航天飞行事故:空间站漏气了!

Space Exploration - - 太空探索 - 文/ 钱卫

2018 年 8月底,运行在近地轨道上的国际空间站发生了一次前所未有的险情——对接在站上的联盟MS-09飞船轨道舱漏气了。虽然问题很快得到了解决,航天员的生命安全和空间站的运行也没有受到什么影响,但漏气是因为轨道舱上一个人为孔洞引发的。这在空间站运行历史上还是第一次,由此引发了全世界的关注。

问题出现的前前后后

漏气问题是在8 月 29日出现的。休斯顿和莫斯科的飞行控制中心同时发现,空间站的气压正在下降。根据气压分布,断定问题出在俄罗斯飞船上。不过问题并不严重,控制中心甚至没有发出警报,叫醒熟睡中的航天员们。

需要指出的是,漏气问题在联盟MS-09发射、入轨和对接初期是不存在的。MS-09是在 2018 年6 月6日发射,6月8日对接在国际空间站上的。到发现漏气的时候,已经过去了两个多月。

当时,国际空间站上一共对接了三艘飞船,都是来自俄罗斯,分别是进步MS-09货运飞船和联盟MS-08、联盟 MS-09载人飞船。其中进步MS-09对接在“探索”舱底部,联盟MS-08对接在“探索”舱顶部,联盟MS-09对接在“晨曦”舱上。

经过反复排查,俄罗斯航天员赛盖尔·波罗科帕耶夫在联盟 MS-09飞船的轨道舱上发现了一个两毫米直径的小孔。他当机立断,用手指堵住了小孔,然后队友奥利格·奥特姆耶夫用环氧树脂和胶带堵住了这个小孔,完成了修理。

地面人员事后分析说,如果不对这个孔采取任何措施,它会在18天后把国际空间站里的空气全部漏光。

空间站里失去的氧气怎么办呢?美国宇航局与俄罗斯航天局经过商议,动用进步MS-09上的氧气储备来补充。这件事到这里似乎就算结束了。

事后,美国航天员斯科特·科里出来平息大家的情绪。他说,我们在过去 20年里被陨石或者太空垃圾打中过无数次,这是一个必须引起重视的严重问题。他还赞扬了乘组的修复工作。空间站自身也发生过很多次小故障,所以这只是一件小事,大家洗洗睡吧。

然而航天质量无小事,特别是国际空间站这种大型载人综合体。任何微小的疏忽都会导致整个型号失败,甚至导致人员伤亡。这在航天史上并不是什么罕见的事情。因此,美俄双方的航天机构都对这件事高度重视。主管航天事务的俄罗斯副总理罗戈津说:“这事关俄罗斯能源火箭和航天联合体的荣誉,他们有责任找到事故原因。查清这是无心之过还是故意为之,无论是在天上发生的还是在地球上发生的。”

对正在建设空间站的中国来说,这次事故的原因和各方的应对,特别是乘组在发现问题后的抢修模式,或许是一个值得学习和借鉴的案例。

舱壁结构与材料

联盟飞船是三舱式飞船,和神舟飞船一样,从前到后分别是轨道舱、返回舱和推进舱。其中,轨道舱前端装有 对接机构。在航天事业发展早期,当空间站还不存在的时候,轨道舱是航天员执行空间科学实验任务的场所。神舟飞船还需要在轨道舱前段装一个附加段,来提供更多实验机会。到了空间站时代,轨道舱就完全成为承载对接机构和运输货物的舱段了。由于它不需要返回,也不需要在空间长期载人运行,因此不像返回舱和空间站其他舱段那么厚实。至少,它的外面没有那么厚的隔热层和烧蚀材料层。所以,在它的舱壁上打个洞 也不算太难。

而且,如果不用电钻,而是使用螺丝刀这样的手工工具,或许更容易在联盟的轨道舱壁上打个洞。这听起来很荒诞,但实际情况就是如此。

首先要知道,宇宙飞船不是潜水艇,它必须用密度很小的金属来制造,而且材料不可能太厚。具体到联盟飞船来说,除了框架之外,它的壳体其实非常薄。

现有的联盟飞船防陨石冲击标准

是在 2012年开始使用的,比此前的标准更高。第一个采用这个标准的是联盟30S飞船。考虑到美国航天员也要乘坐联盟飞船上天和返回,因此美国对联盟飞船的安全问题也非常重视。联盟飞船一共有两个载人舱,其中轨道舱比较脆弱,因此美国宇航局约翰逊飞行中心用 模拟联盟飞船轨道舱的外壁进行了弹道冲击试验。这份试验报告,透露了联盟飞船的舱壁结构和材料使用情况。

