空間站老化，一個(gè)棘手的問(wèn)題

文/ 杜駿豪

不論是當(dāng)前的國(guó)際空間站，還是曾經(jīng)的和平號(hào)空間站，都存在超期服役的情況。和平號(hào)空間站初期的設(shè)計(jì)使用年限為5年，但是實(shí)際上使用了15年之久。1998年國(guó)際空間站第一個(gè)模塊“曙光號(hào)”功能貨艙發(fā)射，當(dāng)時(shí)的空間站設(shè)計(jì)壽命為10~15年，然而它直到今天還在正常運(yùn)作，甚至俄羅斯的“科學(xué)號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙依舊停留在地面生產(chǎn)階段。如今俄羅斯與美國(guó)有計(jì)劃把國(guó)際空間站的使用年限后延至2030年，可謂“老驥伏櫪，志在千里”。

▲ 依然在地面測(cè)試的俄羅斯科學(xué)號(hào)實(shí)驗(yàn)艙，這個(gè)艙段的拖延癥可真不輕

▲ 國(guó)際空間站哥倫布艙

▲ 2019年全面掃描發(fā)現(xiàn)的微型撞擊坑

空間站的老化是空間站建設(shè)者不得不面對(duì)的棘手問(wèn)題。如何使用有限的資金盡量減緩空間站部件的老化速度是空間站設(shè)計(jì)之初就要考慮的。截至當(dāng)前，蘇聯(lián)的禮炮號(hào)空間站、和平號(hào)空間站以及國(guó)際空間站等長(zhǎng)期運(yùn)行的載人空間站，先后出現(xiàn)過(guò)密封性能老化、能源設(shè)備老化、維生設(shè)備老化、生活設(shè)備老化等一系列棘手問(wèn)題。

密封性能老化

▲ 膠帶被譽(yù)為“國(guó)際空間站最佳工程工具”

空間站的氣密性，理論上并非越嚴(yán)密越好。實(shí)際上適當(dāng)?shù)臍怏w外泄率有助于空間站內(nèi)新鮮氣體的動(dòng)態(tài)更新。艙內(nèi)保溫設(shè)備、電子設(shè)備會(huì)放出有毒有害氣體，甚至航天員放屁所含的硫化氫都會(huì)積攢。若是空氣再生系統(tǒng)不能定向清除某種有毒氣體，在密不透風(fēng)的空間站內(nèi)富集，對(duì)航天員的身體會(huì)產(chǎn)生危害。因此空間站一般都會(huì)規(guī)定一個(gè)漏氣閾值，只有氣體外泄速率高于此值時(shí)才會(huì)加以人為控制。

▲ 被撞擊后的“光譜號(hào)”，注意右下角破損的太陽(yáng)能帆板

隨著使用年限的提高，空間站密封性能會(huì)逐漸降低。主要的影響因素有不斷地出入日照區(qū)與地影區(qū)，熱脹冷縮造成結(jié)構(gòu)緊密性降低，另加長(zhǎng)時(shí)間宇宙輻射、太陽(yáng)輻射的侵襲使材料變質(zhì)老化，以及不可避免的太空微隕石的撞擊。

2016年，國(guó)際空間站穹頂艙遭遇了一塊毫米級(jí)隕石的撞擊，在玻璃表面留下了一個(gè)肉眼可見(jiàn)的撞擊坑。倘若這枚隕石是厘米級(jí)別就完全可以擊碎空間站外壁。

2019年，歐空局對(duì)國(guó)際空間站上哥倫布科學(xué)實(shí)驗(yàn)艙外壁展開(kāi)了一次全面掃描，令人震驚的是外表面發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)撞擊坑，大者有幾毫米。雖然一個(gè)小坑并不會(huì)對(duì)空間站的氣密性產(chǎn)生太大影響，但是有二十余年高齡的空間站外壁水滴石穿，累積下來(lái)會(huì)對(duì)空間站氣密性產(chǎn)生肉眼不可見(jiàn)的影響。這是空間站氣密性逐年衰退的主要原因。

