如果在太空中发现太空服有个洞,如何修补它?

这种事还真发生过。

2007 年 8 月 15 日,STS-118 宇航员瑞克(Richard Mastracchio)正在国际空间站外进行太空行走。他身上穿着的是已经被其他宇航员穿过很多次的舱外航天服,刚穿上时还会隐隐闻到一些混合着金属和汗水的味道,不过他已经习惯了。

这是奋进号航天飞机与国际空间站对接后的第 5 天,STS-118 任务的宇航员已经顺利执行过了两次舱外任务,今天是第三次。

瑞克早上 5 点钟就醒了(美中夏令时),用了几个小时做好充分的检查和准备工作后,9 点 37 分就开始了出舱工作,这比预计时间提前了 24 分钟。

今天的工作任务并不复杂,主要任务是与同伴克莱·安德森(Clay Anderson)一起将一号和二号 CETA 设备辅助转移车从 P1 桁架移动到 S1 桁架,并取回 3 号 4 号 MISSE 材料实验设备上手提箱大小的样品实验包。瑞克看了一下时间,下午 2 点 54 分,他已经工作了 5 个半小时,两台设备辅助转移车已成功移动完毕,预计最多再用一个小时就能完成样品实验包的取回任务,那今天的所有任务就算顺利完成了。

就在这时,舱内负责此次太空行走的 IVA 队员通过无线电让舱外的两名宇航员进行手套的例行检查。瑞克在移动 CETA 设备辅助转移车之前,已经检查过一遍自己的编号 SN6120 的手套,并没有什么异常。这次检查时,他发现自己右手手套的硅橡胶表面出现了一些磨损,虽然明显但还好并不算深,应该不太要紧。

正当他转过头检查左手时,吃惊地发现左手大拇指处出现了一处更大的破损,有一处近 2 厘米长的裂口!他立即意识到了问题的严重性。因为这不仅会影响到任务的完成,更关系到他的生命安全。

如果你是瑞克,当你的太空行走任务即将完成,在做例行检查时发现手套破损,你会怎么处理?

A. 摘下手套放进背包里并继续太空行走

B. 中止太空行走,立即自行回到气闸舱

C. 将实情告诉舱内的 IVA 人员,即使这意味着太空行走的终止

D. 继续太空行走除非情况继续恶化

作为一名受过近十年专业训练的、已经是第二次乘航天飞机上天执行任务的宇航员,同时也作为一名物理学硕士兼电气工程师,瑞克知道,A 肯定不对,宇航服失去完整的保护,真空环境将迅速置自己于死地;B 也不正确,因为不能将同伴一个人留在舱外;D 会导致危险升级,只有 C 是正确选项。

于是他调整了一下呼吸,立即冷静地向地面控制中心报告说:「手套损坏,破损处看起来像是被什么锋利的东西划破的,维克特纶(Vectran)材料[1]编成的织物有几根线缺失,可见其下金属层。」他穿着的这套宇航服所配的手套共有五层,尽管这只伤到了表面的两层,其下方的 TMG 层很难穿透,但作为预防措施,NASA 还是赶紧通知他立即中止 EVA 迅速返回 Quest 气闸舱。

瑞克并不确定手套是什么时候破损的。手套已经被用过很多次了,有可能之前已经产生了轻微的破损,但他在出舱前曾仔细检查过所有的细节,并没有发现手套有像现在这样明显的损坏。他想,应该是在这次舱外行动时,被 CETA 设备辅助转移车上的金属毛刺划伤的。

空间站指挥官斯科特凯利正在近距离拍手套破损的照片
他想起了一年前,也就是 2006 年 STS-116 航天飞机的一个类似的事故报告。

当时执飞的宇航员罗伯特‧柯宾(Robert 「Beamer」 ·Curbeam)在航天飞机回到地面后,发现自己的手套有损坏[2]。他的右手手套拇指区域的 RTV157 硅橡胶掌垫缺失,接缝和拇指垫旁边的维克特纶织物被切开 1.9 厘米。

当时 NASA 称这是有史以来最严重的手套损坏。后来对手套损伤的评估发现,维克特纶纤维的断面是平整的[3],说明是被锋利的物体一次性切割出来的,而非一般的磨损(通常在 RTV 垫上会出现这种情况)。[4][5]

