+ 袁東
導(dǎo)語:1969年7月21日,尼爾·阿姆斯特朗在月球塵土上邁出了第一步,人類首次登陸月球,并開啟了阿波羅計劃登月的序幕!縱覽阿波羅7次登月飛行,唯一一次,也就是阿波羅13號未能如愿登上月球。但抽絲剝繭,復(fù)盤再現(xiàn)美國在這次登月事故中表現(xiàn)出來的應(yīng)急處理能力和訓(xùn)練有素的宇航員團(tuán)隊,卻值得回味。
1、超高
土星5號火箭加上阿波羅飛船(登月系統(tǒng)),整個火箭高111米,比自由女神像高出18米!出師未捷身先死的蘇聯(lián)N1-L3登月系統(tǒng)、現(xiàn)在還在燒錢孵化的太空發(fā)射系統(tǒng)(SLS),同為105米身高,比土星5號矮了6米。
2、超重
巨大的土星5號火箭的1~3級分別稱為S-1C(液氧煤油)、S-II(液氫液氧)、S-IV B(液氫液氧),箭體加上攜帶的推進(jìn)劑重量達(dá)到2903噸,而相比較N1-L3是2735噸。在起飛時,5臺F1液氧煤油發(fā)動機(jī)每秒喝下13噸推進(jìn)劑,產(chǎn)生的推力達(dá)到347萬千克力。
3、超運(yùn)力
土星5號低地球軌道(LEO)發(fā)射能力為130噸,進(jìn)入月球轉(zhuǎn)移軌道 (TLI,trans-lunar injection)的發(fā)射能力約為48.5噸,矮胖敦實(shí)的蘇聯(lián)能源火箭在運(yùn)載能力上也略遜一籌。迄今為止,還沒有其他運(yùn)載火箭能超越它。
圖1 土星五號火箭加上阿波羅飛船高111米,比自由女神像高出18米
挑戰(zhàn)自我極限的是土星5號的后繼者,Saturn C-5N(圖3),N是nuclear,核熱動力的第三級發(fā)動機(jī)S-IVB N替代原有使用液氫液氧的J2火箭發(fā)動機(jī),比沖達(dá)到800秒,推力27206千克力,燃燒時間1250秒,LEO運(yùn)力提升到驚人的155噸,不過這與本篇主題無關(guān),不再展開論述。
圖2 土星5為典型的3級運(yùn)載火箭,起飛推力達(dá)到347萬千克力
圖3 Saturn C-5N核熱動力,LEO運(yùn)載能力提升到155噸
圖4 阿波羅飛船的3個分系統(tǒng)
4、土星5號“三高”,只為將阿波羅登月飛船送到月球轉(zhuǎn)移軌道。阿波羅飛船由三大件組成(圖4),分別是登月服務(wù)艙/指令艙(Apollo Command/Service Module,CSM)、登月艙(Lunar Module,LM),三者合計重達(dá)44噸,以及頂部可拋棄的發(fā)射逃生系統(tǒng)。以下分別介紹。
4.1 阿波羅發(fā)射逃生系統(tǒng)(LES,launch escape system)
LES(圖5)由洛克希德推進(jìn)公司建造,其目的是在緊急情況下將指令艙拉離運(yùn)載火箭來中止任務(wù),確保宇航員安全。
當(dāng)系統(tǒng)激活時,最大推力為890 kN的固體火箭工作,同時在仰俯小火箭的配合下(圖6),通過4秒鐘的燃燒,偏離有故障的運(yùn)載火箭并達(dá)到足夠的高度。最后LES被拋棄,指令艙的降落傘打開最終平安降落。沒有緊急情況時,4100公斤重的LES也是累贅,一般在運(yùn)載火箭的第二級點(diǎn)火后約20或30秒,在60公里高空,用固體燃料火箭發(fā)動機(jī)將其拋棄,輕裝上陣去月球。得益于土星5號的出色表現(xiàn),LES每次都受到“坐冷板凳”的待遇。
4.2 登月服務(wù)艙/指令艙(圖7)
