航天科普 | 國外航天員開展了哪些艙外維修任務？ - 軍事

2024-03-06軍事

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上，重點完成了天和核心艙太陽翼維修工作，這是中國航天員首次完成艙外維修任務。

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、積累了寶貴經驗。本文將對國外航天員已開展的重要艙外維修任務情況進行簡要介紹。

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。

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射升空。然而，在飛行過程中，設計用於抵擋宇宙射線、降低空間碎片撞擊危害的微隕石防護罩被撕裂脫落。入軌後，由於直接暴露在太陽輻射下，艙壁及艙內溫度大幅上升，遠超設計溫度。如不及時加以幹預，將出現艙內攜帶的食品變質、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，由於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絡與簡單操控。「天空實驗室」面臨著過熱且動力不足的緊急情況，原計劃於次日進行的載人發射任務推遲，地面人員迅速開展故障調查並研究形成維修方案。

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運載火箭從堅尼地航天中心出發，經數小時飛行後，順利接近了天空實驗室並進行繞飛檢查。

繞飛檢查發現一側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，由於過程存在危險性，機組放棄進一步嘗試，轉而操控飛船與「天空實驗室」對接。

繞飛檢查時拍攝到的科學氣閘

5月26日，機組三名航天員進入艙內，組裝好遮陽傘並透過科學氣閘將遮陽傘在艙外展開，順利執行了隔熱方案，「天空實驗室」艙內溫度逐漸下降，穩定在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，按照此前制定並經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

此次艙外維修任務的成功證明了，技術嫻熟、敬業的團隊和訓練有素的航天員能夠克服最具挑戰性的環境，恢復嚴重受損的航天器功能。後續，哈伯空間望遠鏡、國際太空站等專案的管理與工程人員也從中吸取了經驗教訓。

MIR

和平號空間站

和平號空間站是蘇聯/俄羅斯的第三代空間站，也是世界上第一個采用多模組積木式構型的空間站。

和平號空間站

和平號空間站設計壽命為５年，實際在軌執行15年，在此期間，共出現了1500余次故障，在執行後期，航天員用於器材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包括處置交會對接機構故障，維修氣閘艙、能源系統等內容。

與太空穿梭機對接的和平號空間站

處置交會對接機構故障

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的機械連線，但在鎖緊的過程中出現問題，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時發現存在多余物，在完成清除工作後，「量子1號」與和平號空間站的對接終於成功。

維修氣閘艙

1990年7月17日，兩名航天員按計劃出艙維修聯盟號飛船防熱層，由於在「量子2號」氣閘艙尚未完全減壓時開啟艙門，導致艙門鉸鏈損壞，當他們完成維修任務返回時，發現艙門出現故障無法完全關閉，最終啟用應急程式安全返回。7月26日，兩名航天員出艙檢視損壞情況並試圖關閉艙門，但並未達到理想效果。8月1日，航天員馬納科夫和斯特列卡洛夫抵達空間站，他們於10月攜帶工具出艙進行維修，關閉了艙門。

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。

維修能源系統

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生碰撞，造成「光譜號遙感艙」太陽能帆板部份損壞，散熱器損壞，艙體被擊穿。面對站內氣壓下降的緊急情況，航天員在快速完成關閉艙內大部份電氣器材、切斷穿過「光譜號」與空間站對接機構處的電源線等操作後，關閉了「光譜號」艙門。「和平號」艙內氣壓恢復正常，但由於失去了此前由「光譜號」提供的1/2電能，面臨著供電不足的問題，航天員不得不關閉部份科研儀器與器材。

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，接通了3條未受損的太陽能帆板與空間站能源系統連線的電纜，發電能力恢復到事故前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，檢視「光譜號」外部損壞情況，對未受損的太陽能帆板朝向進行調整以更好地獲取太陽能，但並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，並於3日後安裝了新的太陽能帆板，更換了溫控系統的幾個部件，「和平號」恢復了各項科學實驗活動。

和平號空間站

HST

哈伯空間望遠鏡

哈伯空間望遠鏡猶如一座在空間軌域上執行的天文台。它由三部份組成：光學部份主要是一個2.4米直徑的主反射鏡和一個0.3米直徑的副反射鏡；科學儀器部份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；鋪助系統部份包括兩塊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。哈伯空間望遠鏡被人類賦予九大天文觀測任務，期待它能揭開宇宙起源之謎。

