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载人航天器“漏气”怎么办？真实情况比电影还惊险

近日 ， 美国国家航天局和俄罗斯航天集团先后在其官方网站上表示 ， 由于国际空间站上的美国舱段出现了空气泄漏的情况 ， 因此已经指挥空间站上的三名宇航员全部在俄罗斯舱段集中 ， 同时着手寻找潜在的泄漏点 。 目前最新消息是三名宇航员结束了在俄罗斯舱段的隔离生活 ， 但并未宣布找到漏气点 。
载人航天器漏气问题历史上不止一次发生 ， 有些还带来了十分严重的后果 。 而快速查漏补漏 ， 也是新技术研发的努力方向 。 我们约请航天学博士李会超和读者聊聊关于载人航天器漏气的那些事儿 。
载人航天器“漏气”怎么办？真实情况比电影还惊险
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问：历史上发生过哪些载人航天器气体泄漏事件 ， 是否造成了严重后果？
【载人航天器“漏气”怎么办？真实情况比电影还惊险】答：随着距离地面高度的增加 ， 空气密度和气压会变得越来越低 ， 人的呼吸也就会越来越困难 。 在距离地面数百公里的太空轨道中 ， 地球大气的密度已经十分稀薄 ， 到了接近于真空的程度 。 要让宇航员在这样的环境中生存 ， 航天器必须对舱内的气体进行加压 ， 使航天器内部的气压达到接近于海平面附近气压的程度 。 这样 ， 宇航员们就能舒适地在航天器内工作生活了 。
在科幻题材的电影中 ， 常有太空舱突然出现破裂 ， 涌出的空气将舱内的物品甚至宇航员一起卷入太空之中的场景 。 在载人航天器的发展历史上 ， 舱内气体泄漏事件也曾多次发生 ， 有些还造成了十分严重的后果 。
1971年 ， 前苏联的“联盟11号”飞船在完成与“礼炮1号”的对接任务后返回地球 ， 在再入大气层过程中发生意外 。 在轨道舱与返回舱分离时 ， 本应前后启动的爆炸螺栓同时爆炸 ， 强大的冲击力破坏了返回舱舱门的密封设备 ， 导致返回舱内的空气快速泄漏 ， 三名宇航员不幸遇难 。 事后的调查发现 ， 宇航员们在泄漏发生40秒后就被夺去了生命 ， 几乎来不及采取任何有效的挽救措施 。
1997年6月24日 ， 俄罗斯的“进步M-34号”货运飞船与俄罗斯的“和平号”空间站对接 。 次日 ， “M-34号”飞船与“和平号”空间站暂时分离 ， 准备进行一次对接试验 ， 以测试新的自动对接系统 。 在测试进行中 ， 飞船意外与“和平号”空间站的“光谱”舱发生严重碰撞 ， 导致“光谱”舱舱体外壁和与其相连的太阳能电池板发生严重损坏 ， “和平号”空间站内的气体快速从碰撞产生的裂口中涌入太空 。 幸运的是 ， 破损的太阳能电池板一部分插入了裂口中 ， 一定程度上降低了漏气的速度 。 同时 ， 当时在“和平号”上工作的俄罗斯宇航员眼疾手快 ， 迅速断开了“光谱”舱与空间站其他部分相连的线缆 ， 彻底关死了“光谱”舱的舱门 ， 保全了空间站的其他部分 。
问：国际空间站过去出现过漏气事件吗？
答：国际空间站是目前唯一可以供宇航员长期在太空驻留的航天器 ， 日前披露的事件已经不是国际空间站第一次出现气体泄漏问题 。 2004年和2018年 ， 国际空间站曾经出现过两次漏气事件 。 在这两次事件中 ， 宇航员们通过逐个关闭舱门的方式来缩小故障范围 ， 再寻找确切的故障点 。
当确定漏气事故所处的舱段后 ， 宇航员们会使用手持式超声波扫描设备对舱段的外壁进行扫描 。 在泄漏点所在的位置 ， 向舱外涌出的空气会给出与其他位置不同的超声波信号特征 ， 从而能让宇航员们发现 。 实际上 ， 这个技术并非为太空飞行特别研发 ， 而是已经广泛应用于地面上的日常工作中 。 宇航员们使用的手持式探测器 ， 也是市面上能够轻松买到的产品 。
2004年的漏气事件 ， 漏点最终在“命运”号实验舱的一个舷窗上被发现 。 舷窗上用以平衡气压的一个U型管与舷窗连接位置的密封出现了漏洞 。 这个问题实际上是宇航员们日积月累的习惯性操作造成的 。 当他们在这个舷窗附近活动时 ， 会“顺手”把U型管当成扶手 ， 长时间的拉扯造成了漏气的出现 。 不过 ， 问题的责任并不在宇航员 ， 因为舱段的设计制造人员并没有标注这个U型管不允许拉扯 ， 而舷窗附近也确实没有可以供他们抓握的专门的扶手 。 事后 ， 有关技术人员修正了这个设计缺陷 ， 除了送来新的U型管供替换外 ， 还专门在舷窗附近增设了扶手 。
