2024年3月2日，神舟十七號(hào)航天員乘組圓滿完成第二次出艙活動(dòng)，在上次出艙維修試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)完成了天和核心艙太陽(yáng)翼維修工作，這是我國(guó)航天員首次完成艙外維修任務(wù)。

在載人航天史上，艙外維修活動(dòng)始終伴隨著人類逐夢(mèng)蒼穹的步伐。數(shù)以百計(jì)的航天員勇敢離開舒適的“太空母港”，置身寒冷寂寥的空間，為人類探索太空打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)、積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。本文將對(duì)國(guó)外航天員已開展的重要艙外維修任務(wù)情況進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

Skylab

天空實(shí)驗(yàn)室

“天空實(shí)驗(yàn)室”是美國(guó)的第一個(gè)空間站。在任務(wù)期間，兩名美國(guó)航天員完成了人類歷史上的首次艙外維修任務(wù)。

天空實(shí)驗(yàn)室

1973年5月14日，“天空實(shí)驗(yàn)室”搭乘土星五號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射升空。然而，在飛行過(guò)程中，設(shè)計(jì)用于抵擋宇宙射線、降低空間碎片撞擊危害的微隕石防護(hù)罩被撕裂脫落。入軌后，由于直接暴露在太陽(yáng)輻射下，艙壁及艙內(nèi)溫度大幅上升，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)溫度。如不及時(shí)加以干預(yù)，將出現(xiàn)艙內(nèi)攜帶的食品變質(zhì)、藥品失效，艙壁材料分解釋放危險(xiǎn)氣體等情況，航天員無(wú)法按計(jì)劃工作生活。此外，由于主太陽(yáng)能帆板受損且未能按計(jì)劃展開，依靠阿波羅太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的四塊小型太陽(yáng)能帆板僅能維持與地面的基本聯(lián)絡(luò)與簡(jiǎn)單操控?！疤炜諏?shí)驗(yàn)室”面臨著過(guò)熱且動(dòng)力不足的緊急情況，原計(jì)劃于次日進(jìn)行的載人發(fā)射任務(wù)推遲，地面人員迅速開展故障調(diào)查并研究形成維修方案。

天空實(shí)驗(yàn)室

5月25日，由指令長(zhǎng)Pete Conrad、航天員Paul Weitz和Joseph Kerwin組成的“天空實(shí)驗(yàn)室-2”機(jī)組乘土星1B運(yùn)載火箭從肯尼迪航天中心出發(fā)，經(jīng)數(shù)小時(shí)飛行后，順利接近了天空實(shí)驗(yàn)室并進(jìn)行繞飛檢查。

繞飛檢查發(fā)現(xiàn)一側(cè)主太陽(yáng)能帆板完全脫落

機(jī)組隨即開始了展開太陽(yáng)能帆板的首次嘗試，但以失敗告終，由于過(guò)程存在危險(xiǎn)性，機(jī)組放棄進(jìn)一步嘗試，轉(zhuǎn)而操控飛船與“天空實(shí)驗(yàn)室”對(duì)接。

繞飛檢查時(shí)拍攝到的科學(xué)氣閘

5月26日，機(jī)組三名航天員進(jìn)入艙內(nèi)，組裝好遮陽(yáng)傘并通過(guò)科學(xué)氣閘將遮陽(yáng)傘在艙外展開，順利執(zhí)行了隔熱方案，“天空實(shí)驗(yàn)室”艙內(nèi)溫度逐漸下降，穩(wěn)定在26℃左右。

兩名航天員正在開展太陽(yáng)能帆板維修出艙活動(dòng)

6月7日，兩名航天員進(jìn)行出艙活動(dòng)，按照此前制定并經(jīng)地面驗(yàn)證的太陽(yáng)能帆板展開方案開展維修工作，剪斷了纏繞的金屬帶，最終成功將太陽(yáng)能帆板完全展開，耗時(shí)3小時(shí)25分鐘。

