國際太空站又生事故 剩餘壽命成關注

2021-09-12 00:37:40 最後更新日期:2021-09-15 14:19:36
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

ISS 07 29 21本年8月國際太空站的配置圖,Nauka就是那個新加入且差點令國際太空站失控的大艙。(照片來自NASA)

國際太空站壽命已達20年,理論上其壽命約於2024年屆滿,若經延壽將可達2028-29年。直至現時,太空站的裝備仍不斷更新,例如剛好換裝新高輸出光伏板,插上新實驗艙並換上更新的工作用機械臂,但近兩年大小事故仍時有發生,除懷疑被鑽孔破壞外,之前俄製的新服務艙科學艙突然開動其姿勢調整引擎,並令整個國際太空站超限制滾動達1小時才成功恢復,而曙光艙去年的裂紋洩氣事件也只是暫時解決。至本星期初,太空站不但發現新的裂紋,甚至懷疑曾發生小火,其情況頗令人憂慮。

太空站中的密閉空間大火可大可小,其中最為嚴重的算是1997年和平號太空站 EO 23任務周期間所發生的大火。

本星期兩個事故都是發生在俄國太空艙區域,即曙光艙與星辰艙,首先,曙光艙今次發現新的裂痕,雖然和之前星晨艙的裂紋有點不一樣 ,並非穿透性,但這也顯示兩個太空艙的外部金屬疲勞正在嚴重化;另一方面,星辰艙在洩氣情況還未完全解決的情況下,發生了可能更具危險性的小火,就半島電視台英語頻道(Al Jazeera English)所報道,小火可能是太空站充電時所造成,有可能是電池漏電令塑膠絕緣層溶毀(據稱現場有較濃的燒膠氣味),又或者相關的機電原件受到宇宙射線影響而損壞,導致漏電。無論如何,這對於想延壽至2020年代晚期的計劃影響不少。

 15900宇宙射線中近光速的較重原子,可以對二極管的物質造成相當深的破壞。這是一片二極管物質的橫切面,而尺寸標示的100微米,其實已相當於0.1毫米。若是打在鋼或鋁合金板上,也有同樣的破壞效果,足以加速表面的金屬疲勞。(圖片來自以下論文報告連結

通常而言,太空站雖然仍是鋁 / 鋼殼體為主,但加壓部份都有15-20MM厚,比飛機蒙皮厚不少,然而面對每日繞地球運轉30次,即等於加壓區需承受30次熱脹冷縮,用久了有裂紋根本不算稀奇,過去的太空站壽命最多15年,這很難成為嚴重問題,但現在太空站預期壽命至少延長到28年,問題才嚴重化。

The 太空站外殼的裂痕和飛機蒙皮的比較相似,多是原有瑕疵及長年加壓艙部分熱脹冷縮導致的金屬疲勞,只是太空站的外殼更厚,且過去也沒有太空站長壽到出現具穿透性的裂痕。(圖片來自連結)

此外,近二十年強烈宇宙射線與太陽紫外線照射,同樣會損害太空站結構。我們一般只對宇宙射線對太空人及太空站上的電子儀器的損害有深入的研究,但宇宙射線中較重原素的極高速撞擊,以及撞擊後發生的大量次生粒子二次撞擊,都會進一步損害太空站的外殼,尤其是對已在軌道運行十多二十年的飛行物而言,傷害更為明顯;加上二十年內各類微流星體撞擊,以及低軌道中殘餘存在的氧原子在高速撞擊下與太空站外殼中的聚合物料層發生劇烈的高溫氧化反應,對於太空站上最「老」的在軌結構只會有更大的影響。

AAe11993年,美國與俄國決定將手上已經停擺的新太空站項目,改成以美俄為主的國際合作項目。國際太空站就是以縮減艙段但仍保留大部分非氣密的衍架支援裝備結構的自由號太空站,再加上削除了設備衍架結構的部份和平2號太空站組件重新組合而成,而且核心艙亦正是俄國的星辰服務艙,可說是同時具備美式和俄式結構與優點的巨型太空站。(網絡圖片)

當然,兩個俄國艙也存在不少的問題。這兩個艙是國際太空站最早期發射入軌的艙段,但它們的建造時間其實比國際太空站的歷史久遠得多:這兩個艙段的殼體及內部結構的建造完成時間是1986年!當時蘇聯尚餘6年的壽命!事實上,兩個艙段都是冷戰末期蘇聯新太空站「和平號」與「和平二號」尚未使用的組件,而且也和蘇聯太空武器計劃有關。

這點和美國「自由號」太空站很不一樣:蘇聯「和平二號」太空站設計完成前,標準艙模組已經準備好,但同樣處於設計階段的「自由號」,則尚未有任何艙室製造出來,美俄兩個太空項目的組件年齡 / 壽命已相差了一截。更大的問題是,美俄參與國際太空站合作時,俄國的停泊系統由於無法塞進的國際標準載荷支架(International Standard Payload Rack / ISPR),也因為過去沒有可隨時更換受損載荷儀器的設計概念,壞了也沒法整個搬走,也難以更換損壞的硬件,這對於維持兩個俄國艙的運作也構成相當大的困難。

