

航天器泄漏原因多，紧急补救方法妙

中国航天博物馆

2023-03-25

导读：最近，俄罗斯进步MS-21货运飞船在脱离国际空间站前出现了泄漏迹象。这次事故与去年底俄罗斯联盟MS-22载人

最近，俄罗斯进步MS-21货运飞船在脱离国际空间站前出现了泄漏迹象。这次事故与去年底俄罗斯联盟MS-22载人飞船的情况类似。俄方认为，很可能都是由外部撞击引发的。其实，航天器意外泄漏的惊险案例不少，这其中各有哪些原因？科研人员和航天员又该如何采取针对性补救措施呢？

俄罗斯联盟MS-22载人飞船冷却剂泄露

意外泄露危险大

航天器工作环境恶劣，受到空间环境中的摄动力、极端温度变化、噪声、电磁干扰、振动、流星体撞击等各种因素影响，个别元器件容易发生故障，很难保证其在运行过程中不出问题。

更何况航天器往往由数十万乃至上百万个元器件组成，系统构成非常复杂，可靠性必然面临严峻挑战。随着近年来各国发射航天器的数量迅速增长，不断尝试各种新技术、新工艺，航天器的任务和结构日益复杂，遭遇的意外情况也越来越多。而运行在太空中的航天器无法返回地面修理，万一出现故障，传统人工干预手段有限。

其中，载人航天器一旦发生故障，有可能威胁航天员安全，引发灾难。比如，1971年苏联联盟11号飞船完成与礼炮1号空间站的对接任务后，返回地球途中，轨道舱与返回舱分离时，爆炸螺栓出现异常，破坏了舱门密封设备，导致返回舱内的空气快速泄漏，3名航天员不幸遇难。

再比如，2003年美国哥伦比亚号航天飞机入轨途中，外部燃料箱上的绝缘泡沫掉落，击中左侧机翼，导致密封失效且被监控团队忽视。航天飞机再入大气层时，高温气体窜入机翼内部并引发一系列故障，导致航天飞机解体，7人遇难。

国际空间站供航天员长期驻留，已经发生过多次高危险情。2018年8月，国际空间站出现气体泄漏。航天员排查后发现，一艘俄罗斯载人飞船舱壁上有1个1.5毫米直径的孔，如果不及时处理，空间站内的氧气可能在18天内耗尽，恐引发致命后果。

近期，停靠国际空间站的俄罗斯飞船连续发生泄漏事件，引起外界担忧。去年12月，联盟MS-22载人飞船遭到微流星体撞击，太阳翼附近出现了直径约0.8毫米的小孔，冷却剂泄漏殆尽，飞船失去载人能力。今年2月11日，进步MS-21货运飞船被发现密封失效，温度调节系统发生故障。

联盟MS-22载人飞船遭到微流星体撞击后出现的小孔

按常理来讲，成熟飞船接连发生事故的概率很小，所以俄罗斯航天部门对此非常重视。针对2艘飞船的事故调查仍未结束，俄方技术人员将在地面进行故障复现，以便验证分析，并制定针对性应对措施，提高飞船的防护性和可靠性。接下来，联盟MS-23载人飞船会空载发射，接航天员回家，不容有失。

在轨补救方法多

载人航天器一旦发生故障而泄漏，危险极大，必须尽早发现、迅速处置。这方面经验最丰富的应该是国际空间站上的航天员，而根据故障的具体情况，处置方式也大不相同。

遭遇漏气险情时，国际空间站的航天员会逐个关闭舱门，缩小故障范围。舱段任何位置一旦出现孔洞，从泄漏点向舱外涌出的空气就会产生异常的超声波信号特征，航天员需要使用手持式超声波扫描设备，迅速扫描舱段外壁，确定泄漏点。

2004年，航天员曾在命运号实验舱的舷窗上发现泄漏点，确认是平衡气压的U型管与舷窗连接位置密封失效。分析认为，该U型管未标注“不许拉扯”，舷窗附近也没有另设扶手，于是航天员在附近活动时往往随手拉一下U型管，造成变形松脱，日积月累，导致漏气。后来，国际空间站更换了U型管，又在舷窗附近增加专用扶手。

2018年，航天员发现俄罗斯联盟飞船的舱壁上有泄漏点，决定采取紧急封堵措施：先用胶带进行暂时性封堵，之后使用环氧树脂胶水和纱布进行永久性封堵。这些看似简陋的手段效果不错，直到该飞船与国际空间站分离，都没再发生漏气问题。