指令艙(Command Module)是宇航員在飛行中生活和工作的座艙,也是全飛船的控制中心。形狀為截頭圓錐體,高3.23米,底部直徑3.91米,重約6噸。指令艙分前艙、宇航員艙和后艙3部分。前艙內(nèi)放置著陸部件、回收設(shè)備和2臺姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)等。宇航員艙為密封艙,存有供宇航員生活14天的必需品和救生設(shè)備。后艙內(nèi)裝有10臺姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)、推進(jìn)劑罐,還有制導(dǎo)導(dǎo)航系統(tǒng)以及計算機(jī)和無線電分系統(tǒng)等。電源是通過CSM 臍帶電纜,由服務(wù)艙提供。
把登月艙送到月球并把宇航員再接回地球,全程陪伴的是登月的“保姆車”——服務(wù)艙(Service Module)。艙體為圓筒形,高6.7米,直徑4米,重約24噸。其前端與指令艙對接,后端有推進(jìn)系統(tǒng)主發(fā)動機(jī)。主發(fā)動機(jī)用于軌道轉(zhuǎn)移和變軌機(jī)動,型號為Aerojet的AJ10-137,推進(jìn)劑是典型的美系毒發(fā)專供,燃料和氧化劑分別為航空肼(Aerozine 50)/四氧化二氮,高壓氦氣擠壓循環(huán),依靠發(fā)動機(jī)噴管巨大的擴(kuò)張比,真空比沖達(dá)到了314秒,推力91kN。姿態(tài)控制系統(tǒng)由16臺火箭發(fā)動機(jī)組成(圖8),它們還用于飛船與第三級火箭分離、登月艙與指令艙對接和指令艙與服務(wù)艙分離等。
圖5 阿波羅發(fā)射逃生系統(tǒng)(LES,launch escape system)
圖6 注意圖中所示,在頂部仰俯小火箭的配合下,LES可偏離有故障的運(yùn)載火箭并達(dá)到足夠的開傘高度
圖7 登月服務(wù)艙/指令艙,Apollo Command/Service Module,CSM
圖8 阿波羅15號登月服務(wù)艙/指令艙,注意服務(wù)艙上4個一組RCS,每臺R-4D發(fā)動機(jī)推力440N
4.3 登月艙以及它的蓮花瓣適配器
登月艙(圖9)由格魯曼飛機(jī)公司設(shè)計和制造,是個大家伙,分為下降級和上升級,地面起飛時重15.2噸,高7.04米,寬 4.3米,四條腿張開,對角線長9.4米。
①下降級:由下降級發(fā)動機(jī)(LMDE)、推進(jìn)系統(tǒng)等配套儀器組成,具備赫赫有名的超臨界氦氣貯存增壓系統(tǒng)。
②上升級:是登月艙主體。宇航員完成月面活動后駕駛上升級返回環(huán)月軌道與指令艙會合。上升級由宇航員座艙、返回發(fā)動機(jī)、推進(jìn)劑貯箱、儀器艙和控制系統(tǒng)組成。宇航員座艙可容納2名宇航員(但無座椅),有導(dǎo)航、控制、通信、生命保障和電源等設(shè)備。
圖9 阿波羅登月艙
圖10 阿波羅登月艙的適配器,合攏之后托舉瘦小的登月服務(wù)艙/指令艙
圖11 Apollo 7 測試期間,圖上SLA右上方面板沒有完全打開呈45度,后更改設(shè)計
這么大的“胖子”,腿收緊之后直接坐在土星5號的第三級火箭上,而依靠阿波羅飛船/登月艙適配器(Apollo Spacecraft/LM Adapter,SLA),托舉瘦小的登月服務(wù)艙/指令艙(圖10)。
SLA由當(dāng)時的北美航空公司(Rockwell的前身)制造,是一個重量1.8噸的錐形鋁結(jié)構(gòu),底座用螺栓固定在S-IVB第三級火箭頂部的儀表單元上,通過鉸鏈固定四塊6.4米高蓮花面板,它在發(fā)射期間類似整流罩保護(hù)月球模塊(LM)。
4.4 服務(wù)/指令艙和登月艙的太空組裝(圖12)
在發(fā)射后約兩小時,S-IVB第三級火箭二次點(diǎn)火進(jìn)入月球轉(zhuǎn)移軌道后,阿波羅飛船啟動太空組裝!