哈勃望遠鏡的首張特寫照

在1993年至2009年間，哈伯空間望遠鏡共經歷了5次維修任務，16名航天員進行了23次出艙活動，總計超過165小時，維修、更換了大量的器材。

首次維修

哈伯空間望遠鏡於1990年4月24日成功發射，然而最初傳回的影像讓科學家們感到困惑，因為它們所呈現的恒星不是單一的聚焦的光點，而是一片模糊。經調查發現，望遠鏡的主鏡在生產過程中出現了0.003毫米的誤差，導致出現「球面像差」這一光學問題。此外，透過觀察即時遙測數據，發現指向控制系統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，多方聯合調查分析認為，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制定了相應的維修計劃，派遣STS-61機組於1993年12月2日搭乘奮進號太空穿梭機出發開展首次維修任務。航天員用機械臂抓回哈伯空間望遠鏡並固定在太空穿梭機敞開的貨艙上，先後開展了5次出艙活動，由4名航天員分兩組輪流開展修復工作，最終修復了相關問題。

第二次維修

由於哈伯空間望遠鏡表面的絕緣層產生許多裂縫，太陽能帆板上被微流星體撞出許多空洞，且部份器材老化，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，美國發現號太空穿梭機載STS-82機組升空，4名航天員分兩組透過5次出艙活動為哈伯空間望遠鏡安裝了兩台新儀器——太空望遠鏡影像攝譜儀和近紅外線照相機和多目標分光儀，並更換了數個元件。

第三次維修

1999年2月，哈伯空間望遠鏡上的6台陀螺儀有3台損壞，到11月又一台出現故障，「哈伯」自動進入「休眠」狀態，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，發現號太空穿梭機再度啟程，搭載STS-103機組執行對哈伯空間望遠鏡的第三次維修任務。乘組航天員透過三次出艙活動，完成了更換速率傳感單元、高級電腦、精細導星傳感器，安裝電壓/溫度改善套件、固態數碼錄音機等工作。

第四次維修

在工作12年之後，哈伯空間望遠鏡的電力控制裝置已無法為將要新換的先進測繪照相機等器材提供足夠的能量，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，哥倫比亞號太空穿梭機搭載STS-109機組升空。在這次維修任務中，4名航天員5次太空行走共用35小時55分鐘，創造了單次太空穿梭機任務出艙活動總時長新紀錄。

第五次維修

2009年5月11日，STS-125機組乘亞特蘭蒂斯號太空穿梭機出發，開展哈伯空間望遠鏡的第五次維修任務，透過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

透過本次任務，航天員成功安裝了兩台新科學儀器——廣域照相機和宇宙起源頻譜儀，並修復了另外兩台，六台正常執行且互補的科學儀器使望遠鏡能力得到提升。此外，更換了陀螺儀和電池，並安裝了新的隔熱板。

ISS

國際太空站

國際太空站是載人航天領域有史以來規模最大的國際合作計劃。建站20多年，國際太空站在建造和執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主要包括器材、部元件故障或由空間碎片碰撞導致的損壞維修，電力系統故障維修，意外事件處置等。

國際太空站

修復太陽能帆板

2007年10月，在兩名航天員對太陽能帆板重新部署的過程中，其中一側太陽能帆板的一部份被撕裂。損壞的太陽能帆板有可能影響到歐洲哥倫布實驗艙的擴充套件部署。

太陽能陣列機翼在重新部署過程中被撕裂

在制定修復計劃之後，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小時艱難的維修操作，他取下被卡住的金屬線，並安裝鏈扣加固太陽能電池板，恢復了太陽能帆板的功能。

用於穩定國際太空站上撕裂的供電太陽能陣列的臨時修復裝置

更換故障液氨泵

2010年8月，國際太空站上兩名美國航天員開展了三次艙外維修任務，成功更換了一台冷卻系統出現故障的液氨泵。NASA空間站管理人員稱，此次液氨泵故障修理是站上截至當前開展的難度最大的修理工作之一。

國際太空站利用液氨來對各系統進行冷卻，使其保持在適當溫度。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。空間站設有兩個主冷卻系統回路，A回路上的液氨泵於7月31日出故障，迫使航天員關掉了空間站內的部份實驗裝置和系統，以防出現過熱。

航天員在國際太空站開展出艙活動

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，成功地將一台備用液氨泵安裝到位。

修復數據繼電器

2017年5月20日，國際太空站上的一個數據繼電器（復用器-解復用器，MDM）發生故障。國際太空站有兩個MDM系統，在故障元件停止工作後，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執行。盡管如此，由於該器材控制著空間站的散熱器、太陽能電池板和冷卻迴圈系統等重要部件，這次任務仍被認為是「高度優先」級的任務。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，成功修復了失靈的數據繼電器。NASA發言人稱這是一次「重大、意外的太空行走」。

航天員出艙修復數據繼電器

全女性團隊首次出艙維修

2019年10月18日，美國女航天員員姬絲蒂娜·科赫(Christina Koch)和謝茜嘉·梅爾(Jessica Meir)開展了艙外維修任務。經過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並進行出艙維修作業。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，最後被迫取消。