沒這么好的“待遇”，主要依靠部件冗余設(shè)計和系統(tǒng)重構(gòu)控制模式來努力排除故障。其出現(xiàn)簡單故障時，地面工程師通過遙控指令和上注數(shù)據(jù)，進(jìn)行備份部件切換、系統(tǒng)工作模式切換、修改重要控制參數(shù)等操作，力爭修好無人航天器。如果其遭遇復(fù)雜故障，很可能無法挽救。

隨著技術(shù)進(jìn)步，無人航天器異常泄漏未必等于“死刑”。航天器工作壽命結(jié)束往往是因為燃料耗盡，于是一些國家和商業(yè)航天力量推出了修理衛(wèi)星和加油衛(wèi)星，本質(zhì)上是儲存燃料、攜帶零部件和修理工具的太空機(jī)器人，可以提供在軌維修、加注服務(wù)。

衛(wèi)星對接開展在軌維修、補加工作示意圖

2007年，美國發(fā)射首款無人化太空維修試驗航天器“軌道快車”。它由兩顆衛(wèi)星組成，一顆負(fù)責(zé)修理，另一顆是攜帶各種工具的貨艙。兩顆衛(wèi)星平時連接在一起，接到任務(wù)后，進(jìn)入目標(biāo)軌道，兩星分離，修理衛(wèi)星實施“手術(shù)”，貨艙提供各種零件或加注燃料，使故障衛(wèi)星恢復(fù)正常。

新技術(shù)保障安全

經(jīng)過多年發(fā)展后，各國航天積累了大量經(jīng)驗教訓(xùn)，航天器研制能力與技術(shù)水平不斷提升，可靠性與安全性得到保障。與此同時，隨著新技術(shù)和新材料應(yīng)用，航天器故障檢測和自我修復(fù)的能力也在不斷提高。

在故障檢測方面，美國針對國際空間站開發(fā)了新式漏氣檢測技術(shù)，通過在空間站艙段內(nèi)壁上安裝一整套傳感器系統(tǒng)，分析艙段異常振動信號。如果空間站出現(xiàn)泄漏情況，各傳感器捕獲、匯總信號，可以快速精確定位泄漏點。

據(jù)公開資料顯示，我國新一代載人飛船試驗船在2020年發(fā)射入軌，開展了高速再入返回、控制、回收等一系列關(guān)鍵技術(shù)試驗驗證，其中一項重要內(nèi)容是泄漏碰撞檢測系統(tǒng)試驗。

我國新一代載人飛船試驗船返回艙實物

該碰撞泄漏檢測系統(tǒng)由1臺主機(jī)和8個高靈敏度聲發(fā)射傳感器組成。碎片碰撞和艙體氣體泄漏等會產(chǎn)生聲波，系統(tǒng)根據(jù)聲波到達(dá)各傳感器的時間差，可以計算出碰撞或泄漏的位置；根據(jù)聲波能量大小，能夠判斷碰撞及泄漏程度。通過實時感知航天器結(jié)構(gòu)的微小變化，系統(tǒng)迅速排查故障隱患，并提供解決方案，保障航天員生命安全。

在自我修復(fù)方面，智能自修復(fù)材料已成為航天研究重點。這種材料借鑒了壁虎等生物自我修復(fù)的原理，采用空心纖維，模擬“血管”通道，將兩種互不反應(yīng)的液體制作成“血液”，儲存在材料中。一旦材料受到外力撞擊，產(chǎn)生裂紋缺陷后，部分“血管”會及時破裂，兩種液體流出并滲入裂紋，隨后與周邊結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)材料自愈合，最終實現(xiàn)航天器結(jié)構(gòu)損傷自修復(fù)。

美國科研人員正在研究另一種用于航天器外層保護(hù)的自修復(fù)材料，采用3層結(jié)構(gòu)，外側(cè)兩層是固態(tài)、堅硬的聚合物，中間夾層是液態(tài)樹脂。當(dāng)太空碎片擊穿航天器外殼后，液態(tài)樹脂從材料內(nèi)部涌出，同時航天器內(nèi)泄漏的氣體將使樹脂迅速凝固，封堵漏洞，其硬化過程最快只需數(shù)毫秒，有望實現(xiàn)應(yīng)急即時修補。

展望未來，隨著新材料和新技術(shù)不斷應(yīng)用，航天器將更加安全可靠，幫助人類飛向更遙遠(yuǎn)的宇宙深空。（作者：楊詩瑞）

歡迎掃碼關(guān)注深i科普！

我們將定期推出

公益、免費、優(yōu)惠的科普活動和科普好物！