第一步,四塊蓮花面板通過火工品與登月服務(wù)艙/指令艙分離,并徐徐展開45度角;
第二步,服務(wù)艙上的R-4D姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)工作,服務(wù)/指令艙起身向前一小步;
第三步,服務(wù)艙上的R-4D姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)工作,服務(wù)/指令艙完成180度掉頭;
第四步,服務(wù)/指令艙和登月艙來一個太空接吻——對接,并一起緩緩后退,開始奔月旅程(圖13)。
在西方人眼里,13是一個不吉利的數(shù)字,即便已完成了兩次非常成功的登月任務(wù),一些宇航員家屬還是憂心忡忡。
阿波羅13號的三名宇航員分別為:指令長——吉姆·洛威爾(Jim Lovell),指令艙和登月艙的任務(wù)員——杰克·斯威格特(Jack Swigert)與弗萊德·海斯(Fred Haise)。
1、開局有驚無險
阿波羅13號在發(fā)射伊始表現(xiàn)得中規(guī)中矩,于1970年4月11日美國東部時間下午2點(diǎn)13分升空。不過剛發(fā)射就出現(xiàn)了一些異常,由于推進(jìn)和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的高振幅振蕩,S-II級中央的J2發(fā)動機(jī)提前132秒異常關(guān)閉,通過四個外圍J2發(fā)動機(jī)額外工作34秒,彌補(bǔ)了大部分速度增量的損失,后續(xù)S-IVB三級又延長9秒的燃燒,使目標(biāo)速度差異控制在-0.4米/秒以內(nèi),達(dá)到10.9公里/秒,順利進(jìn)入停泊軌道,算是有驚無險。(獵鷹9也發(fā)生過此類異常,同樣有驚無險,算是向前輩致敬了。)
圖12 分為4步完成阿波羅飛船的太空組裝
圖13 組裝后的阿波羅飛船,開始登月之行
圖14 “休斯頓,我們遇到麻煩了!”——Jim Lovell(圖為阿波羅13號電影劇照)
2、“休斯頓,我們遇到麻煩了!”
雖然開端出現(xiàn)小插曲,但登月任務(wù)的前兩天還是在按計劃進(jìn)行,整體來說阿波羅13號好像是整個計劃中最順利的飛行。以至于在46小時43分鐘,地面的飛船通信員Joe Kerwin開玩笑說:“就我們而言,飛船的狀態(tài)確實(shí)很好。我們無聊得想哭。” 這是最后一次有人提到“無聊”……
在55小時52分,宇航員被要求打開2號氧罐的攪動風(fēng)扇,電門在55小時53分接通,大約90秒后,宇航員們聽到巨大的“砰”的一聲,同時B路直流總線(分為A路和B路兩套)低電壓警告燈頻閃,航天器的遙測幾乎完全失去了1.8秒。宇航員Jim Lovell報告:“休斯頓,我們遇到麻煩了!”(休斯頓是任務(wù)控制中心所在地。)
詭異的是兩分鐘之后,告警自動恢復(fù)。但肯定有情況,在爆炸發(fā)生后十三分鐘,宇航員Jim Lovell無意中發(fā)現(xiàn)左側(cè)舷窗外的異常:“我們正在向太空釋放出一些東西,是某種氣體!”
爆炸產(chǎn)生的巨大沖擊力,加上氣體持續(xù)泄露,阿波羅13號偏離航線,盡管艙體外的RCS依在按程序努力調(diào)整飛船,但于事無補(bǔ)。
事發(fā)時間是4月13日21:08,甚至在休斯頓載人航天器中心大樓16樓頂上的5名工作人員兼業(yè)余愛好者,也通過16英寸的施密特-卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)阿波羅飛船在向太空噴射出什么東西。大家意識到了不對勁……
幾分鐘后,1號燃料電池退服,不到半小時后,3號燃料電池也退服。一開始地面控制人員判斷為電氣問題,是不是燃料電池到總線的跳閘?于是命令指令艙下電。但當(dāng)發(fā)現(xiàn)1號氧罐壓力下降,緊接著2號氧罐徹底變空,大家意識到情況已經(jīng)很危急了!