除了整體氣密性的降低，空間站偶爾也會(huì)出現(xiàn)幾次較大規(guī)模的漏氣現(xiàn)象，漏氣速度是平時(shí)外泄速度的幾倍，這是一些肉眼可見(jiàn)的裂縫造成的。國(guó)際空間站分別在2004年、2018年和2020年發(fā)生了3次較大規(guī)模的漏氣。2018年的漏氣成因是一個(gè)直徑2毫米的洞，2020年漏氣的成因是一條長(zhǎng)2.2厘米、寬0.1毫米的縫隙。在2020年年底的漏氣現(xiàn)象中，國(guó)際空間站內(nèi)氣壓每天都會(huì)降低約50 帕斯卡，每天大約泄漏氣體200克。

空間站漏氣的補(bǔ)洞工作堪比大海撈針。首先空間站體積及表面積龐大，尋找僅僅發(fā)絲大小的孔洞并不容易；其次空間站內(nèi)各種儀器設(shè)備遍布，尋找漏洞的過(guò)程紛繁復(fù)雜。空間站補(bǔ)漏的第一步是將各艙段間的艙門封閉，通過(guò)隔離法判斷漏氣的艙段，縮小搜索范圍。在將漏氣點(diǎn)鎖定在某個(gè)艙段后，航天員要使用各種方法尋找漏氣孔洞的位置。在2020年的補(bǔ)洞任務(wù)中，航天員成功地通過(guò)判斷茶葉的飛行方向鎖定了漏氣點(diǎn)。在成功找到漏氣縫隙后，修補(bǔ)方法非常簡(jiǎn)單，也非常樸素——先拿膠帶貼住，再進(jìn)一步用特制膠水堵住。

能源設(shè)備老化

空間站的能源管理主要包括三點(diǎn)，一是能源獲取，二是能源貯存，三是熱控平衡?？臻g站的主要能量來(lái)源是太陽(yáng)能電池帆板，能源貯存系統(tǒng)主要為鋰離子電池、鎳氫電池等可充電電池，熱控平衡的主要設(shè)備是伸展在外的散熱板。這三者在使用過(guò)程中老化問(wèn)題均非常普遍。

圖示法的一項(xiàng)典型應(yīng)用為‘?dāng)?shù)位’概念的解釋.當(dāng)引入個(gè)、十、百、千等數(shù)位時(shí)，用不同維數(shù)的條條、塊塊等圖象可以使概念直觀，如下圖代表數(shù)字1365，圖示法確有幫助.

能源獲取方面，太陽(yáng)能電池帆板本身質(zhì)地就相對(duì)脆弱，且一直暴露在宇宙輻射與太陽(yáng)輻射中，同時(shí)遭受空間隕石碎片的干擾，因此老化問(wèn)題非常顯著。據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用硼硅酸鹽玻璃面板的太陽(yáng)能板每年的效率會(huì)降低5~10%。和平號(hào)空間站在發(fā)射后的第10年（1995年），太陽(yáng)能電池帆板發(fā)電功率便嚴(yán)重退化，這使工程師不得不更改了當(dāng)年發(fā)射的“光譜號(hào)”的有關(guān)設(shè)計(jì)：把太陽(yáng)能電池帆板從兩塊增加到四塊。在發(fā)射后，“光譜號(hào)”將為和平號(hào)空間站提供約一半的電能。

有些意料之外的事件也會(huì)加速空間站部件的損耗。好景不長(zhǎng)，1997年6月25日，進(jìn)步-M34貨運(yùn)飛船與和平號(hào)空間站在進(jìn)行對(duì)接測(cè)試時(shí)發(fā)生碰撞，剛剛上天兩年的“光譜號(hào)”功能貨艙被嚴(yán)重?fù)p壞，直接導(dǎo)致“和平號(hào)”永久關(guān)閉了這個(gè)艙段。同時(shí)關(guān)閉的還有太陽(yáng)能電池帆板，這使得“和平號(hào)”損失了將近一般的電能。直到同年8月，航天員太空行走嘗試修復(fù)太陽(yáng)能電池帆板，最終使整個(gè)空間站電力供應(yīng)恢復(fù)到碰撞前的70%。