維修方案地面驗(yàn)證

此次艙外維修任務(wù)的成功證明了，技術(shù)嫻熟、敬業(yè)的團(tuán)隊(duì)和訓(xùn)練有素的航天員能夠克服最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境，恢復(fù)嚴(yán)重受損的航天器功能。后續(xù)，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、國(guó)際空間站等項(xiàng)目的管理與工程人員也從中吸取了經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

MIR

和平號(hào)空間站

和平號(hào)空間站是蘇聯(lián)/俄羅斯的第三代空間站，也是世界上第一個(gè)采用多模塊積木式構(gòu)型的空間站。

和平號(hào)空間站

和平號(hào)空間站設(shè)計(jì)壽命為５年，實(shí)際在軌運(yùn)行15年，在此期間，共出現(xiàn)了1500余次故障，在運(yùn)行后期，航天員用于設(shè)備維護(hù)和排除故障的時(shí)間約占整個(gè)工作時(shí)間的80%。其中，航天員參與進(jìn)行的艙外維修作業(yè)包括處置交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)故障，維修氣閘艙、能源系統(tǒng)等內(nèi)容。

與航天飛機(jī)對(duì)接的和平號(hào)空間站

01

處置交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)故障

1987年3月31日，和平號(hào)空間站的第二個(gè)艙段“量子1號(hào)”天體物理艙發(fā)射，在交會(huì)對(duì)接過(guò)程中，“量子1號(hào)”與和平號(hào)空間站順利完成對(duì)接機(jī)構(gòu)的機(jī)械連接，但在鎖緊的過(guò)程中出現(xiàn)問題，未能成功。4月11日，兩名航天員出艙開展維修，在檢查兩個(gè)航天器的對(duì)接機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)存在多余物，在完成清除工作后，“量子1號(hào)”與和平號(hào)空間站的對(duì)接終于成功。

02

維修氣閘艙

1990年7月17日，兩名航天員按計(jì)劃出艙維修聯(lián)盟號(hào)飛船防熱層，由于在“量子2號(hào)”氣閘艙尚未完全減壓時(shí)打開艙門，導(dǎo)致艙門鉸鏈損壞，當(dāng)他們完成維修任務(wù)返回時(shí)，發(fā)現(xiàn)艙門出現(xiàn)故障無(wú)法完全關(guān)閉，最終啟用應(yīng)急程序安全返回。7月26日，兩名航天員出艙查看損壞情況并試圖關(guān)閉艙門，但并未達(dá)到理想效果。8月1日，航天員馬納科夫和斯特列卡洛夫抵達(dá)空間站，他們于10月攜帶工具出艙進(jìn)行維修，關(guān)閉了艙門。

1991年1月7日，兩名航天員進(jìn)行出艙活動(dòng)，將受損艙門更換為隨聯(lián)盟TM-11號(hào)飛船運(yùn)往空間站的新艙門，用時(shí)5小時(shí)18分完成本次維修工作。

03

維修能源系統(tǒng)

1997年6月25日，進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船與和平號(hào)空間站在開展交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)時(shí)發(fā)生碰撞，造成“光譜號(hào)遙感艙”太陽(yáng)能帆板部分損壞，散熱器損壞，艙體被擊穿。面對(duì)站內(nèi)氣壓下降的緊急情況，航天員在快速完成關(guān)閉艙內(nèi)大部分電氣設(shè)備、切斷穿過(guò)“光譜號(hào)”與空間站對(duì)接機(jī)構(gòu)處的電源線等操作后，關(guān)閉了“光譜號(hào)”艙門?！昂推教?hào)”艙內(nèi)氣壓恢復(fù)正常，但由于失去了此前由“光譜號(hào)”提供的1/2電能，面臨著供電不足的問題，航天員不得不關(guān)閉部分科研儀器與設(shè)備。

8月22日，兩名航天員身著艙外航天服來(lái)到失壓的光譜號(hào)艙內(nèi)，接通了3條未受損的太陽(yáng)能帆板與空間站能源系統(tǒng)連接的電纜，發(fā)電能力恢復(fù)到事故前70%左右。

9月6日，兩名航天員進(jìn)行了一次6小時(shí)的出艙活動(dòng)，查看“光譜號(hào)”外部損壞情況，對(duì)未受損的太陽(yáng)能帆板朝向進(jìn)行調(diào)整以更好地獲取太陽(yáng)能，但并未找到艙體破損的具體位置。