3、無奈的決斷----放棄登月
宇航員進(jìn)行了幾次嘗試以節(jié)省1號氧罐中的剩余氧氣,但其壓力繼續(xù)降低,僅剩的2號燃料電池的電壓慢慢變小。阿波羅登月任務(wù)規(guī)定,在僅有一個燃料電池情況下是不允許進(jìn)行登月操作的,何況現(xiàn)在是3個都快沒了!
大家心里都明白,登月無望!然而登月服務(wù)艙配置的兩個氧罐耗盡,宇航員的生存都成問題了!因?yàn)檫@些氧不僅用于發(fā)電,還用于呼吸和飲用……宇航員Jim Lovell在回憶錄寫到,不能登月的遺憾消失無蹤,現(xiàn)在是肚子里打了個結(jié),要為生存而戰(zhàn)!
爆炸發(fā)生后1小時29秒,擔(dān)任太空艙通信員的Jack Lousma在飛行總監(jiān)Glynn Lunney指示下對宇航員們說:“我們需要考慮登月艙用來當(dāng)救生艇了。” 宇航員Swigert回答說,“這也是我們一直在考慮的問題?!?/p>
登月艙成為唯一能夠安全返回地球的足夠電力和氧氣來源,阿波羅13號登月任務(wù)被迫終止。在任務(wù)進(jìn)行到58小時40分時,登月艙被啟動,慣性制導(dǎo)參考從服務(wù)/指令艙轉(zhuǎn)移到登月艙制導(dǎo)系統(tǒng),服務(wù)/指令艙被關(guān)閉。
4、在脆弱的“生命之舟”過五關(guān)斬六將
救援行動分為兩條主線,一是回家,操作登月艙在茫茫宇宙準(zhǔn)確變軌,將宇航員帶回地球;二是生存,管理重要的生存資源氧氣、水、電和用于清除空氣中二氧化碳的氫氧化鋰。
4.1 第一關(guān):拿什么變軌回家
回家必須要進(jìn)入地球-月球自由返回軌道并進(jìn)行必要的中途修正,正常情況下是由服務(wù)艙完成。但是,啟動服務(wù)艙主發(fā)動機(jī)需要電,沒電不行。并且鑒于爆炸之后服務(wù)艙不確定的狀況,經(jīng)過決策,使用登月艙下降級發(fā)動機(jī)替代。
在爆炸后5小時,登月艙下降級發(fā)動機(jī)進(jìn)行了第一次工作,歷時34.23秒,在任務(wù)61小時29分43秒將原本月球進(jìn)場軌道,轉(zhuǎn)移到地月自由返回軌道。這里也解釋一下,地月自由返回軌道(free-return trajectory),這種特殊設(shè)計的軌道巧妙利用地球和月球引力,讓探測器飛抵月球附近后借助月球引力,完成轉(zhuǎn)彎并返回地球,走一個8字,不需要使用推進(jìn)力,僅需中途小幅修正,這個軌道是NASA的Arthur Schwaniger在1963年研究的結(jié)論(圖15)。
圖15 利用登月艙下降級發(fā)動機(jī)三次調(diào)整加速,走省力的8字形自由返回軌道回家
圖16 阿波羅12號后的發(fā)射,三級二次點(diǎn)火打高偏心橢圓軌道,具有自由返回軌道特性
其實(shí)將登月艙作為應(yīng)急救生艇的理論在1962年選擇月球軌道交會模式時就被討論過,后續(xù)在阿波羅10號訓(xùn)練期間進(jìn)行了深入的可行性分析,雖然NASA認(rèn)為服務(wù)艙出事故的可能性非常小,但NASA的工程師和飛行控制員仍然為這種可能制定了改進(jìn)和一系列應(yīng)急程序,未雨綢繆。比如在阿波羅12號后續(xù)的發(fā)射,三級二次點(diǎn)火將飛船射入高偏心橢圓軌道,該軌道具有自由返回軌道特性,以防服務(wù)艙推進(jìn)系統(tǒng)出現(xiàn)異常(圖16)。因此在此次阿波羅13號的搶險中,這些應(yīng)急程序被找出并迅速用于指導(dǎo)搶險。
飛行控制人員同時著手宇航員回地球的回收艙打撈工作。調(diào)整飛船的速度可以控制在地球上的落點(diǎn),經(jīng)過計算,按現(xiàn)有速度阿波羅13號回到地球會濺落在印度洋,任務(wù)時長152小時;而全速前進(jìn),則將濺落在大西洋,任務(wù)時長133小時,但由于負(fù)責(zé)回收的隊伍部署在太平洋地區(qū),因此指揮團(tuán)隊選擇讓阿波羅飛船小幅加速,提前10小時達(dá)到地球,于發(fā)射后142小時40分濺落于太平洋。
