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如何解决国际空间站的漏气问题?

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国际空间站(ISS)漏气这件事,就像一个住在豪华别墅里的人,发现某个角落一直有微弱的冷风吹进来,虽然不至于立刻致命,但确实是个让人头疼的问题。而且,这还是一个在真空环境中运行的精密空间站,所以解决起来可比家里修个窗户要复杂多了。

首先,要明白为什么会漏气。

想象一下空间站,它是在距离地球几百公里外一个完全真空的环境里航行的。所以,一旦有缝隙,里面的空气就会往外跑,而外面的真空则会“挤”进来。这种漏气并非一日之寒,也并非某个单一事件造成的。它可能是由多种因素累积和造成的:

长期运行的磨损: 空间站已经在太空中漂泊了二十多年了,就像一个使用了很久的机器,各种材料难免会因为长期的温差变化、微流星体的撞击、甚至是宇航员日常活动(比如开关舱门、操作设备)造成的细微损耗,积累起来就可能产生微小的裂缝或孔洞。
微流星体和太空垃圾的撞击: 尽管空间站有防护层,但微小的太空尘埃和碎片以极高的速度在轨道上飞行,它们就像无数细小的砂砾,长期下来也可能对空间站的外壳造成微小的损伤,形成肉眼难以察觉的漏气点。
连接处的密封性问题: 空间站是由多个舱段连接起来的,这些连接处涉及复杂的对接机制和密封圈。即使是再精密的工程,也可能因为长年的连接与分离、材料老化等原因,在密封方面出现一些小瑕疵。
舱内设备的影响: 某些舱内设备在运行过程中,可能会对周围的材料产生微小影响,例如某些化学物质的挥发,或者长期震动导致的材料疲劳。

那么,怎么解决这个问题呢?这可不是简单地打个玻璃胶那么回事。

解决国际空间站的漏气问题,是一个系统性的、需要多方协作的工程,主要可以分为几个层面来理解:

第一步:定位“病灶”——找出漏气点在哪里

这是最关键也最困难的一步。在太空中,你不能拿着放大镜到处找。宇航员们会采用一些专业的方法:

压力监测: 通过监测空间站内部各舱段的压力变化,可以初步判断漏气发生的区域。如果某个舱段的压力下降速度比其他地方快,那么问题很可能就出在这个舱段。
空气采样和分析: 宇航员会采集不同区域的空气样本,并进行分析。有时候,漏气点周围的空气成分可能会有细微的变化,或者会发现某些特殊的痕迹。
使用专业检测设备: 有些检测设备可以利用惰性气体(比如氦气)或者特定颜色的示踪气体,注入到可能漏气的区域,然后通过传感器来检测气体的外泄。不过,这种操作在太空中风险较高,需要非常谨慎。
听觉判断(非常规但有效): 在某些情况下,经验丰富的宇航员甚至会凭借听觉来判断。如果在某个舱段附近能听到非常细微的“嘶嘶”声,可能就说明有空气在往外漏。这有点像你在黑暗中听水管漏水的声音一样。
视觉检查(如果有条件): 如果漏气点比较明显(比如有可见的裂缝或孔洞),宇航员会进行目视检查。但大多数漏气点都是肉眼难以发现的微小问题。

第二步:堵住“漏洞”——进行修复

一旦找到了漏气点,接下来的任务就是进行修复。修复方法根据漏气点的大小、位置以及对空间站的影响程度而定:

舱内修复(优先选择):
使用专用密封材料: 对于一些小的、在舱内可以接触到的漏气点,宇航员会使用类似于航空级的特种密封胶、密封带或者修补片进行修补。这些材料需要在极端温度和真空环境下依然保持密封性能。
更换受损部件: 如果漏气点集中在某个特定的密封圈、阀门或者连接件上,那么最直接有效的办法就是将其更换。这需要宇航员进行精密的舱内舱外操作。
舱段隔离: 如果某个舱段的漏气非常严重,或者一时无法修复,最极端的办法就是将这个舱段暂时隔离,通过关闭舱门来阻止空气继续流失。当然,这会影响空间站的可用空间和功能。