11月3日，兩名航天員進(jìn)行了出艙活動(dòng)，拆除了“量子1號(hào)”的舊太陽(yáng)能帆板，并于3日后安裝了新的太陽(yáng)能帆板，更換了溫控系統(tǒng)的幾個(gè)部件，“和平號(hào)”恢復(fù)了各項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

和平號(hào)空間站

HST

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡猶如一座在空間軌道上運(yùn)行的天文臺(tái)。它由三部分組成：光學(xué)部分主要是一個(gè)2.4米直徑的主反射鏡和一個(gè)0.3米直徑的副反射鏡；科學(xué)儀器部分包括廣角行星照相機(jī)、暗弱天體照相機(jī)、暗弱天體攝譜儀、戈達(dá)德高分辨率攝譜儀和高速光度計(jì)等；鋪助系統(tǒng)部分包括兩塊11.8米×2.4米的太陽(yáng)能電池板和兩副高增益拋物面天線等。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡被人類賦予九大天文觀測(cè)任務(wù)，期待它能揭開宇宙起源之謎。

哈勃望遠(yuǎn)鏡的首張?zhí)貙懻?/span>

在1993年至2009年間，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡共經(jīng)歷了5次維修任務(wù)，16名航天員進(jìn)行了23次出艙活動(dòng)，總計(jì)超過(guò)165小時(shí)，維修、更換了大量的設(shè)備。

01

首次維修

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡于1990年4月24日成功發(fā)射，然而最初傳回的圖像讓科學(xué)家們感到困惑，因?yàn)樗鼈兯尸F(xiàn)的恒星不是單一的聚焦的光點(diǎn)，而是一片模糊。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，望遠(yuǎn)鏡的主鏡在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)了0.003毫米的誤差，導(dǎo)致出現(xiàn)“球面像差”這一光學(xué)問題。此外，通過(guò)觀察實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)指向控制系統(tǒng)正遭受著出乎意料的巨大擾動(dòng)，而這擾動(dòng)在航天器進(jìn)入或離開地球陰影時(shí)變得尤為明顯，多方聯(lián)合調(diào)查分析認(rèn)為，太陽(yáng)電池陣是擾動(dòng)源。

哈勃望遠(yuǎn)鏡第一次出艙維修

為了解決這一問題，NASA制定了相應(yīng)的維修計(jì)劃，派遣STS-61機(jī)組于1993年12月2日搭乘奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)出發(fā)開展首次維修任務(wù)。航天員用機(jī)械臂抓回哈勃空間望遠(yuǎn)鏡并固定在航天飛機(jī)敞開的貨艙上，先后開展了5次出艙活動(dòng)，由4名航天員分兩組輪流開展修復(fù)工作，最終修復(fù)了相關(guān)問題。

02

第二次維修

由于哈勃空間望遠(yuǎn)鏡表面的絕緣層產(chǎn)生許多裂縫，太陽(yáng)能帆板上被微流星體撞出許多空洞，且部分設(shè)備老化，因此按計(jì)劃開始第二次維修工作。

哈勃望遠(yuǎn)鏡第二次出艙維修

1997年2月11日，美國(guó)發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)載STS-82機(jī)組升空，4名航天員分兩組通過(guò)5次出艙活動(dòng)為哈勃空間望遠(yuǎn)鏡安裝了兩臺(tái)新儀器——太空望遠(yuǎn)鏡影像攝譜儀和近紅外線照相機(jī)和多目標(biāo)分光儀，并更換了數(shù)個(gè)組件。

03

第三次維修

1999年2月，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡上的6臺(tái)陀螺儀有3臺(tái)損壞，到11月又一臺(tái)出現(xiàn)故障，“哈勃”自動(dòng)進(jìn)入“休眠”狀態(tài)，中斷了觀測(cè)活動(dòng)。