联盟飞船舱壁是一层1.9 毫米厚的AMG6铝合金,它与屏蔽层的间隔是15毫米。屏蔽层的基底是一层0.5 毫米厚的AMG6铝板,但均匀打孔来减 重;上面是50层铝塑复合薄膜,再向外是一层玻璃纤维,然后是一层0.2 毫米厚的铝板,向外是一层同样的玻璃纤维,再是较薄的铝塑复合薄膜,最外侧是一层玻璃纤维。屏蔽层主要是为了挡住宇宙射线和保温,不能起到气密的作用,并不需要把屏蔽层也打出洞来就可以漏气。

美国人用来模拟联盟飞船舱壁的实验品,结构和材料与真品差不多,但略有不同。首先是2毫米厚的舱壁,用5466铝合金制成。间隔15毫米处是屏蔽层。屏蔽层的结构非常复杂,它的基底是一层0.5毫米厚的6061-T6铝板,上面是20层铝塑复合薄膜,再向外是一层7781玻璃纤维,然后又是一层0.5毫米厚的 6061-T6 铝板,然后是一层同样的 7781玻璃纤维,再是较薄的铝塑复合薄膜,最外侧是一层BETA蒙布。

5466铝合金是一种很常见的铝合金,中国的很多民营企业都可以生产并且大量出口。虽然这些产品未必能达到宇航标准,但至少为我们提供了一种关

于联盟飞船舱壁强度的参考。根据其中一家企业的出口文件,5466铝板的抗拉强度是 220兆帕以上,屈服强度是113兆帕以上,在造船、航空等很多领域都得到了广泛应用。

那么,它能挡住微流星和太空垃圾吗?约翰逊中心的测试结论让人肝胆俱裂。用来模拟陨石和太空垃圾的有三种物体,塑料、铝和不锈钢。至少,不锈钢弹丸可以把屏蔽层和舱壁一起打穿。铝弹丸和塑料弹丸至少可以打穿屏蔽层。所以,即使没有人为造成的孔洞,为空间站提供一种应急修补手段也是必要的。

在不考虑陨石冲击的情况下,这样薄的铝板能保持住舱内气压吗?实际上,国际空间站内的气压是一个标准大气压,联盟飞船内的气压也是如此。飞船壳体不需要像潜水艇那样承受恐怖的压力,因此两毫米的铝板完全够用了。

一个身体健康的人如果拿着一把尖利的螺丝刀,用力凿几下,完全可以在两毫米厚的铝板上凿出一个洞来。这比用电钻容易太多了。

修补材料和工具

空间碎片有时也会打坏空间站的外壁。2016年,英国航天员提姆·匹克发布了一张照片,向大家揭示了小小的空间碎片会造成什么后果。

这也是两位俄罗斯航天员为什么能娴熟淡定地把小孔堵上的原因——两人早就有充分的心理准备,而且受过相当多的训练了。

根据发布的新闻,两位航天员用环氧树脂胶水和胶带堵住了这个洞,国际空间站安全了。这是什么神奇的胶水和胶带,居然能够封堵宇宙飞船的漏洞?其实,它们不但不神秘,而且可以在电商网站上买到。

环氧树脂胶水

首先说胶水。环氧树脂胶水是一种常见的材料。它的用途几乎无处不在,在电商网站上,只要花几十元就可以买到一套。从这个角度说,两位航天员用来堵漏的环氧树脂,成本可能只有几分钱。环氧树脂可以用于耐高温金属的胶 接,其工作温度为-50 ~ +180℃,短时可达+250℃。作为在屏蔽层内部使用的材料,这样的温度范围是完全够用的。

不过,使用环氧树脂存在着一个问题。它并不是从软管里挤出来就可以用的,而是分成主料和固化剂,也叫做A剂和B剂。要把这两种成分混合之后,涂到所需位置。在常温下,它需要2~6小时才能固化,24小时后方可承受载荷,10天后完全凝固。国际空间站内部温度不算太低,但在失重条件下,必须想办法让树脂固定保持在孔洞里,不要飞散,这就需要用到胶带了。

聚酰亚胺胶带

他们使用的胶带,叫做kapton 聚酰亚胺胶带,是美国杜邦公司发明的产品。其中最贵的款式每卷10厘米宽、33米长,在国内电商网站上也只不过卖 500多元一卷。

聚酰亚胺是综合性能最佳的有机高分子材料之一,耐高温达400℃以上,热分解温度达600℃,在- 269℃

的液态氦中不会脆裂,长期使用温度范围 -200 ~ 300℃。也就是说,它即使暴露在宇宙空间里也能工作,而且它的抗拉强度、抗冲击强度都非常高,用来堵这个小洞是很轻松的。特别需要指出,聚酰亚胺是自熄性聚合物,即使遇到火灾,它也不会助燃,而且发烟率低。另外,聚酰亚胺在极高的真空下放气量很少,非常适合宇航环境。

