航天科普 – 国外航天员开展了哪些舱外维修任务？（航天员出舱维修）

2024年3月2日，神舟十七号航天员乘组圆满完成第二次出舱活动，在上次出舱维修试验的基础上，重点完成了天和核心舱太阳翼维修工作，这是我国航天员首次完成舱外维修任务。

在载人航天史上，舱外维修活动始终伴随着人类逐梦苍穹的步伐。数以百计的航天员勇敢离开舒适的“太空母港”，置身寒冷寂寥的空间，为人类探索太空打下了坚实基础、积累了宝贵经验。本文将对国外航天员已开展的重要舱外维修任务情况进行简要介绍。

Skylab

天空实验室

“天空实验室”是美国的第一个空间站。在任务期间，两名美国航天员完成了人类历史上的首次舱外维修任务。

天空实验室

1973年5月14日，“天空实验室”搭乘土星五号运载火箭发射升空。然而，在飞行过程中，设计用于抵挡宇宙射线、降低空间碎片撞击危害的微陨石防护罩被撕裂脱落。入轨后，由于直接暴露在太阳辐射下，舱壁及舱内温度大幅上升，远超设计温度。如不及时加以干预，将出现舱内携带的食品变质、药品失效，舱壁材料分解释放危险气体等情况，航天员无法按计划工作生活。此外，由于主太阳能帆板受损且未能按计划展开，依靠阿波罗太阳望远镜的四块小型太阳能帆板仅能维持与地面的基本联络与简单操控。“天空实验室”面临着过热且动力不足的紧急情况，原计划于次日进行的载人发射任务推迟，地面人员迅速开展故障调查并研究形成维修方案。

天空实验室

5月25日，由指令长Pete Conrad、航天员Paul Weitz和Joseph Kerwin组成的“天空实验室-2”机组乘土星1B运载火箭从肯尼迪航天中心出发，经数小时飞行后，顺利接近了天空实验室并进行绕飞检查。

绕飞检查发现一侧主太阳能帆板完全脱落

机组随即开始了展开太阳能帆板的首次尝试，但以失败告终，由于过程存在危险性，机组放弃进一步尝试，转而操控飞船与“天空实验室”对接。

绕飞检查时拍摄到的科学气闸

5月26日，机组三名航天员进入舱内，组装好遮阳伞并通过科学气闸将遮阳伞在舱外展开，顺利执行了隔热方案，“天空实验室”舱内温度逐渐下降，稳定在26℃左右。

两名航天员正在开展太阳能帆板维修出舱活动

6月7日，两名航天员进行出舱活动，按照此前制定并经地面验证的太阳能帆板展开方案开展维修工作，剪断了缠绕的金属带，最终成功将太阳能帆板完全展开，耗时3小时25分钟。

维修方案地面验证

此次舱外维修任务的成功证明了，技术娴熟、敬业的团队和训练有素的航天员能够克服最具挑战性的环境，恢复严重受损的航天器功能。后续，哈勃空间望远镜、国际空间站等项目的管理与工程人员也从中吸取了经验教训。

MIR

和平号空间站

和平号空间站是苏联/俄罗斯的第三代空间站，也是世界上第一个采用多模块积木式构型的空间站。

和平号空间站

和平号空间站设计寿命为５年，实际在轨运行15年，在此期间，共出现了1500余次故障，在运行后期，航天员用于设备维护和排除故障的时间约占整个工作时间的80%。其中，航天员参与进行的舱外维修作业包括处置交会对接机构故障，维修气闸舱、能源系统等内容。

与航天飞机对接的和平号空间站

01

处置交会对接机构故障

1987年3月31日，和平号空间站的第二个舱段“量子1号”天体物理舱发射，在交会对接过程中，“量子1号”与和平号空间站顺利完成对接机构的机械连接，但在锁紧的过程中出现问题，未能成功。4月11日，两名航天员出舱开展维修，在检查两个航天器的对接机构时发现存在多余物，在完成清除工作后，“量子1号”与和平号空间站的对接终于成功。

02

维修气闸舱

1990年7月17日，两名航天员按计划出舱维修联盟号飞船防热层，由于在“量子2号”气闸舱尚未完全减压时打开舱门，导致舱门铰链损坏，当他们完成维修任务返回时，发现舱门出现故障无法完全关闭，最终启用应急程序安全返回。7月26日，两名航天员出舱查看损坏情况并试图关闭舱门，但并未达到理想效果。8月1日，航天员马纳科夫和斯特列卡洛夫抵达空间站，他们于10月携带工具出舱进行维修，关闭了舱门。