相比载人航天器，无人航天器一旦出故障，主要会造成经济损失，而这些故障是否值得修是个问题。姑且不说基本不可能开展后续维修的深空探测器，单就近地轨道无人航天器而言，无论是派遣航天员，还是发射机器人去维修，代价可能都要超过发射备份。随着多功能小卫星受到青睐，“修不如造”的观念很可能更加普遍。

当然，如果是特殊的、价值重大的无人航天器遭遇故障，派人上天维修还是有必要的。在航天飞机时代，每次飞行都承担着修理任务，毕竟它可运送7名航天员，配备有机械臂和各种修理设备，堪称理想的“太空诊所”。数十年间，航天员们挽救了很多重要航天器，最著名的就是哈勃望远镜，共经历过5次维修，确保其在轨30多年来保持良好的工作状态。

可惜大多数无人航天器没这么好的“待遇”，主要依靠部件冗余设计和系统重构控制模式来努力排除故障。其出现简单故障时，地面工程师通过遥控指令和上注数据，进行备份部件切换、系统工作模式切换、修改重要控制参数等操作，力争修好无人航天器。如果其遭遇复杂故障，很可能无法挽救。

随着技术进步，无人航天器异常泄漏未必等于“死刑”。航天器工作寿命结束往往是因为燃料耗尽，于是一些国家和商业航天力量推出了修理卫星和加油卫星，本质上是储存燃料、携带零部件和修理工具的太空机器人，可以提供在轨维修、加注服务。

卫星对接开展在轨维修、补加工作示意图

2007年，美国发射首款无人化太空维修试验航天器“轨道快车”。它由两颗卫星组成，一颗负责修理，另一颗是携带各种工具的货舱。两颗卫星平时连接在一起，接到任务后，进入目标轨道，两星分离，修理卫星实施“手术”，货舱提供各种零件或加注燃料，使故障卫星恢复正常。

新技术保障安全

经过多年发展后，各国航天积累了大量经验教训，航天器研制能力与技术水平不断提升，可靠性与安全性得到保障。与此同时，随着新技术和新材料应用，航天器故障检测和自我修复的能力也在不断提高。

在故障检测方面，美国针对国际空间站开发了新式漏气检测技术，通过在空间站舱段内壁上安装一整套传感器系统，分析舱段异常振动信号。如果空间站出现泄漏情况，各传感器捕获、汇总信号，可以快速精确定位泄漏点。

据公开资料显示，我国新一代载人飞船试验船在2020年发射入轨，开展了高速再入返回、控制、回收等一系列关键技术试验验证，其中一项重要内容是泄漏碰撞检测系统试验。

我国新一代载人飞船试验船返回舱实物

该碰撞泄漏检测系统由1台主机和8个高灵敏度声发射传感器组成。碎片碰撞和舱体气体泄漏等会产生声波，系统根据声波到达各传感器的时间差，可以计算出碰撞或泄漏的位置；根据声波能量大小，能够判断碰撞及泄漏程度。通过实时感知航天器结构的微小变化，系统迅速排查故障隐患，并提供解决方案，保障航天员生命安全。

在自我修复方面，智能自修复材料已成为航天研究重点。这种材料借鉴了壁虎等生物自我修复的原理，采用空心纤维，模拟“血管”通道，将两种互不反应的液体制作成“血液”，储存在材料中。一旦材料受到外力撞击，产生裂纹缺陷后，部分“血管”会及时破裂，两种液体流出并渗入裂纹，随后与周边结构发生化学反应，实现材料自愈合，最终实现航天器结构损伤自修复。

美国科研人员正在研究另一种用于航天器外层保护的自修复材料，采用3层结构，外侧两层是固态、坚硬的聚合物，中间夹层是液态树脂。当太空碎片击穿航天器外壳后，液态树脂从材料内部涌出，同时航天器内泄漏的气体将使树脂迅速凝固，封堵漏洞，其硬化过程最快只需数毫秒，有望实现应急即时修补。

展望未来，随着新材料和新技术不断应用，航天器将更加安全可靠，帮助人类飞向更遥远的宇宙深空。

来源：中国航天报微信公众号

【声明】内容源于网络

中国航天博物馆

中国航天博物馆（China Space Museum）官方信息发布及项目合作平台

内容 542

粉丝 0

中国航天博物馆中国航天博物馆（China Space Museum）官方信息发布及项目合作平台

总阅读322

粉丝0

内容542