舱外修复(难度最大,风险最高):
太空行走(EVA): 这是最常见也是最艰难的舱外修复方式。宇航员需要穿上厚重的宇航服,进行数小时的太空行走。他们会携带专用的工具和修补材料,直接在空间站外部进行操作。
使用外用修补材料: 针对舱外的一些微小损伤,可能会使用专门的外部修补剂、金属板或者结构加强件来覆盖和封闭漏气点。这些材料需要能够承受太空的严酷环境,包括辐射、温度变化和微流星体撞击。
机器人辅助: 在某些情况下,如果漏气点位于非常难以到达的区域,或者宇航员进行太空行走风险过高,机器人机械臂(如Canadarm2)可能会被用来辅助进行检查或进行简单的修补操作。

第三步:持续监测和预防

修复工作完成后,并不是一劳永逸的。

加强监测: 宇航员和地面控制中心会继续密切监测空间站的整体压力和各个舱段的压力变化,确保修复有效,并且没有新的漏气点出现。
改进设计和维护: 地面团队会根据这次漏气事件的经验,分析原因,并可能对空间站未来的维护计划进行调整,例如加强某些区域的检查频率,或者在未来设计新舱段时考虑使用更耐用的材料或改进连接方式。

举个例子来说明其复杂性:

想象一下,如果在某个对接舱与实验舱的连接环上发现了一个微小的漏气点。宇航员首先要通过压力读数判断大概是哪个区域。然后,他们可能需要执行一次太空行走。在太空行走中,他们需要小心翼翼地接近那个区域,身上挂着各种工具,每一步操作都可能因为失重而改变姿态。他们可能需要先用特制的清洁剂清理漏气点周围的太空尘埃,然后涂抹一种能够在真空中快速固化的特殊密封胶,或者用一种预先切割好的金属“创可贴”覆盖在上面,再用特殊的胶水固定。整个过程可能需要好几个小时,而且必须精确无误,因为任何一个小失误都可能导致更大的问题。

所以,国际空间站的漏气问题,归根结底是人类在极端环境下进行精密工程所面临的挑战。它考验的是宇航员的技能、地面的技术支持、以及科学研究的不断进步,来确保这个漂浮在太空中的家园能够安全稳定地运行。

网友意见

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一句话:用胶带。

泄露第一步:做好撤退准备

气体泄漏,在太空中是个很严重的事件。

当发现气压下降时,首先会自动触发空间站的C&W报警系统(Caution and Warning Tool),系统会迅速计算出降到最低安全气压490mmHg前的剩余时间Tres。如果Tres过短,那么大部分宇航员直接去联盟号飞船避难,那里有完整的一套救生系统,万不得已可以弃站飞回地球。

大多数情况下Tres没那么致命,毕竟空间站有400多立方,而2020这一次的失压速度大概是每8小时1毫米汞柱到每小时4毫米汞柱(对温度敏感),也就是Tres数值差不多是十几天到几十天的样子。这时就可以分段关闭舱门,把空间站隔成一个个独立的小房间,通过加压测试看看到底是哪个房间模块出了问题。通常只要很短的时间就能确定模块,然后宇航员就会拿出“超音波气体检漏仪”来找到精确的位置。

听音辨位

那怎么找到那个泄露点呢?

我们知道,就像马桶里的漩涡一样(嗯,也不太一样),泄漏的气体在通过小孔时也会产生涡流,有涡流就会有振动,尤其是超声波波段。超声波检测仪就是用这个原理来探测气体泄漏点的。超音波检漏仪把超声波转换成人耳听得见的声音,越接近泄漏点,耳机里的声音越清晰。这样就可以让宇航员听到这个大号的“充气娃娃”哪里在漏气。

但是2020年这一次,超声波检漏仪没查出来。一方面可能孔洞不理想所以声音不明显,另一方面是这个泄露舱是苏联的Zvezda(Звезда,星辰)模块,里面有噪声较大的热控泵和固体氧气发生器等一连串的设备,这就像在KTV里听诊一样,很难听到细微的脉相。星辰号的噪音问题由来已久,导致宇航员在舱内不得不使用耳塞。[1]

目前宇航员还尝试通过在舱内放置细纸条和塑料条、塑料袋甚至塑料薄膜,并借助GoPro摄像机来分析寻找漏气点。但一无所获。空间站俄罗斯段的飞行负责人弗拉基米尔·索洛维约夫认为,此次空气泄漏量“极小”,有可能是个只有0.6-0.8毫米的孔洞或裂纹。

用什么堵洞?