而2018年8月的漏气事件 ， 则可能是一场人为引起的事故 。 经过相似的查找过程后 ， 宇航员们发现漏气点位于几个月前刚刚来访的MS-09号“联盟”飞船的轨道舱 ， 那里的外壁上出现了一个直径约为2毫米的洞 。 一开始 ， 人们怀疑这个洞是由于微流星体或者太空垃圾的撞击所产生的 。 在国际空间站的运行过程中 ， 曾经多次采取轨道机动 ， 规避密集的太空垃圾 。 然而 ， 进一步的调查发现 ， 此次出现的洞并非外部撞击造成 ， 而是有人用钻头钻开的 。 在太空的失重环境中 ， 使用钻头是一件相当困难的事情 。 因此这个洞最有可能是在地面组装的过程中 ， 由于相关人员疏忽产生的 。 漏气孔洞的制造者显然意识到自己闯祸了 ， 但是并没有遵循正确的程序进行汇报 ， 而是自行进行了质量低劣的修补 。 漏气之所以在飞船发射到太空中两个多月 ， 与国际空间站对接后才被发现 ， 很有可能是肇事者的修补在苦苦支撑 。 虽然俄罗斯航天局已经查明了事故的确切责任者 ， 但该机构拒绝向外透露具体的信息 。
确定漏点后 ， 国际空间站的宇航员首先用胶带对漏点进行了暂时的封堵 ， 之后又利用环氧树脂胶水和纱布对漏点进行了永久性的封堵 。 到MS-09号飞船完成任务、与国际空间站分离时 ， 漏气的问题都没有再发生 。 而这种看起来并没有太多技术含量的封堵措施 ， 还被设计它的俄罗斯宇航企业申请了专利 。
问：此次国际空间站漏气事件是怎么发现的？
答：在国际空间站中 ， 主要通过电解水的方式产生氧气 ， 补充宇航员们的消耗 。 在日常运行中 ， 宇航员进行太空行走前气闸舱的充气放气、来访的载人及货运飞船对接过程中的操作 ， 都会释放一定量的舱内气体 ， 进而导致舱内气压下降 。 因此 ， 国际空间站会定期利用货运飞船运来的氮气气体储备 ， 对舱内进行加压操作 。
去年9月 ， 负责国际空间站日常运行维护的人员发现 ， 国际空间站舱内气压下降的速度比正常情况下要快 ， 判断国际空间站某个位置应该是出现了漏气现象 。 不过 ， 经过观察后 ， 技术人员认为漏气的速度在可以容忍的范围内 ， 漏气不会对宇航员的生命安全造成急迫的威胁 ， 也不需要立即进行处理 。 在去年9月之后 ， 国际空间站上安排了大量重要的工作：美国恢复载人航天飞行的首次任务 ， 要由载人龙飞船和国际空间站共同完成 。 空间站上一个出现故障的暗物质探测器需要修复 ， 空间站的供电系统需要升级一些部件 。 在完成这些任务之前 ， 解决漏气的工作无法展开 。
今年8月 ， 在经历前期忙碌后 ， 国际空间站迎来了一段相对清闲的时间 。 同时 ， 目前也是国际空间站上乘员人数在一段时间内最少的时期 ， 为解决漏气问题创造了条件 。 8月20日 ， 地面控制人员和宇航员们开始协同进行“查漏”的工作 ， 美国国家航天局也对外发布了相关的消息 ， 这才使国际空间站持续了将近一年的漏气问题进入大众的视野 。 在查漏过程中 ， 原来居住在国际空间站上美国部分的宇航员要先“搬家” ， 使所有宇航员都能集中到俄罗斯设计指导的一个舱段中 。 之后 ， 宇航员们将各个舱段的舱门关闭 ， 使各个舱段的内部空间相互隔离 。 通过监控每个舱段的气压数据 ， 地面控制人员就能发现气压异常的那个舱段 ， 从而缩小查漏的范围 。
载人航天器“漏气”怎么办？真实情况比电影还惊险
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2020年5月31日 ， 国际空间站的宇航员与龙飞船上的宇航员相聚场景 。
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国际空间站的三名驻守宇航员 。 图片来自美国航天局网站
问：解决载人航天器的查漏堵漏问题 ， 目前是否有新的技术进展？
答：对于国际空间站或其他供宇航员长期在太空驻留的航天器来说 ， 漏气总是有可能出现的 。 目前 ， 国际空间站上隔离各个舱段、确定漏气舱段位置后 ， 再使用手持式的超声波监测仪寻找具体漏气点的方式虽然有效 ， 但效率较低 。 技术人员正在研发各种新技术 ， 希望更快地找到漏气点的位置 。
美国国家航天局的兰利研究中心正在试验一种传感器系统 ， 希望能够实现漏点位置的快速确定 。 这套系统在每个舱室内壁上安装14个传感器 ， 通过压敏转换器分析舱室外壁的震动信号 。 一旦漏气发生 ， 通过各个传感器间获取的震动信号间的交互分析 ， 可以确定漏气点与各个传感器的相对位置 。 国际空间站上各类设备的运行会产生一定的噪音与振动 ， 会对传感器传回的信号分析造成不小的干扰 。 因此研究人员致力于找出空间站运行背景噪声的信号特征 ， 在进行信号分析的过程中先行将背景噪声去掉 ， 从而更快、更准确地完成找漏任务 。
在美国国家航天局的资助下 ， 密歇根大学的研究人员研发了一种神奇的自修复材料 ， 可以在国际空间站的外层保护壳被微流星或者太空垃圾击中时 ， 提供应急的即时修补 。 这种材料的结构与三明治类似 ， 最外侧是两层固态的、比较坚硬的聚合物 ， 两层聚合物间夹着一层液态树脂 。 一旦材料的外层被击穿 ， 液态树脂将从材料内部涌出 ， 而航天器内部泄露出的气体则会使树脂像人的伤口结痂一样 ， 在材料外部凝固 ， 将漏洞封堵住 。 实验表明 ， 液态树脂的硬化过程最快只需要几毫秒 。


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