于是三名宇航員在接近月球時,收到了休斯頓的指令:在繞過近月點(diǎn)(pericynthion)之后兩小時,簡稱PC+2,使用登月艙下降級發(fā)動機(jī)進(jìn)行時長5分鐘的點(diǎn)火,加快回家的速度。
在度過了難熬的24分35秒繞月球背面的失聯(lián)后,任務(wù)的79小時27分,飛船使用登月艙下降推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行263.82秒點(diǎn)火,返回地球的速度增加了262.3米/秒。
由于加速過程中出現(xiàn)導(dǎo)航偏差,在105小時18分第三次使用登月艙下降級發(fā)動機(jī)進(jìn)行了14秒的修正點(diǎn)火,糾正了2.377米/秒的速度偏差。原本用于月球降落的下降級發(fā)動機(jī)出色地進(jìn)行了3次點(diǎn)火,工作時長累計達(dá)到312秒。
4.2 第二關(guān):解決電的問題
三名宇航員擁有的是一個死機(jī)的服務(wù)艙,一個電池已經(jīng)大量耗盡的指令艙,而沒有電的指令艙無法進(jìn)行重入大氣層的操作。
圖17 前隊變后隊,后隊變前隊,登月艙臨危受命,勇挑重?fù)?dān),力挽狂瀾
圖18 留一名宇航員站崗,其他宇航員休息減少消耗。圖為宇航員Haise打了個盹
圖19 圓形和方形,兩個供應(yīng)商分別提供的氫氧化鋰過濾罐
任務(wù)控制中心想出了一個辦法,利用登月艙的電池對指令艙的電池充電(好比拿個充電寶給手機(jī)充電),即便這樣的充電法“只有20%到25%的效率”,但這已足夠。但滿足45小時任務(wù)時長的登月艙,電池僅有2181安時,因此絕非必要的電器統(tǒng)統(tǒng)被關(guān)閉,能耗降低到正常水平的五分之一,剩下登月艙電源為指令艙電池充電。這些控制是非常有效的,在分離時,登月艙僅剩下20%的電力。
不過由于關(guān)閉電氣系統(tǒng),宇航員失去了熱源,浮光掠影的太陽并沒有什么用,艙內(nèi)溫度下降到3.3攝氏度,宇航員和冰凍游泳池的青蛙一樣冷,特別是Jack Swigert,腳濕卻沒有月球套鞋。
4.3 第三關(guān):解決水的問題
水是真正的問題,大概僅剩下28.2磅的水,這些水要給人喝,還要和乙二醇混合后通過空間蒸發(fā)放熱的方式,給電子設(shè)備冷卻。但如果登月艙斷電以節(jié)省電力,就會產(chǎn)生更少的熱量并節(jié)省冷卻用水,情況就會大大改善。
一個來自阿波羅11號的數(shù)據(jù)點(diǎn),關(guān)閉導(dǎo)航系統(tǒng),登月艙電子設(shè)備可以在沒有水冷卻的情況下在太空中堅持工作七到八個小時。但宇航員依舊嚴(yán)格地控制水的消耗,每天的食物減少到六盎司,僅為正常攝入量的五分之一,宇航員脫水嚴(yán)重,最多一名減重31.5磅。
其實(shí)當(dāng)時Haise已經(jīng)發(fā)生了腎臟感染。在執(zhí)行任務(wù)期間如果不能飲用足夠的水,身體就不能排泄毒素,而毒素反過來會積聚在腎臟中。在整個返回途中,腎炎的問題困擾著Haise,每當(dāng)他排尿時都感受到灼燒感。
4.4 第四關(guān):解決二氧化碳濃度高的問題
登月艙的設(shè)計任務(wù)時長是滿足兩個宇航員45小時的消耗,而現(xiàn)在不得不滿足三個人90小時的消耗。計算下來,氧氣充足,但登月艙用于去除空氣中二氧化碳的氫氧化鋰過濾罐(LiOH,LiOH + CO2 = Li2CO3 + H2O)明顯不足,必須要用到指令艙的氫氧化鋰過濾罐。
但問題來了!登月艙、服務(wù)/指令艙的承包商分別為格魯曼公司、原北美航空公司兩個,規(guī)格完全不同(圖19)!登月艙是圓形氫氧化鋰過濾罐,不適配指令艙的方形氫氧化鋰過濾罐,拿方的過濾罐塞到登月艙圓形安裝開口,根本塞不進(jìn)去!