▲ “光譜號(hào)”增加了斜向的兩片太陽(yáng)能山帆板，這一設(shè)計(jì)看起來(lái)顯得格格不入

▲ 擁有8塊大型太陽(yáng)能電池帆板陣列的國(guó)際空間站，總面積大致相當(dāng)于一個(gè)足球場(chǎng)

▲ 2007年11月3日，STS-120任務(wù)的航天員斯科特·帕拉津斯基進(jìn)行了7小時(shí)19分鐘的太空行走，以修理?yè)p壞的太陽(yáng)能電池板

國(guó)際空間站的太陽(yáng)能電池帆板歷經(jīng)多次發(fā)射與組裝，目前共有8塊大型太陽(yáng)能電池帆板陣列，共計(jì)32800塊太陽(yáng)能電池單位。在這些電池的生命之初，共計(jì)可以產(chǎn)生248千瓦的電能。歷經(jīng)多次大型維護(hù)與維修，如今只能產(chǎn)生160千瓦的電能，衰減明顯。2021年1月11日，美國(guó)宇航局宣布將對(duì)這些陣列進(jìn)行升級(jí)改造，以確保該空間站至少在2030年前有足夠的電力繼續(xù)運(yùn)行。該局計(jì)劃在2021年末使用太空探索技術(shù)公司龍貨運(yùn)飛船將第一批次的升級(jí)太陽(yáng)能電池帆板帶到國(guó)際空間站。這些太陽(yáng)能電池帆板將安裝在現(xiàn)有的八個(gè)太陽(yáng)能陣列中的六個(gè)上，覆蓋舊的陣列，使整個(gè)電源系統(tǒng)的發(fā)電功率達(dá)到215千瓦。

▲ 國(guó)際空間站被拆除的老化鎳氫電池組

▲ 破損的散熱板

能源貯存方面，空間站均配備有大型的可充電電池組。常規(guī)的空間站位于近地軌道，大約90分鐘環(huán)繞地球一圈，其中接近一半時(shí)間處于地球陰影中，只能依靠電池組供電。電池組在日照區(qū)接受太陽(yáng)能電池帆板充電，在陰影區(qū)則為空間站放電。就像手機(jī)使用幾年后電池續(xù)航能力會(huì)下降一樣，頻繁的充放電也會(huì)使空間站的電池循環(huán)穩(wěn)定性降低。國(guó)際空間站早年使用鎳氫電池，設(shè)計(jì)壽命僅6.5年，在軌期間這種電池因老化被多次更換。

2020年6月27日，美國(guó)航天員克里斯·卡西迪和鮑勃·貝肯按照計(jì)劃進(jìn)行了6個(gè)多小時(shí)的太空行走，使用新型的鋰離子電池代替了“茍延殘喘”的舊電池，預(yù)計(jì)新型的鋰離子電池可以一直使用到2030年。

熱控平衡主要是指的空間站內(nèi)各種儀器設(shè)備的熱平衡。在空間站運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，如果沒(méi)有溫度控制，空間站朝太陽(yáng)一側(cè)的溫度將飆升至121℃，而黑暗一側(cè)的溫度則將降至－157℃。不同于在地球大氣中可以通過(guò)空氣傳熱，在真空中運(yùn)行的空間站只能另辟蹊徑。國(guó)際空間站的熱控制系統(tǒng)在寒冷深邃的太空與熾熱的太陽(yáng)之間保持了微妙的平衡，誠(chéng)然，這個(gè)無(wú)時(shí)無(wú)刻不在運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)也會(huì)老化。