 REF: 97E04077 OCTOBER 01, 1997, KRUNICHEV SPACE CENTER, MOSCOW. SERVICE MODULE WILL PROVIDE EARLY POWER, PROPULSION, LIFE SUPPORT, COMMUNICATION AND LIVING QUARTERS FOR THE ISS .  THE FIRST FULLY RUSSIAN CONTRIBUJTION TO THE STATION.星辰艙本來的編號是 DOS-8,即禮砲8號太空艙系列,原作為和平2號的核心組件,而且這型太空艙還有一個更巨大的加長型DOS-17K,即是後來著名的、全長竟超過35米的極地太空激光戰鬥站的本體。及後由於該衛星發射失敗及計劃終止,加上和平二號無限期延遲,這個艙裝好基本儀器後就一直丟在艙庫中,直到和平II號和自由號太空站「合體」,才有機會繼續升空使用。左上圖為1997年10月還在製作中的星辰艙;下圖為現時星辰艙的結構圖,而右上圖為星辰艙內部睡眠間的位置,還是「站著睡」的。(圖片來自連結1連結2及維基百科)

這個問題其實不能忽視,畢竟庫存品有保養,但其庫存時間還是會計算在總壽命中,即直到今天,兩個俄國艙已經有36年(16年在庫 + 20年在軌)的壽命了,航天史上還沒有這麼大齡仍在軌工作的航天器。地面上長期放置其實也會增加故障或結構老化的機會,本年一月SLS地面引擎試驗突然終止,也可能是和引擎放置了接近20年有關。再講,1980年代蘇聯的製作標準也沒有要求有那麼長的使用壽命,要它們過分超期服役也是有一定風險的。

1590056790 00曙光艙的歷史同樣「悠久」,其原本來自和平號太空站預備使用的FGB功能艙,作用是維持太空站推進動力、電力及氧氣、循環水供應的運作。不過由於發射計劃改變,80年代中期就造出殼體的本艙就一直丟在艙庫中作為備用,及後原作為極地戰鬥衛星原型星的功能艙,但因計劃終止而又打回倉庫中,到1990年代中期決定建造國際太空站後,本艙被美國航天公司Spacehab Inc買下並拿來作進一步改建,並裝上原本用於極地戰鬥衛星的推進引擎,作為太空站早期軌道推進及環境調控段,並作為聯盟太空艙停泊點。(圖左為極地戰鬥衛星中FGB動力及功能艙接駁的位置,後面可搭載一個進步型載人飛船;右圖是曙光艙外部基本結構。圖片及資料來自連結1連結2)

至於是否可以更換?可行性及是否值得都是問題,因為禮砲系列太空艙早已停產30年,重新製作、升級生產與壽命標準、再到進行測試等沒有五年都不成事,幾乎肯定趕不上時程(這裏已不計俄國沒有足夠資金的問題)。若放棄問題最多的星辰艙,問題將會更大,因為國際太空站得以維持在軌的動力來源是來自它的火箭推進裝置,一旦脫離,那太空站的「陽壽」也將盡,單靠幾艘駁艇飛船的動力及燃料量,很難把將近500噸重的物體推回所需軌道。

nauka iss docking 3 1 e1627637211536俄國的科學號實驗艙,也是國際太空站的最新成員,不過和其他俄國太空艙產品相約,都是舊貨。本艙在1990年代原是曙光艙的後備艙,同時也是基於FGB多功能操控艙,及後俄國將其改成科學研究艙,並打算於2007年發射。然而計劃一拖再拖了十四年,至本年七月底才完成;更有甚者,在對接後十日本艙忽然打開姿勢調整引擎猛噴,並令太空站在44分鐘內無端轉了一圈半,要開動另一組姿勢制禦引擎才能停下來。(照片來自NASA/Shane Kimbrough)

另一方面,美國國會亦可能因應未來載人登月的阿提密斯計劃、火星登陸計劃及大型核動力載人飛船的發展,而停止2024年後對太空站的撥款。由於沒能知道有沒有私營機構接手,單靠現時其他國家的撥款也不夠維持營運,若是如此,加上俄國太空艙老舊所造成的潛在安全問題,各參與國可能讓太空站在2024年後停擺。

The ALunar Gateway太空站只作為中轉站,空間太小,加壓區只有國際太空站的1/7,甚至只和第一期建成後的天宮空間站差不多。(圖片來自NASA)

由於作為登月中轉站的小型太空站Lunar Gateway還未正式落實,且規模也太小(只作人員中轉與登月支援站),很多實驗也沒有辦法進行,若阿提密斯計劃有所差遲(而以美國今天的財政狀況而言,計劃押後的機會不小),而作為主引擎的星辰艙情況又惡化到不能不放棄,那國際太空站就真的要退役了,屆時若果連SpaceX的星艦也未成熟至可進行載人太空任務,那麼載人長期太空任務,就真的只餘下中國的天宮太空站了!

發佈於 科學新知
By 2021-09-12

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