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“高大上”的国际空间站漏气了,竟然用这种“土”方法

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果壳 2021-01-21 19:07

众所周知,太空中的环境接近真空,人无法在这样的环境中生存。为了给宇航员提供一个安全舒适的环境,载人航天器内的气压一般维持在与海平面相近的状态,这使宇航员即使身处距离地面数百公里的太空中,也能畅快地呼吸。而为了不让宝贵的气体像气球泄气般涌出舱外,加压的舱体必须保持密封。

但再精密的系统也难免出现疏漏,目前唯一可以供宇航员长期在太空驻留的航天器——国际空间站前不久又双叒漏气了。

漏气发生了不用慌,拖一年再修也没事

在国际空间站庞大的躯体中,可供宇航员工作、居住的是加压舱室。在日常运行中,地面控制人员会通过传感器传回的信号对各个舱段的气压水平进行监视。一旦发现气压出现异常下降,就会判定为正在发生漏气。不过,除了意外发生的漏气事件外,国际空间站日常的运行也会损失一些气体。例如,宇航员每次进行舱外活动前气闸舱的充气放气、载人和货运飞船来访时的对接,都会不可避免地损失一些气体,导致舱内气压下降。为了补充损失、维持气压,国际空间站会利用货运飞船运来的氮气瓶,不定期的对舱内进行加压操作。

因此,即便发生了漏气情况,如果漏气的速度不是很快,国际空间站也不用急着去修,反正隔三差五就要再充点气,到时候再把漏出去的气补上就好了。

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国际空间站丨Wikipedia

最近国际空间站修补的漏洞,差不多拖延了一年才开始着手维修。去年9月,运行人员怀疑国际空间站某个位置出现了漏气现象。不过,经过评估,技术人员认为漏气的速度不会对宇航员的生命安全造成急迫的威胁,因此不需要立即处理。2019年9月之后,国际空间站被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。这些工作的优先级都比堵住一个漏气速度不快的漏洞更高。而且,在执行这些工作的过程中,舱内气压会不可避免地出现波动。因此,在完成这些任务之前,查漏工作也无法开展。

2020年8月,在经历前期的忙碌后,国际空间站迎来了一段相对清闲的时间。日程表上没有什么重要的活动,同时在空间站工作的宇航员人数也达到了一段时间内的最低点。于是,地面控制人员和宇航员们终于决定不再拖延,开始了查漏工作。直到此时,NASA才对外发布相关的消息:那个不知道出现在什么地方的漏点,已经和宇航员们“和平相处”了将近一年。

找漏使用排除法,一点一点找漏洞

在一般人看来,空间站这种高大上的东西漏气了,理应用充满“科技感”的方式排查漏气点。然而实际上,国际空间站排查漏气的方式相当的“原始”:宇航员们将各个舱段的舱门关闭,使各个舱段内部的空间相互隔离。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。

在2020年检查国际空间站漏气的过程中,所有宇航员都集中到俄罗斯设计制造的一个舱段中,为此原本居住在国际空间站上的部分宇航员还进行了一次“搬家”。经过一段时间的检查后,9月底宇航员们基本确认漏气位置处于俄罗斯制造的星辰号服务舱。

因为查漏而搬家的宇航员丨Roscosmos

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。泄漏点所在的位置,向舱外涌出的空气会给出与其它位置不同的超声波信号特征,从而能被超声波扫描仪探测到。实际上,这个技术并非为太空飞行特别研发,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,也能在市面上轻松买到。

不过,这样寻找漏点的方式相当费时费力。目前,NASA的兰利研究中心正在试验一种传感器系统,这套系统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振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,实现漏气点位置的快速确定。

浇水布条堵漏洞,虽然简单但有效

漏气的位置找到了,就要开始想办法“打补丁”。2018年,国际空间站上曾发生过一次严重的漏气事件。经过一番排查后,宇航员们最终确定漏点出现在联盟MS-09飞船的外壁上。这艘飞船当时正对接在国际空间站上,用于在地面和空间站间摆渡宇航员。

对接在国际空间站上的联盟飞船丨NASA

起初,人们认为这个直径2毫米的洞可能是微流星体或者太空垃圾撞击产生的。但经过调查,技术人员确信联盟号飞船上导致漏气的小洞并非意外产生,而是在飞船组装过程中,某个工人因为某种原因人为用电钻钻出的。具有讽刺意味的是,为了掩盖自己的过失,他使用某种粘合剂对这个孔洞进行了封堵。但由于它使用的粘合剂性能不佳,在进入太空一段时间后逐渐失效,才让漏气发生。

发现漏气的罪魁祸首后,宇航员亚历山大·格拉汉姆尝试用手堵住了这个洞,并取得了成功(理论上,他的皮肤此刻和太空的环境进行了直接接触,也许是第一个完成这个“壮举”的人)。然而,宇航员人力堵漏总不是解决的办法。接下来,宇航员们使用聚酰亚胺薄膜材料制成的Kapton胶带对漏洞进行封堵。不要小看Kapton材料,由于Kapton材料在低温下仍然能够保持良好绝缘、保温和抗漏性质,因此被广泛应用在航天器部件上

阿波罗登月计划中,宇航员们在完成月球任务、返回地球时,需要借助登月舱上升段发动机产生的推力由月球表面进入太空之中。而在登月舱上升段底部,就使用了镀铝的Kapton材料以隔绝发动机工作时产生的热量。詹姆斯-韦伯太空望远镜遮阳板也应用了Kapton材料。2020年发现的俄罗斯星辰号实验舱的漏点,宇航员们同样使用Kapton胶带进行了封堵。

联盟号飞船外壁上上导致漏气出现的孔洞丨Science Alert

不断发展的堵漏“新”方法

虽然Kapton材料性能优越,但是用胶带把漏洞堵上的办法也只是一种过渡性的临时措施。俄罗斯航天工业企业RSC Energia提出一种永久性的漏洞修补的方法,该方法已经成功堵住了2018年漏气事故中联盟飞船的漏洞。

这种行之有效的方法也没有太多的“科技感”。宇航员们使用浸渍有粘合剂(俗称胶水)的布来做“塞子”,塞进导致漏气的空洞中。如果有必要,可以在塞子推入孔洞后再在外面多涂几层粘合剂,彻底封堵漏洞。当然,为了应对太空中的特殊环境,封堵过程中使用的粘合剂是名为“Germetall”的特制粘合剂。目前,RSC Energia已经为这种布条+高性能粘合剂的堵漏方式申请了专利。

先进的新堵漏方法也在不断发展。在NASA的资助下,密歇根大学的研究人员研发了一种自修复材料,当国际空间站的外层保护壳被微流星或者太空垃圾击中时,能够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向人的伤口结痂一样,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。

虽然空间站的堵漏方法,听起来略显“土气”且容易操作,但实际上,空间站的修复工作危险重重,宇航员们会遇到许多突发情况,稍有不慎还会危及生命。

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