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

在載人航天史上，艙外維修活動始終伴隨著人類逐夢蒼穹的步伐。數(shù)以百計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實基礎(chǔ)、積累了寶貴經(jīng)驗。本文將對國外航天員已開展的重要艙外維修任務(wù)情況進行簡要介紹。

Skylab

天空實驗室

“天空實驗室”是美國的第一個空間站。在任務(wù)期間，兩名美國航天員完成了人類歷史上的首次艙外維修任務(wù)。

天空實驗室

1973年5月14日，“天空實驗室”搭乘土星五號運載火箭發(fā)射升空。然而，在飛行過程中，設(shè)計用于抵擋宇宙射線、降低空間碎片撞擊危害的微隕石防護罩被撕裂脫落。入軌后，由于直接暴露在太陽輻射下，艙壁及艙內(nèi)溫度大幅上升，遠超設(shè)計溫度。如不及時加以干預(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氣體等情況，航天員無法按計劃工作生活。此外，由于主太陽能帆板受損且未能按計劃展開，依靠阿波羅太陽望遠鏡的四塊小型太陽能帆板僅能維持與地面的基本聯(lián)絡(luò)與簡單操控。“天空實驗室”面臨著過熱且動力不足的緊急情況，原計劃于次日進行的載人發(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。

天空實驗室

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

繞飛檢查發(fā)現(xiàn)一側(cè)主太陽能帆板完全脫落

機組隨即開始了展開太陽能帆板的首次嘗試，但以失敗告終，由于過程存在危險性，機組放棄進一步嘗試，轉(zhuǎn)而操控飛船與“天空實驗室”對接。

繞飛檢查時拍攝到的科學(xué)氣閘

5月26日，機組三名航天員進入艙內(nèi)，組裝好遮陽傘并通過科學(xué)氣閘將遮陽傘在艙外展開，順利執(zhí)行了隔熱方案，“天空實驗室”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能帆板維修出艙活動

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

維修方案地面驗證

此次艙外維修任務(wù)的成功證明了，技術(shù)嫻熟、敬業(yè)的團隊和訓(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)嚴重受損的航天器功能。后續(xù)，哈勃空間望遠鏡、國際空間站等項目的管理與工程人員也從中吸取了經(jīng)驗教訓(xùn)。

MIR

和平號空間站

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

和平號空間站

和平號空間站設(shè)計壽命為５年，實際在軌運行15年，在此期間，共出現(xiàn)了1500余次故障，在運行后期，航天員用于設(shè)備維護和排除故障的時間約占整個工作時間的80%。其中，航天員參與進行的艙外維修作業(yè)包括處置交會對接機構(gòu)故障，維修氣閘艙、能源系統(tǒng)等內(nèi)容。

與航天飛機對接的和平號空間站

01

處置交會對接機構(gòu)故障

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

02

維修氣閘艙

1990年7月17日，兩名航天員按計劃出艙維修聯(lián)盟號飛船防熱層，由于在“量子2號”氣閘艙尚未完全減壓時打開艙門，導(dǎo)致艙門鉸鏈損壞，當(dāng)他們完成維修任務(wù)返回時，發(fā)現(xiàn)艙門出現(xiàn)故障無法完全關(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空間站，他們于10月攜帶工具出艙進行維修，關(guān)閉了艙門。

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

03

維修能源系統(tǒng)

1997年6月25日，進步號貨運飛船與和平號空間站在開展交會對接試驗時發(fā)生碰撞，造成“光譜號遙感艙”太陽能帆板部分損壞，散熱器損壞，艙體被擊穿。面對站內(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“光譜號”與空間站對接機構(gòu)處的電源線等操作后，關(guān)閉了“光譜號”艙門?！昂推教枴迸搩?nèi)氣壓恢復(fù)正常，但由于失去了此前由“光譜號”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到失壓的光譜號艙內(nèi)，接通了3條未受損的太陽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，兩名航天員進行了一次6小時的出艙活動，查看“光譜號”外部損壞情況，對未受損的太陽能帆板朝向進行調(diào)整以更好地獲取太陽能，但并未找到艙體破損的具體位置。

11月3日，兩名航天員進行了出艙活動，拆除了“量子1號”的舊太陽能帆板，并于3日后安裝了新的太陽能帆板，更換了溫控系統(tǒng)的幾個部件，“和平號”恢復(fù)了各項科學(xué)實驗活動。

和平號空間站

HST

哈勃空間望遠鏡

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

哈勃望遠鏡的首張?zhí)貙懻?/span>

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

01

首次維修

哈勃空間望遠鏡于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，因為它們所呈現(xiàn)的恒星不是單一的聚焦的光點，而是一片模糊。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，望遠鏡的主鏡在生產(chǎn)過程中出現(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，通過觀察實時遙測數(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，而這擾動在航天器進入或離開地球陰影時變得尤為明顯，多方聯(lián)合調(diào)查分析認為，太陽電池陣是擾動源。

