400千米高空的生死一线间

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  国际空间站这间在400千米高空运行了近23年的“太空别墅”,曾发生多起安全事故,宇航员每每悬于生死一线间,险情处置过程惊心动魄。
  近日,围绕2018年8月国际空间站漏气事故的责任问题,美俄两国航天机构隔空争吵,互不相让。究竟是美国宇航员人为造成太空舱破损,还是俄罗斯飞船舱体出现破损,尚无定论。不过有一点可以肯定——太空安全无小事。

主控计算机“三保险”失灵

手动控制机制保护宇航员


  国际空间站上有约100台计算机,用于维持空间站正常运转、实验数据采集及处理、保障和警报系统控制等。其中三台主控计算机实现了指挥控制系统“三保险”:1号机作为多路转接器和分配器,配合站上宇航员和地面控制人员将指令发送给不同的系统,并提供关键的遥测信号;2号机是1号机的备用机,在1号机出问题时可随时“顶上”;3号机处于“多米诺骨牌”的末端,其系统软件与1号机和2号机同步运行,是“备胎的备胎”。
  计算机系统对于国际空间站各方面的运行都十分关键。如果计算机系统发生故障且无法及时修复,那么国际空间站就有可能偏离轨道,宇航员们只有约一周的时间紧急撤離,国际空间站将被迫报废。为此,国际空间站的计算机系统采用“三保险”设置,力求万无一失。
  然而,“三保险”竟然也会失灵。2003年4月25日,国际空间站发生了建站以来最严重的计算机系统故障——三台主控计算机均不能正常工作。
  当时,美国“奋进”号航天飞机刚为国际空间站送去一只大型机械手,宇航员准备将它安装到国际空间站上。负责飞行控制的1号机突然发生故障,美国休斯敦航天飞行控制中心不得不远程启动2号机。可没过多久,2号机系统紊乱,航天飞行控制中心无法使它恢复正常。随后,3号机尚未“上岗”就开始报错。负责控制国际空间站飞行的专家们对于计算机系统的“集体罢工”都一脸茫然。
  有专家推断,可能是计算机程序出现了严重问题。国际空间站上的宇航员尝试手动重启计算机,没能成功。航天飞行控制中心也采取了各种办法,以期与计算机系统建立联系,进行抢修。工程师向国际空间站飞行控制系统发送系统故障诊断指令,但空间站外部的Ku域天线无法与美国航空航天局(NASA)的通信卫星建立联系;利用国际空间站超高频天线进行信号传输的努力也宣告失败。
  国际空间站上的宇航员不得不放弃机械手的安装与试验工作。俄美两国的计算机专家联手,花了3天时间才找到了解决问题的办法。
  值得庆幸的是,国际空间站上与宇航员生命保障密切相关的“星辰”号舱体,有一套独立的手动控制机制,氧气供应系统等没有发生问题。所以,主控计算机故障没有直接威胁宇航员的生命安全。

强启故障制氧机唯一一次有毒气体泄漏事故


  国际空间站中的氧气主要来自于制氧机中的电解水,用高压密闭罐储存。2006年9月18日,国际空间站上的一部制氧机发生有毒气体泄漏事故,尽管最终没有造成严重后果,但把太空舱内的3名宇航员吓得魂飞魄散。
  事故发生在当日早晨7时左右。国际空间站太空舱内响起警报声,一部制氧机冒出烟雾,并伴随着阵阵刺鼻的气味。地面控制中心立即要求3名宇航员戴上面罩、护目镜以及防护手套。空间站同步启动应急预案——关闭舱内的通风换气系统,以防有毒气体扩散。
  事实上,这次事故在发生前已现端倪——地面控制中心无法远程启动这部制氧机。NASA的专家们没有要求宇航员检查制氧机是否发生故障,也没有启动备用制氧机,而是要求宇航员手动启动这部出问题的制氧机。该制氧机被手动启动后,又自动关机。宇航员再次尝试手动启动,它才运转起来,不久便泄漏出有毒气体。
  宇航员经检查发现,刺激性气体是橡胶垫圈过热熔化散发出来的,制氧机中的氢氧化钾有少量泄漏。宇航员将泄漏的物质清理干净,同时用活性炭空气净化装置吸收有毒气体。数小时后,监测系统显示舱内的气体不具有毒性。地面控制中心命令重新启动通风系统,国际空间站内的气体环境恢复正常。
  这是国际空间站上发生的唯一一次有毒气体泄漏事故。宇航员们之所以恐慌,是因为空间站内的气体环境安全是重中之重,一旦有毒气体弥漫且气体环境污染不可逆转,那么宇航员在数小时内就会面临生命危险。他们无法出舱等待救援,因为生还的希望微乎其微。