正是这次事故报告,使得 NASA 修改了飞行规定,在太空行走时要定时例行检查手套,一旦发现隐患立即回到气闸舱。没想到还没到一年,这个规定就用上了。

他当时还不知道,就在二个月后,即 2007 年 10 月份的 STS-120 任务[6]中,又出现了一次手套损坏[7]事件。

STS-120 任务第三次舱外活动 EVA 后拍摄的惠洛克(Douglas H. Wheelock)右手手套的检查视图。拇指区域可见损坏。

另外还有一次事件是发生在 STS-128 宇航员奥利瓦斯(John Daniel Olivas)的手套上,

在他进行太空行走约 1 小时后,发现右手食指的接缝处出现类似开线状的磨损现象。不过在对比了飞行前的手套照片后,地面评估认为它在飞行前检查时就已经出现这种情况而且通过了测试,于是通知 Olivas 继续进行 EVA 舱外活动[9]。

所幸这几次都没有引发任何重大事故。

事故原因

为什么会频频发生手套破损的事件呢?

宇航员在舱外行走时,基本上并非靠腿来行走的,大部分时间都是靠手抓着舱外壁的铝和钢制的金属长扶手前进的。所以手套会产生大量的磨损。这些磨损通常是由被移为 MMOD 的微流星体和轨道碎片高速撞击形成的。

关注我的人可能记得,我在之前讲「太空望远镜是如何避免划伤」那一个回答中提过,大量的 MMOD 会撞击在扶手上,超高速撞击(HVI)会产生肉眼不易发现的陨石坑形状的锋利毛刺。[8]
上面提到的 STS-128 宇航员奥利瓦斯,他在那次 EVA 返舱前,还看到了气闸受到微流星体轰击产生锋利边缘的情况并拍摄下来。

国际空间站外的扶手被微型流星体撞击后的特写
瑞克知道,MMOD 对宇航员并没有想象那么致命,其导致的死亡概率大约是 2200 分之一,和一个 50 岁普通成年人一年内意外身故的概率差不多低。

也就是说,通常情况下宇航员并不用担心 MMOD 引起严重事故,包括手套破损。

因为舱外宇舱服在设计时就考虑过穿刺或泄漏这个问题,它极其复杂的多层结构可以保证在一定时间内一定尺寸以内的破损不会伤及宇航员。它已经非常的结实耐用,但仍然可以在极端事件中让宇航员有足够的时间在空气耗尽、气压降到过低之前回到最近的航天器气闸舱中。

如果较真起来,其实宇航服并不是绝对密不透风的。各个关节连接处虽然多采用 O 形环密封,但仍然会有缓慢的泄漏发生。与其通过增加零件复杂度来提升有限的密封度,还不如让生命支持系统直接适当增加一点气体的泵入量,虽然缩短了使用时间,但降低了故障可能性,提升了可靠度。

每次宇航员出舱前,要停留在气闸舱慢慢等待它抽气变成真空室,这时宇航员就要做一系列的检查,确保它们不会漏水、漏气。通过将宇航服中的气压调高至比气闸气压高 0.2 个大气压来检查服装是否有泄漏现象。所以通常不用担心宇航服因为没穿戴好而出现泄漏。

(切记在完全真空前不能打开降体温用的冷却水阀,否则水会把管线冻裂。太空中漏水就像喷雪花,这个可以单独写一篇了)

就像上面说到的,以往宇舱服的破损大多出现在手套处。如果洞不是太大的情况下,完全可以靠加大气体泵入量这一招来弥补气体的泄漏。就有点类似于大街上新开店面门口放的那些充气造型或儿童玩的充气城堡,你会发现一般都有个鼓风机一直向里面吹气来对抗减压并维持其形状。道理大同小异。

除了前面说的被扶手刮破以外,还有可能是超高速的微流星体或垃圾碎片等直接撞击引起的。通常情况下,防弹性能优异的宇航服会抵挡掉大部分,但如果这个物体很大(比如是之前宇航员丢掉的工具)那就有可能造成更大的创口。

那泄漏速度有多快呢?

通常情况下,泄漏有个经验估计:

1 平方厘米的洞,将导致 1 立方米容器内的气压在一百秒内下降到原来的十分之一。[11]
(100 秒,也就是当年不幸的联盟 11 号返回舱的减压时长)

*这是个经验值,受气压强度差、温度、通气截面形状、漏气部位等决定,但这里粗略地看数量级就好。

真的发现破洞了,怎么处理?

