人类飞入“月宫”的幕后英雄是谁?

人类飞入“月宫”的幕后英雄    

1969年7月16日,肯尼迪航天中心的成员透过窗户观看“阿波罗11号”的发射

人类首次登月的50年后,想“再现”一次登月场景,简直太容易了。一块小小“宇航员足印”冰箱贴,通过手机摄像头扫描,就可以用增强现实(AR)的方式,显示出登月的三维信息,包括当年的电视直播录像、“阿波罗11号”的具体数据。

当然,“阿波罗”计划,包括1969年首次登月的“阿波罗11号”,将永远作为人类探索的里程碑,被历史铭记。而整个登月计划成功的背后,巨大的技术跨越、海量的资金支持,以及人数众多、技术高超的团队运作,都是重要因素。

“阿波罗”计划是美国宇航局运行的第三个载人航天工程。

“阿波罗”计划

1960年7月29日,美国宇航局(NASA)提出了一项名为“阿波罗”的计划,以载人登月为奋斗目标。“阿波罗”是希腊神话中的太阳神,主管光明、医药、畜牧、音乐和诗歌,跟月亮女神“阿尔特弥斯”是双胞胎。不过,据负责人阿伯·西尔弗斯坦(Abe Silverstein)事后表示,当时选择“阿波罗”,是因为他本打算给儿子起这个名字。

该计划被提出伊始,美国总统并没有拍板。

当时的太空竞赛,苏联遥遥领先。1957年,苏联把第一颗人造地球卫星送上天空;从1959年开始,“月球”号探测器第一次击中月球,第一次绕到月球背面拍照,第一次实现月面软着陆,第一次进入绕月轨道成为人造月球卫星;特别是1961年4月12日,苏联的加加林驾驶“东方1号”飞船进入太空,绕地球飞行一周,成为世界上第一位“太空人”,大大打击了美国的自信心。

于是,一个月之后,美国总统肯尼迪正式宣布了“阿波罗”计划,定了一个“十年往返月球”的“小目标”。他日后的国会发言也被载入史册:“我们选择登月!我们选择在这个十年登上月球并实现其他目标,不是因为它们简单,而是因为它们艰难。”

“阿波罗”计划是美国宇航局运行的第三个载人航天工程。最早的“水星”计划始于1958年,结束于1963年,目标是送一台载人航天器进入地球轨道,完成4次飞行。之后开始的是“双子星座”计划,在1961年至1966年与“阿波罗”计划并行,目标是测试“阿波罗”计划里必要的技术—两架航天器在太空对接。

“阿波罗”计划的目标,表面是实现载人登月飞行,对月球进行实地考察,但实际上,这一计划并未打算占有月球资源,获取科学知识也不是主要目的。对美国人来说,送人上月球,就是一场“较量”,一个证明美国比苏联强的良机。

“十年”目标的激励下,整个美国都被动员了起来。“阿波罗”计划从1961年5月开始实施,到1972年12月完成第六次登月结束,历时11年,耗资255亿美元。

计划实施的关键时期,参加工作的有2万家企业、200多所大学、80多个科研机构,总人数超过30万人。在当时,除了第二次世界大战中的V-2工程和曼哈顿计划,科学技术史上还没有一项活动能在如此短暂的时间内,动员如此巨大的人力物力财力,解决如此之多的技术难题。

“土星5号”

经过一年多的激烈争吵和论证,登月方案确定了:

运载火箭先把载人飞船送入环绕地球飞行的停泊轨道,待地面测控站计算出飞向月球的最佳路线和最佳出發点后,再启动末级运载火箭的发动机,把飞船推入过渡轨道,同时末级火箭与飞船分离。

进入月球引力场后,飞船上的制动火箭发动机启动,飞船减速后绕月飞行,成为月球卫星,最后选好着陆点,从飞船上放出一只“渡船”,就像大轮船派出小艇一样。“渡船”完成登月任务,返回绕月轨道和飞船会合。

方案确定了,火箭的大小、发射场的规模、飞船的布局也就确定了。

从1960年5月到1962年7月,“阿波罗”飞船的主要结构发生了变化

“阿波罗”系列任务,最终在月球上留下了6台登月舱下降级。

“阿波罗”号飞船要载人,所以火箭的推力必须够大。“土星”系列火箭因此而诞生。“土星5号”是3级火箭,竖立起来高达110.6米,像一座35层的大厦;直径10米,起飞重2930吨,工作零件200万个。

主持“土星5号”运载火箭设计制造工作的,就是V-2火箭的发明者布劳恩。“土星5号”被公认为现代火箭技术的最高成就之一;最大、最强力的世界纪录,它保持了50年。

第一级火箭长42米,直径10米,尾部直径13米,还装有4个稳定尾翼,翼展约有18米。

5台F-1巨型发动机,一个位于中心,四个周围环绕,以保证火箭在大气层中飞行的朝向。F-1发动机是人类历史上最强大的单喷嘴液体燃料火箭发动机,以煤油和液氧作为推进剂。5个发动机总推力为3400吨,差不多能抬起3000辆小轿车,而且能承受燃烧时的极端温度。

两个直径为10米的铝制贮箱,盛装了80万升煤油,足够喷气式客机在上海和旧金山之间飞6个来回。这里的煤油,是高度提纯的煤油,相比液氧,更不容易爆炸,且能提供每单位更多的推力。但是,对于“土星5号”来说,这点燃料只够烧两分半钟。