哈勃望遠(yuǎn)鏡第三次出艙維修

同年12月19日，發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)再度啟程，搭載STS-103機(jī)組執(zhí)行對(duì)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的第三次維修任務(wù)。乘組航天員通過(guò)三次出艙活動(dòng)，完成了更換速率傳感單元、高級(jí)計(jì)算機(jī)、精細(xì)導(dǎo)星傳感器，安裝電壓/溫度改善套件、固態(tài)數(shù)字錄音機(jī)等工作。

04

第四次維修

在工作12年之后，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的電力控制裝置已無(wú)法為將要新?lián)Q的先進(jìn)測(cè)繪照相機(jī)等設(shè)備提供足夠的能量，NASA決定進(jìn)行替換。

哈勃望遠(yuǎn)鏡第四次出艙維修

2002年3月2日，哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)搭載STS-109機(jī)組升空。在這次維修任務(wù)中，4名航天員5次太空行走共用35小時(shí)55分鐘，創(chuàng)造了單次航天飛機(jī)任務(wù)出艙活動(dòng)總時(shí)長(zhǎng)新紀(jì)錄。

05

第五次維修

2009年5月11日，STS-125機(jī)組乘亞特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)出發(fā)，開展哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的第五次維修任務(wù)，通過(guò)5次出艙活動(dòng)對(duì)其進(jìn)行維修與升級(jí)，以達(dá)到延壽的目的。

哈勃望遠(yuǎn)鏡第五次出艙維修

通過(guò)本次任務(wù)，航天員成功安裝了兩臺(tái)新科學(xué)儀器——廣域照相機(jī)和宇宙起源頻譜儀，并修復(fù)了另外兩臺(tái)，六臺(tái)正常運(yùn)行且互補(bǔ)的科學(xué)儀器使望遠(yuǎn)鏡能力得到提升。此外，更換了陀螺儀和電池，并安裝了新的隔熱板。

ISS

國(guó)際空間站

國(guó)際空間站是載人航天領(lǐng)域有史以來(lái)規(guī)模最大的國(guó)際合作計(jì)劃。建站20多年，國(guó)際空間站在建造和運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行了大量的維修操作，其中，航天員參與的艙外維修任務(wù)主要包括設(shè)備、部組件故障或由空間碎片碰撞導(dǎo)致的損壞維修，電力系統(tǒng)故障維修，意外事件處置等。

國(guó)際空間站

01

修復(fù)太陽(yáng)能帆板

2007年10月，在兩名航天員對(duì)太陽(yáng)能帆板重新部署的過(guò)程中，其中一側(cè)太陽(yáng)能帆板的一部分被撕裂。損壞的太陽(yáng)能帆板有可能影響到歐洲哥倫布實(shí)驗(yàn)艙的擴(kuò)展部署。

太陽(yáng)能陣列機(jī)翼在重新部署過(guò)程中被撕裂

在制定修復(fù)計(jì)劃之后，兩名航天員再次開展了為期7小時(shí)19分的出艙活動(dòng)。此次艙外維修任務(wù)十分危險(xiǎn)，為防止航天員不小心接觸太陽(yáng)能電池板而受到電擊，便對(duì)負(fù)責(zé)直接修理的航天員的艙外航天服和工具進(jìn)行了絕緣處理。航天員在受損的太陽(yáng)能電池板前進(jìn)行了數(shù)小時(shí)艱難的維修操作，他取下被卡住的金屬線，并安裝鏈扣加固太陽(yáng)能電池板，恢復(fù)了太陽(yáng)能帆板的功能。

用于穩(wěn)定國(guó)際空間站上撕裂的供電太陽(yáng)能陣列的臨時(shí)修復(fù)裝置

02

更換故障液氨泵

2010年8月，國(guó)際空間站上兩名美國(guó)航天員開展了三次艙外維修任務(wù)，成功更換了一臺(tái)冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障的液氨泵。NASA空間站管理人員稱，此次液氨泵故障修理是站上截至當(dāng)前開展的難度最大的修理工作之一。

