国际空间站太空中“修修补补”几十年

国外航天 · 2016-11-1 01:35:07

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核心提示：日前，有媒体报道，国际空间站在最近1个多月的时间内发生了两次故障。其中，发生在5月8日的电源通路故障直接导致了国际空间站停电和一部备用计算机损坏。美国宇航局官方表示正在调查原因，这些故障不会危害到航天员的安全。截至目前，国际空间站的一些基础设施已经在轨运行了16年，部分设备已经出现老化损伤的问题。结合近几年来国际空间站出现的问题，它能否延寿服役到2024年，着实令各国担忧。

建站之路漫漫长新舱段未到旧舱段老化空间站作为人类开拓太空领域的前哨基地，承载着人类对创造新世界的渴望，也是人类科学研究与工程技术完美结合的典范。无论是被誉为“人造天宫”的苏联/俄罗斯和平号空间站，还是今天凝聚了十几个国家科研人员心血与智慧的国际空间站，都是其中的佼佼者，也是人类的骄傲。不过，虽然和平号空间站以及国际空间站被称为“永久性空间站”，实际上它们是有一定寿命的。在寿命末期必须通过受控再入，返回大气层并销毁。这是因为空间站运行在低地球轨道，本质上来说是一种能够载人的大型卫星，而任何航天器都会随着在轨时间的增加而老化。特别是由于空间辐射的影响，空间站上的电子元器件会因为“总剂量效应”而出现各种故障，直至最终失效。而空间站上的各种材料，尤其是非金属材料，也会由于高能粒子、紫外辐照等因素逐渐性能退化，最终不能满足任务的要求。例如，以太阳能电池阵为主的能源系统，其光电转换效率会随着使用时间的增长而越来越低，就连用于存储这些电能的蓄电池，随着充放电次数的增加，其容量不断下降，最终也将难以满足空间站的用电需求。一般来说，空间站的设计寿命都很难满足其最初设定的使用要求。越是复杂的空间站，其建设时间超出预定计划的情况越严重。以和平号空间站为例，其最初的模块——核心舱在1986年就发射入轨，而最后一个大型模块——自然号试验舱，在1996年4月才发射入轨。整个建设过程拖延了10年的时间。国际空间站的情况更为严重，第一个模块—— 曙光号功能货舱在1998年就发射入轨，它的设计寿命在15年以上。但直到今天，16年过去了，原规划中国际空间站的最后一个模块仍然没有发射入轨。此外，在建设阶段各种意料之外的因素，例如哥伦比亚号航天飞机的失事，更使得本来紧张的空间站建设进度更加雪上加霜。舱内保养维修复杂3D打印有望改变现状虽然有上述不尽人意的因素，但空间站仍然在科学研究和工程技术领域取得了辉煌的成就。这其中，空间站的维修功不可没。从工程技术原理来说，像空间站这样人类构建的最复杂航天器，保持其长期运行不出问题是不可能的，从可靠性的实现上来说也完全不现实。由于人只能在有大气压的环境下生活，因而进行太空舱外活动是非常复杂且有很大风险的作业。因此，空间站在最初设计时就考虑了维修方面的便利性与可行性，这是空间站研制中的一个很重要的环节。空间站的各种易损耗的系统和部组件，一般情况下都尽量配置在加压舱内，方便航天员的更换与维修。例如，国际空间站所采用的标准机柜，在很大程度上就提供了这种便利性。此外，空间站舱内的各种需要更换的设备，只能通过货运飞船、航天飞机或载人飞船在造访空间站时携带上行，因此必须考虑对接机构内部转移通道的尺寸限制。在加压舱段的各种需要更换的设备中，用于维持航天员正常生活工作条件的环控生保系统是其中很大的一部分。这是由于空间站的空气循环需要各种各样的风机、过滤器和气体管路。空间站的水循环，包括尿液和生活用水的收集、处理等，也需要各式各样的泵、阀门和管路。这些都是需要常年连续工作的设备，其损耗也非常快，所以在货运飞船对空间站的补给中，除了航天员每天需要的食物、水、氧气和其他生活必需品外，这些易耗品也占一定的比例。由于航天员的工作处在失重环境中，很多操作必须有可靠的着力点才行。对于需要维护的仪器设备，需要精心地考虑在失重条件下的人体工程学设计，否则航天员的操作将非常吃力，甚至难以完成操作。随着近些年3D打印技术的兴起，为空间站的维修提供了新的思路。若使用3D打印机，可以在需要更换部件时，根据其形状打印一个，这样不但备件的数量和品种可以大幅减少，所占用的空间也将有极大节约。舱外维修靠机械航天员仍不可或缺除了舱内的设备维修外，空间站的舱外设备也会出现故障，或老化失效。由于现代空间站有不止一套机械臂，可以在很多任务中替代航天员的舱外活动，从而极大减轻了航天员的负担。而国际空间站上的新成员——机器人航天员，也可以替代相当一部分航天员的舱外活动。不过，机械臂和机器人航天员并不能完全替代真人航天员，特别是一些非常精细复杂的操作，还需要由人来完成，这种情况在非正常情况频繁发生的维修业务中更为突出。而且，舱外航天服的寿命也是很有限的，在使用若干次后就必须放弃。为了维持正常的国际空间站舱外维修与操作能力，还必须用货运飞船上载新的航天服替代。有统计表明，随着空间站服役时间的延长，维修操作在驻站航天员每天工作的比重会逐渐增加。到了空间站寿命末期，航天员的相当大一部分精力将花费在每天对空间站的日常维护上。这也是很多人认为延长空间站的寿命还不如发射一个新舱段的原因。然而，下决心建造一座新的空间站是件非常困难的事情，谈何容易。通过维修不断延长超期服役空间站的寿命，也许是人类每一个永久性空间站的宿命。正因如此，它们才能老骥伏枥，用老旧的身躯在人类空间技术史上不断书写一段段激动人心的篇章。（杨宇光）

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