发动机点火后,火箭从发射平台飞行至距地球68公里处,速度高达9200公里每小时。所有燃料用光后,发动机熄火,爆炸装置炸开,让第一级火箭和级间环断开。第一级火箭会在发射地点至少500公里外落入大海。

第二级火箭长25米,直径同样是10米,有5台J-2发动机,以液氢、液氧为推进剂,总推力521吨。它会将飞船加速,使其进入大气层上层的175公里高空,速度达24600公里每小时,接近轨道速度。它会点火6分钟,之后和末级火箭分离,落入地球,和发射地点至少相距4000公里。

第三级火箭只有一台J-2发动机,推力102吨。它的上部是仪器舱,高1米,直径6.55米,里面装有设备模块。设备呈环状排列,为火箭导航,里面包含计算机、控制设备、加速度计和陀螺仪。使用完成后,设备模块将被立刻“抛弃”。

这一级火箭会被点火两次。第一次是在第二级火箭分离后,点火2.75分钟,将飞船送入地球轨道,速度达2.8万公里每小时。之后再进行第二次点火,飞向月球,速度达3.9万公里每小时。

“阿波罗”号飞船

“阿波罗”号飞船像火车头那么大,由指挥舱、服务舱、登月舱3部分组成。

指挥舱像一顶圆锥形的帽子,高3.2米,底部直径3.1米,重约6吨,和一辆房车差不多。它既是整个飞船的指挥控制中心,又是航天员的生活和工作座舱。

指挥舱分前舱、航天员舱和后舱。前舱里放着稳定减速伞、对接系统、主降落伞、俯仰推力器等设备。后舱中装有10台姿态控制发动机、反应控制燃料、制导导航系统等设备。

指挥舱中间的航天员舱,是操作室、食堂、寝室和厕所的“集合”;舱内有3个座席,上方有各种仪器仪表,航天员无论坐着还是躺着,都能很方便地进行操作。航天员舱是密封的,存有供航天员食用14天的食物、药品,以及降落伞、折叠橡皮船等救生设备。飞行过程中,舱内气压和室温可以自动调节。

指挥舱上端还有一枚紧急脱险用的小火箭,叫“逃逸塔”,长得也很像塔。圆筒形,直径66厘米,下端是个喇叭形的保护外壳,底部直径1.2米,全长10米左右,重3.6吨。万一运载火箭出现故障或发生事故,逃逸塔可以立即启动,拉出“阿波罗”号飞船,脱离火箭。

飞船的3个部分,只有指挥舱需要返回地球。重返大气层时会产生高热,两三千度的高温足以使其在空中解体。为了避免危险,指挥舱外壁贴着一层厚达2~7厘米的环氧-酚醛树脂烧蚀防热层。它在强热流的作用下会烧蚀掉,同时带走大量的热,降低舱体表面温度,保证指挥舱安全归来。

2019年4月11日,“阿波罗11号”的指令舱“哥伦比亚”号在西雅图飞行博物馆展出

飞船中间的服务舱是个大圆筒,直径4米,高6.7米,重约25吨。舱内装有主发动机、推进剂贮箱,以及增压、姿态控制、電气等系统。由电子计算机控制的主发动机,产生9.75吨的推力。

服务舱的反应控制系统,连接了4台四向推力器,可以调整飞船的朝向。舱内包含燃料和氧化剂罐,以及把推进剂送入发动机的压力罐。这里的燃料电池和化学电池,为指挥舱提供电力。

当任务即将结束,飞船准备进入大气层时,服务舱会与指挥舱分离;指挥舱回到地球,服务舱则在大气层内燃烧完毕。

登月舱在服务舱的后面,像只大甲虫,分为下降级和上升级两段。下降级长着4条昆虫式的“腿”,装有推进系统,用于考察月面的科学仪器、照相机、挖土机等等。下降级推进系统中,发动机的推力可在10%~60%之间变化,以便软着陆。

当登月任务完成,下降级会和上升级分离,成为一个发射平台。“阿波罗”系列任务,最终在月球上留下了6台登月舱下降级。

上升级是登月舱的主体,由航天员舱、返回发动机、推进剂贮箱等组成。返回发动机可重复启动35次。姿态控制系统有16台小推力发动机。航天员舱可承载两名航天员,含有导航、控制、通信、生命保障等设备。和指挥舱一样,充有1/3个大气压的纯氧,气温保持在20~24℃之间,氧气、水、电保证持续供应48~80个小时。

为了便于从月球降落和起飞,登月舱的每个部件都要“精打细算”。舱里没有座椅和睡铺,两名航天员的活动空间仅为4.5立方米,降落和起飞时只能站着操作,用轻便的索具维持身体平衡。登月舱在开始降落时有十几吨重,其中大部分是推进剂的重量;飞离月球时连下降级都留下了,“体重”就剩2吨左右了。

登月舱只能在真空中起降,它的空气动力学设计不适合在大气层内飞行。

一系列的试验飞行结束后,“阿波罗11号”就成为把人类送往月球的第一艘“方舟”。阿姆斯特朗、柯林斯和奥尔德林成了“幸运儿”,首次实现人类进入“月宫”的梦想。

作者:   荣智慧  

来源:《看世界》