哈勃望遠鏡第一次出艙維修

為了解決這一問題，NASA制定了相應(yīng)的維修計劃，派遣STS-61機組于1993年12月2日搭乘奮進號航天飛機出發(fā)開展首次維修任務(wù)。航天員用機械臂抓回哈勃空間望遠鏡并固定在航天飛機敞開的貨艙上，先后開展了5次出艙活動，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

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

哈勃望遠鏡第二次出艙維修

1997年2月11日，美國發(fā)現(xiàn)號航天飛機載STS-82機組升空，4名航天員分兩組通過5次出艙活動為哈勃空間望遠鏡安裝了兩臺新儀器——太空望遠鏡影像攝譜儀和近紅外線照相機和多目標(biāo)分光儀，并更換了數(shù)個組件。

03

第三次維修

1999年2月，哈勃空間望遠鏡上的6臺陀螺儀有3臺損壞，到11月又一臺出現(xiàn)故障，“哈勃”自動進入“休眠”狀態(tài)，中斷了觀測活動。

哈勃望遠鏡第三次出艙維修

同年12月19日，發(fā)現(xiàn)號航天飛機再度啟程，搭載STS-103機組執(zhí)行對哈勃空間望遠鏡的第三次維修任務(wù)。乘組航天員通過三次出艙活動，完成了更換速率傳感單元、高級計算機、精細導(dǎo)星傳感器，安裝電壓/溫度改善套件、固態(tài)數(shù)字錄音機等工作。

04

第四次維修

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

哈勃望遠鏡第四次出艙維修

2002年3月2日，哥倫比亞號航天飛機搭載STS-109機組升空。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55分鐘，創(chuàng)造了單次航天飛機任務(wù)出艙活動總時長新紀錄。

05

第五次維修

2009年5月11日，STS-125機組乘亞特蘭蒂斯號航天飛機出發(fā)，開展哈勃空間望遠鏡的第五次維修任務(wù)，通過5次出艙活動對其進行維修與升級，以達到延壽的目的。

哈勃望遠鏡第五次出艙維修

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

ISS

國際空間站

國際空間站是載人航天領(lǐng)域有史以來規(guī)模最大的國際合作計劃。建站20多年，國際空間站在建造和運行過程中進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。

國際空間站

01

修復(fù)太陽能帆板

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

太陽能陣列機翼在重新部署過程中被撕裂

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

用于穩(wěn)定國際空間站上撕裂的供電太陽能陣列的臨時修復(fù)裝置

02

更換故障液氨泵

2010年8月，國際空間站上兩名美國航天員開展了三次艙外維修任務(wù)，成功更換了一臺冷卻系統(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。

國際空間站利用液氨來對各系統(tǒng)進行冷卻，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。空間站設(shè)有兩個主冷卻系統(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)的部分實驗裝置和系統(tǒng)，以防出現(xiàn)過熱。

航天員在國際空間站開展出艙活動

8月7日，兩名航天員開展首次出艙活動，然而，在拆除故障液氨泵的過程中出現(xiàn)了氨泄漏問題。在8月11日的二度出艙時，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，國際空間站上的一個數(shù)據(jù)繼電器（復(fù)用器-解復(fù)用器，MDM）發(fā)生故障。國際空間站有兩個MDM系統(tǒng)，在故障元件停止工作后，備用元件將自動取而代之。因此，此次故障不會對航天員的安全造成威脅，也不會影響空間站的運行。盡管如此，由于該設(shè)備控制著空間站的散熱器、太陽能電池板和冷卻循環(huán)系統(tǒng)等重要部件，這次任務(wù)仍被認為是“高度優(yōu)先”級的任務(wù)。2017年5月23日，兩名美國航天員緊急出艙，開展了一次為期2小時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

全女性團隊首次出艙維修

2019年10月18日，美國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7個多小時的努力，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隊開展出艙活動并進行出艙維修作業(yè)。在此前的3月份，兩名女航天員首次嘗試進行全女性太空行走，但因為其中一名航天員的太空服未配置妥當(dāng)，最后被迫取消。

全女性團隊首次出艙維修

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。星空浩瀚無比，探索永無止境！

【參考資料】

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

[2] 周靜、馮彥軍、孫偉、顧桂華、張國強：《哈勃望遠鏡太陽翼擾動問題識別及其修復(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2022學(xué)術(shù)年會；

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

[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；

[5] 強靜、管春磊：《“和平”號及國際空間站維

來源：中國載人航天