根据泄漏严重程度,分四种不同的标准来处理。

第一种情况就是像 STS-128 那次那样,只是破损没有泄漏可能,地面会通知忽略它。

第二种情况就是 STS-118 那样,没有泄漏警报但发现泄漏可能,地面会通知结束任务回到气闸。

第三种情况就是缓慢泄漏。

在这种情况下,当宇航员透过笨重的头盔面罩看到泄漏点前,宇航服上的报警系统就已经监测到异常流量信息和压力下降信息,并自动加大送气闸的流量。

这时你会听到宇航服里本来就很吵的风扇声音变大,报警器也会发出降压警报。这里我们要小补一下气压的知识。出舱用的舱外航天服的工作气压约 0.3 到 0.4 个大气压。

阿波罗 11 号 EVA 使用的氧气净化系统 OPS 上的 PSID 表
以美国的宇航服为例吧。当宇航服出现泄漏导致内部气压小于 0.2 个标准大气压(3.1psi)时[13],会产生"SUIT P EMERG"报警信息。这时用于排放二氧化碳以防止潴留中毒的排气阀关闭,头盔的排气阀门关闭,应在确认氧气阀门是开启状态后,迅速进入气闸舱并关闭舱门。

如果依次执行某一步的时候仪表显示压力上升并恢复正常,则警报可暂时解除并继续观察仪表读数。

如果泄漏较轻微,预估有足够时间的话,可以先清理或保护工作现场后再回到气闸。

第四种情况就是严重的泄漏。

这时压强会较快的下降。如果泄露点发生在宇航员肉眼可见并能用手触及的地方(比如上肢),而他们没又有足够的时间返回气闸舱时,可能会下意识地(本能地)尝试用手对泄露点捂住按压。这时应立即中止 EVA 并迅速返回气闸,尽快让脐带 SCU 连接到宇航服上。

宇航服中的备用氧气包 SOP[14]中的两个氧气罐可在紧急情况下撑上至少 30 分钟[15],这足以让宇航员回到航天器内。当宇航服中的氧气压强降至 0.2 个大气压以下时,SOP 紧急氧气阀会自动打开。如果手边有胶带(我之前回答中提过)或其它黏合剂,可以试着粘在破损处以停止或限制减压速度。

危机解除与墨菲定律

当瑞克听从地面控制中心终于安全返回气闸舱后,他长舒了一口气。舱外宇航服手套上的破损并没有触发传感器的警报,这表明他的宇航服并没有产生严重的泄漏。他想,如果真的出现大面积的破损导致严重降压,那么他将在几十秒内因失压而晕厥。但现在他已经在气闸舱里了,虽然还在缓慢加压中,但这时如果再出现状况,其他宇航员将会很快出现在他身边,可以通过腿上的一个特殊注射口隔着宇航服给他注射肾上腺素。幸运的时,这个注射口至今也从未被使用过。

但以后呢?

根据墨菲定律,如果事情有变坏的可能,不管这种可能性有多小,它总会发生。

宇航服必须在保护使用者的同时又要保持足够灵巧。目前人类没有一种材料能同时满足这两个条件,没有坚不可摧的宇航服,但更谨慎的事前检查和冷静处理,会帮助我们在危险面前减少损失,活下去。

太空环境危机四伏,但人类无所畏惧,终将用意志与勇气走出地球,谱写人类新的宇宙史诗。

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恭喜你,无用的知识又增加了。

参考

1.Kuraray Co., Ltd, Tokyo, Japan,DOI 10.1007/s11668-013-9742-x

2. Hypervelocity Impacts On Iss Handrails And Evaluation Of Alternative Materials To Prevent Extravehicular Mobility Unit (Emu) Glove Damage During Eva.NTRS

3.NASASpaceflight

4.R.S. Piascik, D.A. Shockey, J. Zheng, B.J. Jensen, J.K. Sutter, R. Dasgupata, Extravehicular Mobility Unit (EMU) Glove Thermal Micrometeoroid Garment (TMG) Damage, NASA Engineering and Safety Center Technical Assessment Report, NESC-RP-07-074, Oct 2009

5.Cut Resistance Analysis of Glove Thermal Micrometeoroid Garment Materials for Constellation Space Suit Systems Design Considerations.SAE Mobilus

6.STS-120 (23rd Space Station Flight) Discovery.NASA

7.NARA & DVIDS PUBLIC DOMAIN ARCHIVE

8.Textile Damage in Astronaut Gloves.SpringerLink

9.collectspace

10.为其在 sci.space 上的自述

11.S. T. Demetriades, "On the Decompression of a Punctured Pressurized Cabin in Vacuum Flight," Jet Propulsion, January-February, 1954, pp. 35-36.

12.spacechina

13.Mission Operations Directorate EVA, Robotics, and Crew Systems Operations Division Generic, Rev H March 4, 2005

14.Secondary Oxygen Pack

15.在 408atm 罐压力下,总容量为 2.6 磅(1.2 千克)

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