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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(lèi)似。俄方認為，很可能都是由外部撞擊引發(fā)的。

其實(shí)，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(dòng)力、極端溫度變化、噪聲、電磁干擾、振動(dòng)、流星體撞擊等各種因素影響，個(gè)別元器件容易發(fā)生故障，很難保證其在運行過(guò)程中不出問(wèn)題。更何況航天器往往由數十萬(wàn)乃至上百萬(wàn)個(gè)元器件組成，系統構成非常復雜，可靠性必然面臨嚴峻挑戰。

隨著(zhù)近年來(lái)各國發(fā)射航天器的數量迅速增長(cháng)，不斷嘗試各種新技術(shù)、新工藝，航天器的任務(wù)和結構日益復雜，遭遇的意外情況也越來(lái)越多。而運行在太空中的航天器無(wú)法返回地面修理，萬(wàn)一出現故障，傳統人工干預手段有限。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(shí)，爆炸螺栓出現異常，破壞了艙門(mén)密封設備，導致返回艙內的空氣快速泄漏，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入軌途中，外部燃料箱上的絕緣泡沫掉落，擊中左側機翼，導致密封失效且被監控團隊忽視。航天飛機再入大氣層時(shí)，高溫氣體竄入機翼內部并引發(fā)一系列故障，導致航天飛機解體，7人遇難。

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

近期，?？繃H空間站的俄羅斯飛船連續發(fā)生泄漏事件，引起外界擔憂(yōu)。去年12月，聯(lián)盟MS-22載人飛船遭到微流星體撞擊，太陽(yáng)翼附近出現了直徑約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)現密封失效，溫度調節系統發(fā)生故障。

聯(lián)盟MS-22載人飛船遭到微流星體撞擊后出現的小孔按常理來(lái)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(mén)對此非常重視。

針對2艘飛船的事故調查仍未結束，俄方技術(shù)人員將在地面進(jìn)行故障復現，以便驗證分析，并制定針對性應對措施，提高飛船的防護性和可靠性。接下來(lái)，聯(lián)盟MS-23載人飛船會(huì )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、迅速處置。這方面經(jīng)驗最豐富的應該是國際空間站上的航天員，而根據故障的具體情況，處置方式也大不相同。

遭遇漏氣險情時(shí)，國際空間站的航天員會(huì )逐個(gè)關(guān)閉艙門(mén)，縮小故障范圍。艙段任何位置一旦出現孔洞，從泄漏點(diǎn)向艙外涌出的空氣就會(huì )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備，迅速掃描艙段外壁，確定泄漏點(diǎn)。2004年，航天員曾在命運號實(shí)驗艙的舷窗上發(fā)現泄漏點(diǎn)，確認是平衡氣壓的U型管與舷窗連接位置密封失效。

分析認為，該U型管未標注“不許拉扯”，舷窗附近也沒(méi)有另設扶手，于是航天員在附近活動(dòng)時(shí)往往隨手拉一下U型管，造成變形松脫，日積月累，導致漏氣。后來(lái)，國際空間站更換了U型管，又在舷窗附近增加專(zhuān)用扶手。

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

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

相比載人航天器，無(wú)人航天器一旦出故障，主要會(huì )造成經(jīng)濟損失，而這些故障是否值得修是個(gè)問(wèn)題。姑且不說(shuō)基本不可能開(kāi)展后續維修的深空探測器，單就近地軌道無(wú)人航天器而言，無(wú)論是派遣航天員，還是發(fā)射機器人去維修，代價(jià)可能都要超過(guò)發(fā)射備份。

隨著(zhù)多功能小衛星受到青睞，“修不如造”的觀(guān)念很可能更加普遍。當然，如果是特殊的、價(jià)值重大的無(wú)人航天器遭遇故障，派人上天維修還是有必要的。

在航天飛機時(shí)代，每次飛行都承擔著(zhù)修理任務(wù)，畢竟它可運送7名航天員，配備有機械臂和各種修理設備，堪稱(chēng)理想的“太空診所”。

數十年間，航天員們挽救了很多重要航天器，最著(zhù)名的就是哈勃望遠鏡，共經(jīng)歷過(guò)5次維修，確保其在軌30多年來(lái)保持良好的工作狀態(tài)?？上Т蠖鄶禑o(wú)人航天器沒(méi)這么好的“待遇”，主要依靠部件冗余設計和系統重構控制模式來(lái)努力排除故障。其出現簡(jiǎn)單故障時(shí)，地面工程師通過(guò)遙控指令和上注數據，進(jìn)行備份部件切換、系統工作模式切換、修改重要控制參數等操作，力爭修好無(wú)人航天器。如果其遭遇復雜故障，很可能無(wú)法挽救。

隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步，無(wú)人航天器異常泄漏未必等于“死刑”。航天器工作壽命結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星和加油衛星，本質(zhì)上是儲存燃料、攜帶零部件和修理工具的太空機器人，可以提供在軌維修、加注服務(wù)。

衛星對接開(kāi)展在軌維修、補加工作示意圖

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

新技術(shù)保障安全

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展后，各國航天積累了大量經(jīng)驗教訓，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(shí)，隨著(zhù)新技術(shù)和新材料應用，航天器故障檢測和自我修復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(kāi)發(fā)了新式漏氣檢測技術(shù)，通過(guò)在空間站艙段內壁上安裝一整套傳感器系統，分析艙段異常振動(dòng)信號。如果空間站出現泄漏情況，各傳感器捕獲、匯總信號，可以快速精確定位泄漏點(diǎn)。

據公開(kāi)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(kāi)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，其中一項重要內容是泄漏碰撞檢測系統試驗。

我國新一代載人飛船試驗船返回艙實(shí)物

該碰撞泄漏檢測系統由1臺主機和8個(gè)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(huì )產(chǎn)生聲波，系統根據聲波到達各傳感器的時(shí)間差，可以計算出碰撞或泄漏的位置；根據聲波能量大小，能夠判斷碰撞及泄漏程度。通過(guò)實(shí)時(shí)感知航天器結構的微小變化，系統迅速排查故障隱患，并提供解決方案，保障航天員生命安全。

在自我修復方面，智能自修復材料已成為航天研究重點(diǎn)。這種材料借鑒了壁虎等生物自我修復的原理，采用空心纖維，模擬“血管”通道，將兩種互不反應的液體制作成“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(huì )及時(shí)破裂，兩種液體流出并滲入裂紋，隨后與周邊結構發(fā)生化學(xué)反應，實(shí)現材料自愈合，最終實(shí)現航天器結構損傷自修復。

美國科研人員正在研究另一種用于航天器外層保護的自修復材料，采用3層結構，外側兩層是固態(tài)、堅硬的聚合物，中間夾層是液態(tài)樹(shù)脂。當太空碎片擊穿航天器外殼后，液態(tài)樹(shù)脂從材料內部涌出，同時(shí)航天器內泄漏的氣體將使樹(shù)脂迅速凝固，封堵漏洞，其硬化過(guò)程最快只需數毫秒，有望實(shí)現應急即時(shí)修補。

展望未來(lái)，隨著(zhù)新材料和新技術(shù)不斷應用，航天器將更加安全可靠，幫助人類(lèi)飛向更遙遠的宇宙深空。（作者：楊詩(shī)瑞）

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