Quantcast
Channel: 知乎日报
Viewing all articles
Browse latest Browse all 20608

万一空间站被撞漏气了怎么办?这事科学家已经想过了

$
0
0
Kenneth Pan

非常好的问题。而且是现实中,设计空间站的时候就考虑过的问题。现实中,国际空间站(International Space Station, ISS)也有漏气这种情况的对应应急方案。

先来一张研究这个问题时候的笔记镇楼:

简单答案:
看情况,大的陨石或者太空垃圾在击中空间站之前被发现的概率比较大,所以会有预警时间作出反应。而对于较小的陨石或太空垃圾,空间站本身的外壳已经有防护措施。如果真的出现破洞的情况,就要看空间站本身的体积。

对于国际空间站(International Space Station, ISS)这样规模的空间站来说,绝大多数情况下,漏气的速度不至于快到让太空人来不及反应。
设计时的数字是:假如穿了一个一英寸(2.54cm)直径的洞,空气漏光会需要 45 到 60 分钟。而且空间站各舱段之间是有气密门的,实在漏气太快、来不及从舱内堵住的话,先全员撤离、密封了漏气的舱段,之后再考虑修补的问题就是了。

最坏、最坏情况下,还可以坐一直对接着的两艘太空船逃生。所以,对于 ISS 来说,因为单次外物撞击导致的漏气而全员阵亡的可能性非常低。所以,请不要自行脑补太空人分分钟血液沸腾、死状凄惨。答主以后还要上太空的,请不要随便吓答主……[泪目]

您后面几个问题的答案:宇航员当然是没办法在真空里活太久的,以分钟计吧。所以 NASA 最近也有考虑长自持力舱内宇航服(MACES)的问题。这一型宇航服,其实在载人火星任务上比在空间站上更有用。

详细答案:

空间站被太空垃圾或者陨石、微陨石击中确实是现实中必须考虑的问题。

2015 年 12 月,空间站的太阳能电池板确实被击穿过一次,破了一个小洞。

总的来说,在设计空间站和太空任务的时候,有三个方面的工作可以做:
1. 预防
2. 护盾
3. 被击穿后的应急措施

1. 预防

太空垃圾方面,NASA 目前跟美国军方合作,跟踪了地球轨道附近大概两万一千个直径超过两英寸(5 厘米左右)的太空垃圾。而直径较大的陨石在接近地球的时候也有可能被各种监控系统发现。

能发现,就能变轨,避免撞击。

2. 护盾

空间站本身有着一个有多层材料设计的外壳,其中一层的材料是做防弹衣用的凯夫拉。容易受到撞击的部位还有额外的、用有点像坦克间层装甲原理的护盾。(额外阅读请看最后的链接 2)

3. 被击穿后的应急措施
这一点就要看空间站的体积了。体积越大,设计时平时维持的气压越低,空气漏光的速度就越慢。

还是以国际空间站(ISS)为例,设计之初的时候就计算过漏气的情况。当时的数字是:假如穿了一个一英寸(2.54cm)直径的洞,空气漏光需要 45 到 60 分钟。简单的计算,看上图答主笔记里面的几个公式就可以了。需要注意的是:
1. 现实情况下,公式中的所有变量都是随时间改变的,空间站舱内空气泄露了,气压就不会再是一个大气压,流速也会随之下降,等等。所以,现实情况下,会是 F(t) 而不是简单的 F,v(t) 而不是简单的 (v),等等。
2. 穿的洞比较小的话,舱内大气泄漏时,洞口会有乱流、涡流,这些需要用到流体力学软件(CFD)来模拟,而因为这些
乱流、涡流的存在,气体从舱内逃逸到真空的流速是有上限的,一般以音速作为上限近似计算。
*** 有兴趣的同学可以自己按答主大叔上面图里的笔记算一下,“理想”状态下,空间站的空气会多久漏光。

还有一样需要考虑的就是:漏气时,气流会带动舱内其他杂物漂过去,堵住漏洞。即使是拳头一样大的洞,10 厘米或 4 英寸左右,一台手提电脑也就堵住了。

再糟一点,即使是遇到漏气非常严重的情况,国际空间站各舱段间是有气密门的。破洞太大的话,把漏气舱段封起来就好了。

气密门开启状态:

关闭状态:

到了最坏情况,还有救生船可以撤离。国际空间站在任何时候,都有两艘可供返回地球的太空船对接着,对应需要全员弃站逃离的情况。(额外阅读请看下面链接 1)

如下图:

另外就是,高自持力的舱内宇航服 NASA 也有在研究。一个非常对应题主问题的设计,就是下面第 3 个推荐阅读链接里的 MACES(Modified Advanced Crew Escape Suit)宇航服。使用场景是:在飞船座舱失压后,宇航员可以靠这一型宇航服来生存。目前设计的目标自持力是 6 天,所以空气、食物、水,以及链接中的排泄物处理,都是需要考虑的问题。(见链接 3)

个人认为,这型宇航服其实是为载人火星任务增加安全性的一项工作。毕竟目前 NASA 规划中的火星任务的全程历时 500 天,而且去火星的路上不像近地轨道,有这么多监控,发生致命程度的撞击意外的概率比空间站高得多。(见链接 4)

相关推荐阅读:

假如国际空间站被太空垃圾撞击或出现其他事故,有没有供人逃脱的救生艇? - Kenneth Pan 的回答 - 知乎

空间站是怎么取暖?或者说是维持温度的呢? - Kenneth Pan 的回答 - 知乎

如何评价 NASA 悬赏三万美元公开征集基于橙色宇航服的长时间舱外粪便回收方案? - Kenneth Pan 的回答 - 知乎

「载人登陆火星」在化学能动力时代是不切实际,甚至可以说是战略欺骗吗?为什么? - Kenneth Pan 的回答 - 知乎


Viewing all articles
Browse latest Browse all 20608

Trending Articles