圖20 地面團(tuán)隊日以繼夜終于想出了解救辦法
圖21 任務(wù)控制中心需要想到一種方法,把方的罐“塞”到圓的槽
圖22 后續(xù)的阿波羅任務(wù)操作手冊說明和描述了應(yīng)急搭建二氧化碳過濾系統(tǒng)的教材
在登月艙呆了一天半之后,二氧化碳濃度告警顯示已經(jīng)達(dá)到危險水平,如果休斯頓地面團(tuán)隊再沒有想出解決辦法,宇航員真的會死于二氧化碳中毒。
連續(xù)兩天,地面團(tuán)隊日以繼夜,使用飛船上的一切可用材料,比如襪子、塑料袋、飛行手冊的封面、布基膠帶來解決這個問題。最終的方案是用紙板做成方盒,蓋在方型氫氧化鋰罐背面,留拱形通氣,再套上塑料袋密封;開一個口接宇航服呼氣軟管用來抽取空氣,宇航服呼氣軟管另一端用膠帶紙連接在登月艙過濾罐的圓形入口,用風(fēng)扇抽取并循環(huán)凈化(圖21、22)。
宇航員在太空如法炮制,二氧化碳水平立即開始落入安全范圍。任務(wù)控制創(chuàng)造了另一個奇跡。
4.5 第五關(guān):解決導(dǎo)航的問題
沒有航向修正,返回的航天器將完全錯過地球或撞向地球。在阿波羅13號進(jìn)行長達(dá)5分鐘的PC + 2點(diǎn)火前,必須確保導(dǎo)航準(zhǔn)確性。通常,通過六分儀(稱為對準(zhǔn)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,AOT)找到合適的導(dǎo)航星,并在計算機(jī)的幫助下校準(zhǔn)導(dǎo)航平臺是很簡單的。但爆炸后的服務(wù)艙,一大堆破裂碎片在陽光的反射下發(fā)光,讓人無法看到真正的星星(圖23)。
如何解決導(dǎo)航的問題?休斯頓任務(wù)控制中心的天才想出了使用太陽來替代星星的想法,沒有哪塊碎片的反光會讓你看不清楚那個最明亮的恒星!雖然太陽的大直徑可能帶來誤差,但沒有更好的選擇了。
宇航員Jim Lovell把太空船轉(zhuǎn)向休斯頓所要求的方向,如果對準(zhǔn)了,太陽將處在六分儀中心!向太陽對齊方法被證明誤差不到半度,宇航員在此情況下,準(zhǔn)確進(jìn)行了時長達(dá)到5分鐘的PC + 2點(diǎn)火,順利踏上了快速回家的路程。
在任務(wù)137小時40分13秒,還有約6小時就要重入大氣層,宇航員使用登月艙的姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)RCS進(jìn)行了最后一次中途修正,燃燒時長21.5秒,最終指令艙在和登月艙、服務(wù)艙分離以后以11.88公里/秒的速度重入,4月17日準(zhǔn)確濺落在距目標(biāo)點(diǎn)約1.0英里,也就是距離硫磺島號航空母艦3.5英里外的太平洋海面(圖24)。
圖23 服務(wù)艙爆炸之后的殘骸反光,影響了宇航員用星光進(jìn)行慣性平臺的校準(zhǔn)
電影《阿波羅13號》對這個情景進(jìn)行了藝術(shù)加工,把瞄準(zhǔn)的太陽替換為地球,宇航員透過舷窗對準(zhǔn)地球點(diǎn)火發(fā)動!隱喻執(zhí)著而堅定的回家的信念。