1991年1月7日，两名航天员进行出舱活动，将受损舱门更换为随联盟TM-11号飞船运往空间站的新舱门，用时5小时18分完成本次维修工作。

03

维修能源系统

1997年6月25日，进步号货运飞船与和平号空间站在开展交会对接试验时发生碰撞，造成“光谱号遥感舱”太阳能帆板部分损坏，散热器损坏，舱体被击穿。面对站内气压下降的紧急情况，航天员在快速完成关闭舱内大部分电气设备、切断穿过“光谱号”与空间站对接机构处的电源线等操作后，关闭了“光谱号”舱门。“和平号”舱内气压恢复正常，但由于失去了此前由“光谱号”提供的1/2电能，面临着供电不足的问题，航天员不得不关闭部分科研仪器与设备。

8月22日，两名航天员身着舱外航天服来到失压的光谱号舱内，接通了3条未受损的太阳能帆板与空间站能源系统连接的电缆，发电能力恢复到事故前70%左右。

9月6日，两名航天员进行了一次6小时的出舱活动，查看“光谱号”外部损坏情况，对未受损的太阳能帆板朝向进行调整以更好地获取太阳能，但并未找到舱体破损的具体位置。

11月3日，两名航天员进行了出舱活动，拆除了“量子1号”的旧太阳能帆板，并于3日后安装了新的太阳能帆板，更换了温控系统的几个部件，“和平号”恢复了各项科学实验活动。

和平号空间站

HST

哈勃空间望远镜

哈勃空间望远镜犹如一座在空间轨道上运行的天文台。它由三部分组成：光学部分主要是一个2.4米直径的主反射镜和一个0.3米直径的副反射镜；科学仪器部分包括广角行星照相机、暗弱天体照相机、暗弱天体摄谱仪、戈达德高分辨率摄谱仪和高速光度计等；铺助系统部分包括两块11.8米×2.4米的太阳能电池板和两副高增益抛物面天线等。哈勃空间望远镜被人类赋予九大天文观测任务，期待它能揭开宇宙起源之谜。

哈勃望远镜的首张特写照

在1993年至2009年间，哈勃空间望远镜共经历了5次维修任务，16名航天员进行了23次出舱活动，总计超过165小时，维修、更换了大量的设备。

01

首次维修

哈勃空间望远镜于1990年4月24日成功发射，然而最初传回的图像让科学家们感到困惑，因为它们所呈现的恒星不是单一的聚焦的光点，而是一片模糊。经调查发现，望远镜的主镜在生产过程中出现了0.003毫米的误差，导致出现“球面像差”这一光学问题。此外，通过观察实时遥测数据，发现指向控制系统正遭受着出乎意料的巨大扰动，而这扰动在航天器进入或离开地球阴影时变得尤为明显，多方联合调查分析认为，太阳电池阵是扰动源。

哈勃望远镜第一次出舱维修

为了解决这一问题，NASA制定了相应的维修计划，派遣STS-61机组于1993年12月2日搭乘奋进号航天飞机出发开展首次维修任务。航天员用机械臂抓回哈勃空间望远镜并固定在航天飞机敞开的货舱上，先后开展了5次出舱活动，由4名航天员分两组轮流开展修复工作，最终修复了相关问题。

02

第二次维修

由于哈勃空间望远镜表面的绝缘层产生许多裂缝，太阳能帆板上被微流星体撞出许多空洞，且部分设备老化，因此按计划开始第二次维修工作。

哈勃望远镜第二次出舱维修

1997年2月11日，美国发现号航天飞机载STS-82机组升空，4名航天员分两组通过5次出舱活动为哈勃空间望远镜安装了两台新仪器——太空望远镜影像摄谱仪和近红外线照相机和多目标分光仪，并更换了数个组件。

03

第三次维修

1999年2月，哈勃空间望远镜上的6台陀螺仪有3台损坏，到11月又一台出现故障，“哈勃”自动进入“休眠”状态，中断了观测活动。

哈勃望远镜第三次出舱维修

同年12月19日，发现号航天飞机再度启程，搭载STS-103机组执行对哈勃空间望远镜的第三次维修任务。乘组航天员通过三次出舱活动，完成了更换速率传感单元、高级计算机、精细导星传感器，安装电压/温度改善套件、固态数字录音机等工作。

04

第四次维修

在工作12年之后，哈勃空间望远镜的电力控制装置已无法为将要新换的先进测绘照相机等设备提供足够的能量，NASA决定进行替换。

哈勃望远镜第四次出舱维修

2002年3月2日，哥伦比亚号航天飞机搭载STS-109机组升空。在这次维修任务中，4名航天员5次太空行走共用35小时55分钟，创造了单次航天飞机任务出舱活动总时长新纪录。