国际空间站宇航员出舱作业

紧急修补太阳能电池板危险的太空带电作业


  国际空间站需要足够的能量维持运转,所需能量的97%由太阳能电池板提供。太阳能电池板展开后总长超过70米,宽12米。它展开过程中的机械运动可能造成零部件破损,在被小型太空垃圾或陨石碎片击中后也可能损坏。
  2007年10月30日,国际空间站上的美国宇航员进行了一次太空行走,主要任务是为国际空间站安装一套新的太阳能电池板。第一块板条缓慢打开后,状况良好。在第二块板条快要完全打开时,宇航员发现上面有两条裂缝:一条约75厘米长,另一条约25厘米长。宇航员立即中止展开太阳能电池板的操作,将裂缝照片传回地面控制中心,让专家们提供合适的修补方法。
  NASA原计划当年12月在国际空间站上建成欧洲实验舱,2008年建成日本实验舱。如果新太阳能电池板上的裂缝不能及时修复,导致能源供应不足,那么新建实验舱的计划将受阻。
  为了尽快修复太阳能电池板,两名美国宇航员不得不在国际空间站外进行一次高难度的作业。这次时长7小时19分钟的太空维修作业由帕拉金斯基和惠洛克实施。帕拉金斯基被固定在空间站机械臂前端的延长吊杆上,站内同伴操纵机械臂,把他送到电池板破损处,他利用5个扣链修补破损。然后,站内宇航员将他拉回来,最后将太阳能电池板完全展开。   这次事故发生一年后,即2008年11月,美国媒体披露了内幕——这是美国宇航史上最危险的一次舱外太空作业,因为需要修补的太阳能电池板当时竟然是带电的!破损点到舱体的距离相当于半个足球场的长度,一旦帕拉金斯基遇险,同伴根本来不及救援。
  这项工作并不复杂,只要在太阳能电池板的破损处打孔,再将扣链两端铝片固定即可。但其危险性相当大,因为当时的太阳能电池板带有110伏电压。虽然这样的电压不会致命,但一旦触电,宇航员将身处险境。他使用的工具可能因电压作用而熔化;他遭电击后动作可能失控,造成手套和宇航服破损;由于返舱距离较远,其携带的氧气可能不够用。
  帕拉金斯基显然知道这次行动的危险性。他使用的所有金属工具都包了3层绝缘胶带。他还在手套外套了一副更大的手套,这无疑给修补工作增加了难度。NASA太空行走训练中心主管戴维·沃尔夫事后表示:“我观看了他安装扣链的全过程,简直就像戴着拳击手套缝衣服!”
  媒体还披露了另一个内幕——按照规定,宇航员在太空中出舱实施任何维修作业,都必须切断故障设备的电源。但是,由于太阳能电池板属于能源聚集和储存设备,所以无论地面控制中心还是国际空间站,都没有为它设置断电装置。所以,帕拉金斯基只能冒险带电作业。

舱体漏气事故俄罗斯宇航员淡定处置


  处于真空中的国际空间站,舱内外的压力相差1个大气压。舱内环境控制系统以及生命保障系统,不定时地按照地球大气的成分比例向舱内注入氮气和氧气,并通过过滤循环及排气,将舱内的有害气体排出。
  2018年8月30日,国际空间站突然发生漏气事故,也就是前文提到的引发美俄航天机构争吵的事故。当时经过紧急排查,宇航员们发现,漏气点位于俄罗斯舱段。
  事发正值晚上休息时间,宇航员们刚刚结束一天的工作。突发的事故让大家措手不及,要找齐修补的工具,再完成修补工作,可能要花费几个小时,大家难免体力不支。这时,一名俄罗斯宇航员淡定地从自己的储物柜中拿出一卷特制胶带,把漏气处粘合,然后让大家先休息,“睡醒后再修补也不迟”。
  美国宇航员颇为担心:這种简单的处理方式能奏效吗?一旦漏气造成舱内失压,宇航员们就可能在睡梦中死去!不久,仪表数据显示,空间站内的气压稳定了下来。俄罗斯宇航员已经进入梦乡。心怀忐忑的美国宇航员也只能休息。第二天一大早,美国宇航员就赶紧找到专业的修补工具和材料,将漏洞完全修复。
  编辑:姚志刚  winter-yao@163.com
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