國(guó)際空間站利用液氨來(lái)對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，使其保持在適當(dāng)溫度。液氨可把多余的熱量帶到裝在空間站主桁架上的一組散熱器中?？臻g站設(shè)有兩個(gè)主冷卻系統(tǒng)回路，A回路上的液氨泵于7月31日出故障，迫使航天員關(guān)掉了空間站內(nèi)的部分實(shí)驗(yàn)裝置和系統(tǒng)，以防出現(xiàn)過(guò)熱。

航天員在國(guó)際空間站開展出艙活動(dòng)

8月7日，兩名航天員開展首次出艙活動(dòng)，然而，在拆除故障液氨泵的過(guò)程中出現(xiàn)了氨泄漏問題。在8月11日的二度出艙時(shí)，他們成功完成了拆除工作。8月16日，兩名航天員第三次開展艙外維修任務(wù)，成功地將一臺(tái)備用液氨泵安裝到位。

03

修復(fù)數(shù)據(jù)繼電器

2017年5月20日，國(guó)際空間站上的一個(gè)數(shù)據(jù)繼電器（復(fù)用器-解復(fù)用器，MDM）發(fā)生故障。國(guó)際空間站有兩個(gè)MDM系統(tǒng)，在故障元件停止工作后，備用元件將自動(dòng)取而代之。因此，此次故障不會(huì)對(duì)航天員的安全造成威脅，也不會(huì)影響空間站的運(yùn)行。盡管如此，由于該設(shè)備控制著空間站的散熱器、太陽(yáng)能電池板和冷卻循環(huán)系統(tǒng)等重要部件，這次任務(wù)仍被認(rèn)為是“高度優(yōu)先”級(jí)的任務(wù)。2017年5月23日，兩名美國(guó)航天員緊急出艙，開展了一次為期2小時(shí)46分的艙外維修任務(wù)，成功修復(fù)了失靈的數(shù)據(jù)繼電器。NASA發(fā)言人稱這是一次“重大、意外的太空行走”。

航天員出艙修復(fù)數(shù)據(jù)繼電器

04

全女性團(tuán)隊(duì)首次出艙維修

2019年10月18日，美國(guó)女航天員員克里斯蒂娜·科赫(Christina Koch)和杰西卡·梅爾(Jessica Meir)開展了艙外維修任務(wù)。經(jīng)過(guò)7個(gè)多小時(shí)的努力，兩名航天員成功地更換了剛裝上的電池充電與放電單元（BCDU），修復(fù)了空間站的電池充電器故障。這是人類歷史上首次派遣全女性團(tuán)隊(duì)開展出艙活動(dòng)并進(jìn)行出艙維修作業(yè)。在此前的3月份，兩名女航天員首次嘗試進(jìn)行全女性太空行走，但因?yàn)槠渲幸幻教靻T的太空服未配置妥當(dāng)，最后被迫取消。

全女性團(tuán)隊(duì)首次出艙維修

這些豐富的太空維修經(jīng)歷為人類后續(xù)在太空開展工作提供了極為寶貴的經(jīng)驗(yàn)。星空浩瀚無(wú)比，探索永無(wú)止境！

【參考資料】

[1] 易予生、李立凌、羅鵬、朱珂、范高潔、王愛國(guó)、徐起、李志海：《載人航天器艙外在軌維修設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》，載《航天器工程》2023年第1期，第43-48頁(yè)；

[2] 周靜、馮彥軍、孫偉、顧桂華、張國(guó)強(qiáng)：《哈勃望遠(yuǎn)鏡太陽(yáng)翼擾動(dòng)問題識(shí)別及其修復(fù)歷程研究》，第十七屆上海航天科技論壇暨上海市宇航學(xué)會(huì)2022學(xué)術(shù)年會(huì)；

[3] 傅浩、于洋、王哲、武婷婷：《載人航天在軌維修艙外電動(dòng)工具的發(fā)展與思考》，載《載人航天》2021年第2期，第234-243頁(yè)；

[4] 王曉海：《救死扶傷的“太空醫(yī)生”——空間在軌服務(wù)技術(shù)掃描》，載《太空探索》2016年第3期，第32-35頁(yè)；

[5] 強(qiáng)靜、管春磊：《“和平”號(hào)及國(guó)際空間站維

來(lái)源：中國(guó)載人航天