空間站老化，一個棘手的問題

文/ 杜駿豪

不論是當前的國際空間站，還是曾經的和平號空間站，都存在超期服役的情況。和平號空間站初期的設計使用年限為5年，但是實際上使用了15年之久。1998年國際空間站第一個模塊“曙光號”功能貨艙發射，當時的空間站設計壽命為10~15年，然而它直到今天還在正常運作，甚至俄羅斯的“科學號”實驗艙依舊停留在地面生產階段。如今俄羅斯與美國有計劃把國際空間站的使用年限后延至2030年，可謂“老驥伏櫪，志在千里”。

▲ 依然在地面測試的俄羅斯科學號實驗艙，這個艙段的拖延癥可真不輕

▲ 國際空間站哥倫布艙

▲ 2019年全面掃描發現的微型撞擊坑

空間站的老化是空間站建設者不得不面對的棘手問題。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計之初就要考慮的。截至當前，蘇聯的禮炮號空間站、和平號空間站以及國際空間站等長期運行的載人空間站，先后出現過密封性能老化、能源設備老化、維生設備老化、生活設備老化等一系列棘手問題。

密封性能老化

▲ 膠帶被譽為“國際空間站最佳工程工具”

空間站的氣密性，理論上并非越嚴密越好。實際上適當的氣體外泄率有助于空間站內新鮮氣體的動態更新。艙內保溫設備、電子設備會放出有毒有害氣體，甚至航天員放屁所含的硫化氫都會積攢。若是空氣再生系統不能定向清除某種有毒氣體，在密不透風的空間站內富集，對航天員的身體會產生危害。因此空間站一般都會規定一個漏氣閾值，只有氣體外泄速率高于此值時才會加以人為控制。

▲ 被撞擊后的“光譜號”，注意右下角破損的太陽能帆板

隨著使用年限的提高，空間站密封性能會逐漸降低。主要的影響因素有不斷地出入日照區與地影區，熱脹冷縮造成結構緊密性降低，另加長時間宇宙輻射、太陽輻射的侵襲使材料變質老化，以及不可避免的太空微隕石的撞擊。

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

2019年，歐空局對國際空間站上哥倫布科學實驗艙外壁展開了一次全面掃描，令人震驚的是外表面發現了數百個撞擊坑，大者有幾毫米。雖然一個小坑并不會對空間站的氣密性產生太大影響，但是有二十余年高齡的空間站外壁水滴石穿，累積下來會對空間站氣密性產生肉眼不可見的影響。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，空間站偶爾也會出現幾次較大規模的漏氣現象，漏氣速度是平時外泄速度的幾倍，這是一些肉眼可見的裂縫造成的。國際空間站分別在2004年、2018年和2020年發生了3次較大規模的漏氣。2018年的漏氣成因是一個直徑2毫米的洞，2020年漏氣的成因是一條長2.2厘米、寬0.1毫米的縫隙。在2020年年底的漏氣現象中，國際空間站內氣壓每天都會降低約50 帕斯卡，每天大約泄漏氣體200克。

空間站漏氣的補洞工作堪比大海撈針。首先空間站體積及表面積龐大，尋找僅僅發絲大小的孔洞并不容易；其次空間站內各種儀器設備遍布，尋找漏洞的過程紛繁復雜?？臻g站補漏的第一步是將各艙段間的艙門封閉，通過隔離法判斷漏氣的艙段，縮小搜索范圍。在將漏氣點鎖定在某個艙段后，航天員要使用各種方法尋找漏氣孔洞的位置。在2020年的補洞任務中，航天員成功地通過判斷茶葉的飛行方向鎖定了漏氣點。在成功找到漏氣縫隙后，修補方法非常簡單，也非常樸素——先拿膠帶貼住，再進一步用特制膠水堵住。

能源設備老化

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

圖示法的一項典型應用為‘數位’概念的解釋.當引入個、十、百、千等數位時，用不同維數的條條、塊塊等圖象可以使概念直觀，如下圖代表數字1365，圖示法確有幫助.

能源獲取方面，太陽能電池帆板本身質地就相對脆弱，且一直暴露在宇宙輻射與太陽輻射中，同時遭受空間隕石碎片的干擾，因此老化問題非常顯著。據統計，使用硼硅酸鹽玻璃面板的太陽能板每年的效率會降低5~10%。和平號空間站在發射后的第10年（1995年），太陽能電池帆板發電功率便嚴重退化，這使工程師不得不更改了當年發射的“光譜號”的有關設計：把太陽能電池帆板從兩塊增加到四塊。在發射后，“光譜號”將為和平號空間站提供約一半的電能。

有些意料之外的事件也會加速空間站部件的損耗。好景不長，1997年6月25日，進步-M34貨運飛船與和平號空間站在進行對接測試時發生碰撞，剛剛上天兩年的“光譜號”功能貨艙被嚴重損壞，直接導致“和平號”永久關閉了這個艙段。同時關閉的還有太陽能電池帆板，這使得“和平號”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太陽能電池帆板，最終使整個空間站電力供應恢復到碰撞前的70%。

▲ “光譜號”增加了斜向的兩片太陽能山帆板，這一設計看起來顯得格格不入

▲ 擁有8塊大型太陽能電池帆板陣列的國際空間站，總面積大致相當于一個足球場

▲ 2007年11月3日，STS-120任務的航天員斯科特·帕拉津斯基進行了7小時19分鐘的太空行走，以修理損壞的太陽能電池板

國際空間站的太陽能電池帆板歷經多次發射與組裝，目前共有8塊大型太陽能電池帆板陣列，共計32800塊太陽能電池單位。在這些電池的生命之初，共計可以產生248千瓦的電能。歷經多次大型維護與維修，如今只能產生160千瓦的電能，衰減明顯。2021年1月11日，美國宇航局宣布將對這些陣列進行升級改造，以確保該空間站至少在2030年前有足夠的電力繼續運行。該局計劃在2021年末使用太空探索技術公司龍貨運飛船將第一批次的升級太陽能電池帆板帶到國際空間站。這些太陽能電池帆板將安裝在現有的八個太陽能陣列中的六個上，覆蓋舊的陣列，使整個電源系統的發電功率達到215千瓦。