用聚酰亚胺制成的胶带高绝缘、耐高温、低温、耐酸碱、低电解、良好机械性能、耐磨擦、抗撕裂,特殊粘剂处理,粘着力强,是胶带中的劳斯莱斯。在航空和电子行业,这种胶带都得到了广泛使用。国际空间站里准备一些kapton胶带应急,是情理之中。

普通商品就能解决空间站的问题,或许是很多人想不到的。其实美国宇航局早在航天飞机时代后期就发现了这件事。哥伦比亚号因为隔热瓦破裂而解体失事后,美国宇航局就在设法寻找一种在轨修补隔热瓦的手段。基本的思路,就是航天员出舱行走,用刷子、刮板等工具把修补剂填补到裂缝中。而这些工具都是从超市里直接买来的,在空间环境中照样能正常使用。

其实,除了“枪把式工具”这样的特制品,多数太空工具的构造和地球上的工具差不多。这也体现了人类在工程技术发展上的传承性。

等到宇航技术有了进一步发展,航天飞行也成为普通人能够享受的业务时,从民用市场乃至消费市场上购买器材和零件的事情将更加广泛而不足为奇。

美俄关系背景下的事故影响

最近一些年来,美俄关系一直非常微妙。乌克兰内战以来,美俄之间互相攻击,政治对立非常严重。双方已经开始了实质性的军事准备。航天作为国家战略中最重要的部分之一,对政治风向的变化也非常敏感。例如俄罗斯向美国出口的 RD180发动机就是个明显的例子。但国际空间站作为载人设施,一直被双方小心翼翼地对待。从政府到航天界,都尽量不让国际空间站的运行受到干扰。不过即使如此,在涉及国际空间站未来和费用的问题上,美俄也存在着很大的矛盾。

首先是联盟飞船的票价问题,由 于俄方一再涨价,美国宇航局和国会早就非常不满。所以在航天飞机退役之后,美国宇航局大力推动自主飞船研制。到2020年前后,美国将拥有三种可以载人进入国际空间站的飞船,而且设计指标都比联盟飞船要高得多。

其次是国际空间站寿命问题,美国政府已经决定,把它运行到2024 年后。之后是继续由政府出资维持,还是转为商业空间站,尚且没有一个定论。但美国宇航局肯定不会再把近地轨道载人活动作为重点,而是要转向地月空间、月球、小行星和火星。

在这种局面下,只能载 3人、只能抵达近地轨道的联盟飞船,处境其实是非常尴尬的。美国宇航局在研的“猎户座”、波音公司的“星际航线”、太空探索公司的“载人龙”都可以载6人。如果按照国际空间站现有人员配置,美国一家就可以解决自己再加上欧洲、日本等国的天地往返问题。除了俄罗斯自

己,谁都不需要联盟飞船了。而且“猎户座”是一种星际飞船,不但可以往返国际空间站,还可以登月、登小行星、登火星,让联盟飞船望尘莫及。而且以俄罗斯的财力,短期内不可能拿出与之相当的型号来。

面对严峻的美俄关系,俄罗斯也试图用联盟飞船来将美国一军。前不久,俄罗斯方面传出消息,到2019 年就不再搭载美国航天员上天了。这个消息并没有得到广泛讨论,但很明显,俄罗斯赌的是美国新飞船不会那么顺利就研制出来并且投入使用。如果俄罗斯不提供飞船,美国将面临一个更严重的空白期,航天员完全没有手段进入太空。

但这次联盟飞船的事故,却把石头砸在了俄罗斯的脚上。如果能源联合体失去了对质量的控制能力,不能保证后续飞船的安全运行,那么就算不考虑政治因素,美国、欧洲和日本也不见得敢于继续让自己的航天员搭乘联盟飞船。毕竟,美国已经牺牲过多名航天员了。

这是不是一个偶然事故,能源联合体是不是能如同过去那样,继续提供质量稳定、飞行可靠的飞船,不但将决定俄罗斯航天事业的声誉,也将决定2019年之后国际空间站的运行模式。如果美国飞船研制顺利而俄罗斯飞船质量下滑,那么俄罗斯在国际宇航合作中的地位将严重下滑,往日荣光将蒙上一层阴影。★

▲ 航天员们发布了一条窟窿已经被补好的消息,但后来撤回了

▲ 联盟 MS-09 的任务徽章

▲ 联盟 MS-09的乘组,注意胸口的第57次任务组标志

▲ 航天员在联盟MS-09上发现的窟窿(小的那个)

▲ 高分子材料的防护层更是不堪一击

▲ 模拟太空垃圾很容易就打穿了模拟的联盟轨道舱舱壁

▲ 联盟 MS-09上天时,正值世界杯,航天员们在足球上签名留念

▲ 补好以后的窟窿

▲联盟 MS-09向国际空间站对接口靠近的情景

▲国际空间站上的联盟MS-09(左)和联盟MS-08(右)

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