一旦发现泄漏或刺穿处,会根据受影响的表面,选择不同类型的贴剂。如果洞比较大,宇航员就会按照手册规定,用一个带密封圈的圆形贴片吸在空洞上形成初始密封,然后再打上粘合剂以使密封永久化。如果涉及到舱外焊接,可能还会找个电焊师傅出舱干活。

但很多情况下,这个贴片并不好用。主要是因为很多情况下孔洞所处的表面并不平整。比如2018年的那个2毫米的洞,正好在一个转折面上,无法用那么大的O形贴来处理。

那怎么办?直接用胶带来解决就完事儿了!几乎可以粘附在任何物体上的胶带,能相当完美的解决各种小漏气问题。

救命的胶带

那空间站的宇航员用的是什么胶带?事实上,每个航天局都有自己喜欢的胶带。目前国际空间站有两种类型的胶带供宇航员选择。一种被称为灰胶带或银胶带(Gray tape),就是地球上水暖工用来粘风管的那种普通duct tape强力胶布。

另一种是Kapton阻燃金胶带(又名聚酰亚胺胶带,或金手指胶带),是一种耐高温、耐腐蚀、还绝缘的电工胶带。性能比灰胶带更好,机械强度也更高,表面也更光滑,和ABS等材料有着很好的粘合度。而它的亲戚聚酰亚胺多层隔热材料(MLI),也是很多人造卫星设备呈现金色外表的原因。

这两种胶带都能在地球上的大型五金店或某宝买到,价格也很便宜。至于具体的品牌,NASA因为不想轻易成为赞助商而选择保密。其它各宇航局也对他们选用的太空胶带进行广泛测试,确保不会产生任何漏气现象或在恶劣的外部环境中发生性能退化。

这两种胶带各有优缺点,至于选用哪个来处理,具体要看任务指挥官的心情。国际空间站第一批载人任务“Expedition 1(远征一号)”的首次飞行中,任务控制中心就曾要求宇航员用Kapton胶带代替灰胶带来解决问题,因为灰胶带可能会留下残留物。性子一向很和气的任务指挥官比尔·谢泼德(Bill Shepherd)按照要求操作后,直接了当的表达了他对这个指令的反对意见:“用灰胶带只要花5分钟的时间,而用Kapton胶带花了我40分钟!”

不论怎样,用胶带这样简单易操作的方法,看似疯狂却能有效地保护宇航员的生命。

解锁更多用法

除了用来补洞,在太空中胶带还有很多的用法。除了众所周知的阿波罗13号宇航员用胶带和袜子等制作过滤器从而解决了二氧化碳窒息问题以外,它还能帮助宇航员把脚固定在地板上:

Skylab空间站有一种特殊的网格地板,宇航员可以穿一种特制的带有三角插件的鞋套让自己在固定的位置保持长时间稳定而不漂走。但是这种鞋套并不总能很好的配上所有宇航员的鞋。[2]于是宇航员就会用灰胶带把它固定在鞋子上,完美。

另外,还可以用来帮助烹饪。在空间站中烹饪一次可能得花上几个小时,因为即使是做饭时把厨余扔进垃圾桶都要花很长时间,失重的情况下,宇航员会把厨余粘在一长条胶带上,会节省不少时间。

或者帮助太空行走。1965年6月3日,美国宇航员爱德华·怀特(Edward H. White II)进行了美国太空史上的首次太空行走。他靠着腰间的一根细细的系绳与“双子座4号”飞船连接,而用于提供氧气、冷却工质、电力和通信等保障的25英尺长的脐带,就是用金胶带与23英尺长的系绳绑在一起,保证其尽可能整洁而不会绕在一起,分散宇航员注意力。

或者还可以用来固定桌子上的东西。在失重的情况下,桌子其实没什么放东西的作用。宇航员通常会把胶带转过来用有胶的一面朝外,再用灰胶带将其固定在桌子上(注意看那个勺子)

如果宇航员出现自杀倾向或精神病发作,按照官方手册[3],其他宇航员应立即用胶带将其手腕和脚踝绑住,方便在必要时注射镇静剂[4]

哦,对了,还能在月球上修车(毕竟那边暂还没有4S店)。[5]


参考

  1. ^ https://zh.wikipedia.org/wiki/星辰号服务舱
  2. ^ https://gizmodo.com/astronauts-have-done-so-so-much-with-duct-tape-and-ele-1711503831
  3. ^ http://www.octanecreative.com/ducttape/NASA/
  4. ^ based on an Associated Press report - 2/23/07
  5. ^ https://history.nasa.gov/alsj/WOTM/WOTM-DuctTape.html

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