▲ 國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。常規的空間站位于近地軌道，大約90分鐘環繞地球一圈，其中接近一半時間處于地球陰影中，只能依靠電池組供電。電池組在日照區接受太陽能電池帆板充電，在陰影區則為空間站放電。就像手機使用幾年后電池續航能力會下降一樣，頻繁的充放電也會使空間站的電池循環穩定性降低。國際空間站早年使用鎳氫電池，設計壽命僅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，美國航天員克里斯·卡西迪和鮑勃·貝肯按照計劃進行了6個多小時的太空行走，使用新型的鋰離子電池代替了“茍延殘喘”的舊電池，預計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各種儀器設備的熱平衡。在空間站運轉的過程中，如果沒有溫度控制，空間站朝太陽一側的溫度將飆升至121℃，而黑暗一側的溫度則將降至－157℃。不同于在地球大氣中可以通過空氣傳熱，在真空中運行的空間站只能另辟蹊徑。國際空間站的熱控制系統在寒冷深邃的太空與熾熱的太陽之間保持了微妙的平衡，誠然，這個無時無刻不在運轉的系統也會老化。

▲ “和平號”起火后燒焦的面板

▲ 和平號空間站火災產生大量煙霧當天，航天員不得不佩戴防毒面罩

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

▲ 2011年7月8日，航天員在國際空間站的星辰號服務艙中與俄羅斯電子氧氣發生器系統合影

維生設備老化

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空間。但是一旦出現故障，除了這一層屏障外別無他選。空間站外真空的環境會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，維生設備老化問題也日益突出。

1982年，美國宇航局計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。在國際空間站，環境控制與生命保障系統（ECLSS）負責調控這些維生需求。

雞蛋不能放在同一個籃子里。對于航天員每日呼吸所需的氧氣，不論是國際空間站還是和平號空間站均提供了多種不同的氧氣來源：從氧氣罐中直接排出氧氣，使用化學氧氣生成系統（SFOG）制備氧氣，或使用氧氣發生系統（OGS）電解水制備氧氣。一旦其中一個系統出現故障，還有其他系統可以補救。

適當的空氣流通與氣體成分更新在一定程度上也能減緩空間站的老化，和平號空間站就深受污濁空氣中微生物繁殖嚴重腐蝕空間站零件的困擾。

▲ 國際空間站“寧靜號”內的廁所

化學氧氣生成系統又名固體燃料制氧機，一般含有高氯酸鋰，1升高氯酸鋰可以為一個人提供24小時的氧氣。1997年2月，“和平號”量子-1模塊的化學制氧機發生故障。帶著濃煙的火焰燃燒了大約90秒，阻斷了前往聯盟號飛船的逃生路線。航天員使用了3個滅火器才將火撲滅，幸運的是沒有人員受傷。由于火災毀壞了設備，無法確定事故的最終原因。盡管如此，美國宇航局仍認為它是最好的制備氧氣系統，并在隨后的國際空間站上使用了這套系統。然而這套制氧系統在2004年和2005年接連發生故障，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。國際空間站空氣再生系統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，同時使用主要成分分析儀MCA來監測氮氣、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連續多次發生了故障，一次是因為溫度傳感器發生故障，一次是因為閥門老化。航天員不得不中斷手頭的工作對這些老化設備進行維修。

▲ 博物館展出的“和平號”使用的馬桶

▲ 解體的“和平號”

生活設備老化

俗話說人有三急，在空間站金貴的空間中行方便之事可沒有在地球上容易。最大的問題就在于空間站中人處于失重狀態，排泄物不能自然下墜，只會亂飛。航天員如廁時，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扇抽氣系統吸走，存儲于鋁制容器的袋子中，液體廢物則被收集進一個20升的容器內。如你所想，衛生間設備出現故障非常令航天員頭疼。

國際空間站有兩個常備衛生間，分別位于俄羅斯“星辰號”服務艙和美國“寧靜號”節點艙，均由俄羅斯設計制造，單個成本接近2000萬美元。除此之外，與空間站對接的聯盟號載人飛船也可以提供備用廁所，只是容量較小，不到萬不得已不會啟用。

2008年5月21日，“星辰號”已有7年歷史的馬桶發生了故障，氣固分離器泵出現問題，航天員只能使用“手動模式”收集尿液。機組人員試圖更換各種零件，但于事無補。直到發現號航天飛機在當年6月2日帶來了替換泵才解決了航天員的心頭之患。

2019年2月7日，“寧靜號”內的馬桶漏水導致近10升液體溢出到零重力環境中，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，國際空間站兩個廁所一度全部無法使用，航天員不得不使用特制的紙尿布，十分難堪。

2020年10月5日，為了進一步改善航天員的生活環境，并為接下來的重返月球任務做測試，美國宇航局向國際空間站運送了價值2300萬美元的新馬桶。它的原理與老馬桶相似，是老馬桶小大的65%，輕大約40%。同時，新馬桶耐用性能有所提升，接下來幾年航天員應該不需要再做那些尷尬又骯臟的工作了。

國際空間站也已到了暮年，即使美國和俄羅斯宇航局想要把國際空間站縫縫補補續命到2030年，但國際空間站的各種性能也日薄西山了。