▲ “和平號(hào)”起火后燒焦的面板

▲ 和平號(hào)空間站火災(zāi)產(chǎn)生大量煙霧當(dāng)天，航天員不得不佩戴防毒面罩

熱控系統(tǒng)的核心是向外伸展的散熱板，一般其閉環(huán)回路含有使用機(jī)械泵輸送的液態(tài)氨。液態(tài)氨在不斷的流動(dòng)中可以維持空間站的熱平衡，而最容易出問(wèn)題的地方也在這里。2010年8月上旬，兩個(gè)外部冷卻回路之一發(fā)生故障，使國(guó)際空間站熱控能力損失一半，經(jīng)過(guò)分析問(wèn)題似乎出在使氨冷卻循環(huán)的氨泵模塊中，發(fā)生故障的氨泵在STS-135任務(wù)期間帶回地球，以進(jìn)行根本原因故障分析。后來(lái)航天員經(jīng)過(guò)多次太空行走才成功更換了新的氨泵。2013年5月9日，有航天員報(bào)告說(shuō)看到小的白色薄片從空間站的桁架邊飛過(guò)。經(jīng)過(guò)分析和外部攝像機(jī)圖像證實(shí)了氨冷卻液發(fā)生了泄漏。航天員經(jīng)過(guò)多次太空行走才成功定位并拆除、更換了發(fā)生泄漏的閥門。

▲ 2011年7月8日，航天員在國(guó)際空間站的星辰號(hào)服務(wù)艙中與俄羅斯電子氧氣發(fā)生器系統(tǒng)合影

維生設(shè)備老化

保障航天員的生命安全是載人航天的第一要義。在外太空中，擁有密閉環(huán)境的空間站為航天員提供了適宜生存的氣相組成、舒適的溫度和較為自由的活動(dòng)空間。但是一旦出現(xiàn)故障，除了這一層屏障外別無(wú)他選?？臻g站外真空的環(huán)境會(huì)使航天員體液瞬間沸騰而亡，直接暴露在宇宙射線下也足以致命。隨著空間站使用年限的增加，維生設(shè)備老化問(wèn)題也日益突出。

1982年，美國(guó)宇航局計(jì)算了航天員每天正常生活涉及的物資：攝入836克氧氣、3077克水和618克食物，排出1000克二氧化碳、3331克汗、尿和200克大便。在國(guó)際空間站，環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)（ECLSS）負(fù)責(zé)調(diào)控這些維生需求。

雞蛋不能放在同一個(gè)籃子里。對(duì)于航天員每日呼吸所需的氧氣，不論是國(guó)際空間站還是和平號(hào)空間站均提供了多種不同的氧氣來(lái)源：從氧氣罐中直接排出氧氣，使用化學(xué)氧氣生成系統(tǒng)（SFOG）制備氧氣，或使用氧氣發(fā)生系統(tǒng)（OGS）電解水制備氧氣。一旦其中一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，還有其他系統(tǒng)可以補(bǔ)救。

適當(dāng)?shù)目諝饬魍ㄅc氣體成分更新在一定程度上也能減緩空間站的老化，和平號(hào)空間站就深受污濁空氣中微生物繁殖嚴(yán)重腐蝕空間站零件的困擾。

▲ 國(guó)際空間站“寧?kù)o號(hào)”內(nèi)的廁所

化學(xué)氧氣生成系統(tǒng)又名固體燃料制氧機(jī)，一般含有高氯酸鋰，1升高氯酸鋰可以為一個(gè)人提供24小時(shí)的氧氣。1997年2月，“和平號(hào)”量子-1模塊的化學(xué)制氧機(jī)發(fā)生故障。帶著濃煙的火焰燃燒了大約90秒，阻斷了前往聯(lián)盟號(hào)飛船的逃生路線。航天員使用了3個(gè)滅火器才將火撲滅，幸運(yùn)的是沒(méi)有人員受傷。由于火災(zāi)毀壞了設(shè)備，無(wú)法確定事故的最終原因。盡管如此，美國(guó)宇航局仍認(rèn)為它是最好的制備氧氣系統(tǒng)，并在隨后的國(guó)際空間站上使用了這套系統(tǒng)。然而這套制氧系統(tǒng)在2004年和2005年接連發(fā)生故障，航天員們不得不啟用飛船上的氧氣罐維生。