05

第五次维修

2009年5月11日，STS-125机组乘亚特兰蒂斯号航天飞机出发，开展哈勃空间望远镜的第五次维修任务，通过5次出舱活动对其进行维修与升级，以达到延寿的目的。

哈勃望远镜第五次出舱维修

通过本次任务，航天员成功安装了两台新科学仪器——广域照相机和宇宙起源频谱仪，并修复了另外两台，六台正常运行且互补的科学仪器使望远镜能力得到提升。此外，更换了陀螺仪和电池，并安装了新的隔热板。

ISS

国际空间站

国际空间站是载人航天领域有史以来规模最大的国际合作计划。建站20多年，国际空间站在建造和运行过程中进行了大量的维修操作，其中，航天员参与的舱外维修任务主要包括设备、部组件故障或由空间碎片碰撞导致的损坏维修，电力系统故障维修，意外事件处置等。

国际空间站

01

修复太阳能帆板

2007年10月，在两名航天员对太阳能帆板重新部署的过程中，其中一侧太阳能帆板的一部分被撕裂。损坏的太阳能帆板有可能影响到欧洲哥伦布实验舱的扩展部署。

太阳能阵列机翼在重新部署过程中被撕裂

在制定修复计划之后，两名航天员再次开展了为期7小时19分的出舱活动。此次舱外维修任务十分危险，为防止航天员不小心接触太阳能电池板而受到电击，便对负责直接修理的航天员的舱外航天服和工具进行了绝缘处理。航天员在受损的太阳能电池板前进行了数小时艰难的维修操作，他取下被卡住的金属线，并安装链扣加固太阳能电池板，恢复了太阳能帆板的功能。

用于稳定国际空间站上撕裂的供电太阳能阵列的临时修复装置

02

更换故障液氨泵

2010年8月，国际空间站上两名美国航天员开展了三次舱外维修任务，成功更换了一台冷却系统出现故障的液氨泵。NASA空间站管理人员称，此次液氨泵故障修理是站上截至当前开展的难度最大的修理工作之一。

国际空间站利用液氨来对各系统进行冷却，使其保持在适当温度。液氨可把多余的热量带到装在空间站主桁架上的一组散热器中。空间站设有两个主冷却系统回路，A回路上的液氨泵于7月31日出故障，迫使航天员关掉了空间站内的部分实验装置和系统，以防出现过热。

航天员在国际空间站开展出舱活动

8月7日，两名航天员开展首次出舱活动，然而，在拆除故障液氨泵的过程中出现了氨泄漏问题。在8月11日的二度出舱时，他们成功完成了拆除工作。8月16日，两名航天员第三次开展舱外维修任务，成功地将一台备用液氨泵安装到位。

03

修复数据继电器

2017年5月20日，国际空间站上的一个数据继电器（复用器-解复用器，MDM）发生故障。国际空间站有两个MDM系统，在故障元件停止工作后，备用元件将自动取而代之。因此，此次故障不会对航天员的安全造成威胁，也不会影响空间站的运行。尽管如此，由于该设备控制着空间站的散热器、太阳能电池板和冷却循环系统等重要部件，这次任务仍被认为是“高度优先”级的任务。2017年5月23日，两名美国航天员紧急出舱，开展了一次为期2小时46分的舱外维修任务，成功修复了失灵的数据继电器。NASA发言人称这是一次“重大、意外的太空行走”。

航天员出舱修复数据继电器

04

全女性团队首次出舱维修

2019年10月18日，美国女航天员员克里斯蒂娜·科赫(Christina Koch)和杰西卡·梅尔(Jessica Meir)开展了舱外维修任务。经过7个多小时的努力，两名航天员成功地更换了刚装上的电池充电与放电单元（BCDU），修复了空间站的电池充电器故障。这是人类历史上首次派遣全女性团队开展出舱活动并进行出舱维修作业。在此前的3月份，两名女航天员首次尝试进行全女性太空行走，但因为其中一名航天员的太空服未配置妥当，最后被迫取消。

全女性团队首次出舱维修

这些丰富的太空维修经历为人类后续在太空开展工作提供了极为宝贵的经验。星空浩瀚无比，探索永无止境！

【参考资料】

[1] 易予生、李立凌、罗鹏、朱珂、范高洁、王爱国、徐起、李志海：《载人航天器舱外在轨维修设计与实现》，载《航天器工程》2023年第1期，第43-48页；

[2] 周静、冯彦军、孙伟、顾桂华、张国强：《哈勃望远镜太阳翼扰动问题识别及其修复历程研究》，第十七届上海航天科技论坛暨上海市宇航学会2022学术年会；

[3] 傅浩、于洋、王哲、武婷婷：《载人航天在轨维修舱外电动工具的发展与思考》，载《载人航天》2021年第2期，第234-243页；

[4] 王晓海：《救死扶伤的“太空医生”——空间在轨服务技术扫描》，载《太空探索》2016年第3期，第32-35页；

[5] 强静、管春磊：《“和平”号及国际空间站维

来源：中国载人航天