除了供氧，清除空間站中的有害氣體也是重中之重。國(guó)際空間站空氣再生系統(tǒng)可以除去二氧化碳和微量污染物。包括可以除去二氧化碳的組件CDRA，除去有害痕量污染物的組件TCCS，同時(shí)使用主要成分分析儀MCA來(lái)監(jiān)測(cè)氮?dú)?、氧氣、二氧化碳、甲烷、氫氣和水蒸汽等氣體含量。在2012年、2013年，二氧化碳清除組件CDRA連續(xù)多次發(fā)生了故障，一次是因?yàn)闇囟葌鞲衅靼l(fā)生故障，一次是因?yàn)殚y門老化。航天員不得不中斷手頭的工作對(duì)這些老化設(shè)備進(jìn)行維修。

▲ 博物館展出的“和平號(hào)”使用的馬桶

▲ 解體的“和平號(hào)”

生活設(shè)備老化

俗話說(shuō)人有三急，在空間站金貴的空間中行方便之事可沒(méi)有在地球上容易。最大的問(wèn)題就在于空間站中人處于失重狀態(tài)，排泄物不能自然下墜，只會(huì)亂飛。航天員如廁時(shí)，必須使用限位器將自己固定在馬桶圈上，固體廢物將被類似于吸塵器的風(fēng)扇抽氣系統(tǒng)吸走，存儲(chǔ)于鋁制容器的袋子中，液體廢物則被收集進(jìn)一個(gè)20升的容器內(nèi)。如你所想，衛(wèi)生間設(shè)備出現(xiàn)故障非常令航天員頭疼。

國(guó)際空間站有兩個(gè)常備衛(wèi)生間，分別位于俄羅斯“星辰號(hào)”服務(wù)艙和美國(guó)“寧?kù)o號(hào)”節(jié)點(diǎn)艙，均由俄羅斯設(shè)計(jì)制造，單個(gè)成本接近2000萬(wàn)美元。除此之外，與空間站對(duì)接的聯(lián)盟號(hào)載人飛船也可以提供備用廁所，只是容量較小，不到萬(wàn)不得已不會(huì)啟用。

2008年5月21日，“星辰號(hào)”已有7年歷史的馬桶發(fā)生了故障，氣固分離器泵出現(xiàn)問(wèn)題，航天員只能使用“手動(dòng)模式”收集尿液。機(jī)組人員試圖更換各種零件，但于事無(wú)補(bǔ)。直到發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)在當(dāng)年6月2日帶來(lái)了替換泵才解決了航天員的心頭之患。

2019年2月7日，“寧?kù)o號(hào)”內(nèi)的馬桶漏水導(dǎo)致近10升液體溢出到零重力環(huán)境中，航天員不得不用毛巾吸取漫天飛舞的混雜著尿液的液滴。2019年11月28日，國(guó)際空間站兩個(gè)廁所一度全部無(wú)法使用，航天員不得不使用特制的紙尿布，十分難堪。

2020年10月5日，為了進(jìn)一步改善航天員的生活環(huán)境，并為接下來(lái)的重返月球任務(wù)做測(cè)試，美國(guó)宇航局向國(guó)際空間站運(yùn)送了價(jià)值2300萬(wàn)美元的新馬桶。它的原理與老馬桶相似，是老馬桶小大的65%，輕大約40%。同時(shí)，新馬桶耐用性能有所提升，接下來(lái)幾年航天員應(yīng)該不需要再做那些尷尬又骯臟的工作了。

國(guó)際空間站也已到了暮年，即使美國(guó)和俄羅斯宇航局想要把國(guó)際空間站縫縫補(bǔ)補(bǔ)續(xù)命到2030年，但國(guó)際空間站的各種性能也日薄西山了。