阿波罗13号50周年:一次成功的失败

  来源:牧夫天文

  2020年4月11日是阿波罗任务13号发射五十周年的纪念日,与前一年七月成功把人类首次送上月球的阿波罗11号不同,这次任务遇到了极其严重的爆炸事故。然而在所有人的共同努力下,三名航天员于1970年4月17日(50年前的今天)成功返回地球。因此,这次任务被称为一次成功的失败,值得后人纪念。

 阿波罗13号任务纪念币 阿波罗13号任务纪念币

  一次太空任务最糟糕的结局大概就是把人送上天的同时人也顺便升天(非字面意义)了吧。NASA(美国国家航空航天局)可说是现今世界上最成功的组织之一了,但是再成功的组织也会遇到意外。1961年,当时的美国总统约翰·F·肯尼迪设立了要在1970年前载人登陆月球的目标。同年,刚刚成立三年的NASA启动了“阿波罗”计划。这项登月计划耗资254亿美元,成为NASA当时最昂贵的太空计划。按通货膨胀率计算,今天的这个方案约为1530亿美元(约一兆人民币)。

  “阿波罗”计划第一次使用三个部分构建飞船。它们分别是:指令舱(CM)、服务舱(SM)和登月舱(LM)。飞船发射时的最前端是指令舱(CM),该模块搭载了三名航天员。然后,服务舱(SM)连接到指令舱的后面,为航天员提供动力和生命支持。两者结合起来构成了指令服务舱(CSM)。飞船的最后一部分是登月舱(LM),在离开地球轨道后登月舱会跑到指令服务舱之前(见动图),最终将两名航天员带到月球表面,而另一名航天员则留在沿月球轨道飞行的指令服务舱中。在航天员重新进入地球大气层之前,服务舱和登月舱将被丢弃。这一革命性的设计为火箭节省了质量和燃料。

 阿波罗系列任务的火箭结构示意图,从左至右分别是登月舱LM,指挥舱CM和服务舱SM。注意左边是前面月球方向。| pixabay 阿波罗系列任务的火箭结构示意图,从左至右分别是登月舱LM,指挥舱CM和服务舱SM。注意左边是前面月球方向。| pixabay

  经过广泛的测试,阿波罗号火箭准备行动。阿波罗计划的头几次发射,即阿波罗1-10号,是首次登月的“练习”。阿波罗1号原计划是近地轨道载人飞行实验,但在地面演习中发生了火灾,三名航天员不幸丧生。这次任务原本名称是AS-204,任务后三名航天员的家属希望人们不要忘记这次事故,NASA便保留了“阿波罗1号”这一名称。鉴于阿波罗1号出师不利,NASA只好将后续的任务改成无人实验,继续检验安全性能和技术性能。从阿波罗4号到6号,分别无人测试了指令服务舱、生命维持系统、主发动机、登月舱等子系统。阿波罗7号到10号则为各种载人实验,每一次都为之后的载人登月累积了宝贵的经验。然后,1969年7月16日,阿波罗11号发射升空。在穿越无尽深邃的太空之后,1969年7月21日,尼尔·阿姆斯特朗(Neil Alden Armstrong)和巴兹·奥尔德林(Buzz Aldrin)降落在月球上。当时美国的每个电视台都通过电视广播登月,庆祝这个国家成为第一个将人类送上月球的国家,击败了当时正在冷战另一端的苏联人。然而,每一次成功,都注定伴随着背后的失败。

 阿波罗11号登月的巴兹·奥尔德林(Buzz Aldrin)| Wikipedia 阿波罗11号登月的巴兹·奥尔德林(Buzz Aldrin)| Wikipedia

  阿波罗11号飞行任务之后,NASA计划进行更多发射,以进行更多的测试。在正常程序中,如果主要机组人员任何一人无法执行任务,则整组替换成后备小组去执行,因为团队合作和航天员的共同训练对于空间生存很重要。但是,在发射前一周的一次例行体检中,后备组员查理·杜克(Charlie Duke)被发现感染了风疹。为了避免疾病传播的风险,医生进行了进一步的检查,他发现只有原组员肯·马汀利(Ken Mattingly)从小到大都没有感染过风疹,因此没有对这一疾病的抵抗力。考虑到两组组员一起训练,有交叉感染的风险,指挥中心担心肯·马汀利可能会在任务中发病。而原本应该要整组换成后备小组的程序因为后备组员查理·杜克还在生病中所以无法执行。NASA不得不决定提拔后备组员杰克·斯威格特(Jack Leonard Swigert, Jr。)来填补他的空缺。最终就是原组员小詹姆斯·亚瑟·洛威尔(James Jim Arthur Lovell, Jr。)和小弗莱德·华力士·海斯(Fred Wallace Haise, Jr。)带后备组员杰克。这场突然的变化是注定要发生的阿波罗13 号不幸事件链中的第一个事件。

  在新组员一起训练仅三天之后,1970年4月11日到了。那天是任务的一天,航天员在2:13 PM发射升空。发射的第一阶段进展顺利,但在第二阶段过早切断助推火箭时出现了一个小问题。为了试图弥补这一错误,航天员点燃了第三级火箭,时长比计划的要长一些。这个小错误似乎不是什么大问题,最终整个发射流程是如此的精确,以至于取消了计划中的第一次航向校正。

  任务开始后55小时53分钟,当航天员离地球约33万公里时,灾难性的事故发生了。由经验丰富的吉恩·克兰兹(Gene Kranz)领导的休斯顿指挥中心要求杰克对服务舱中的氢气和氧气风扇进行例行循环,以解冻储罐并提供更准确的读数。杰克运行风扇后两分钟,航天员听到了“相当大的爆炸”。

  “嘿,我们这里出了个问题。”杰克呼叫。

  “这是休斯顿;请再说一次。”胶囊通讯器传来回答。

  “休斯顿,我们遇到了问题(原句其实是Houston, we’ve had a problem而不是电影里有名的Houston, we have a problem)。我们的主B总线电压过低。”杰克说道。

  这种低电压是指航天器两个主要电路之一的功率下降。第一次对话为阿波罗13号机组人员和休斯顿指挥中心带来了一系列严重问题。一位记者称其为“空间探测历史上最大的公共紧急事件和最戏剧性的救援”。断电后不久,两个低温氧气罐中的一个氧气含量降至零,这意味着如果航天员保持正常消耗水平,那么指令服务舱很快就将没有动力,也没有氧气。休斯顿指挥中心开始迅速提出挽救航天员的方案。现在,这次任务有了新的目标:安全地将这些航天员送回家。

休斯顿指挥中心 | nasa.gov休斯顿指挥中心 | nasa.gov

  休斯顿指挥中心和航天员认为,最好的做法是将其登月舱用作一种“救生艇”,因为如果按常规程序使用指令服务舱,它将仅剩15分钟的动力。机组关闭了指令服务舱中的所有系统,希望它们可以节省足够的动力、氧气和冷却水以供再次进入大气层。然后,将机组人员转移至登月舱。但是,这又带来了另一个问题:登月舱没有长时间供电的相关设计。因此,即使外部温度接近绝对零度,机组也关闭了所有不必要的系统,包括暖气。

  当时,机组人员离月球还有8万公里,20个小时的路程。机组人员计划绕月球飞行并利用其引力通过“自由返回轨道”将航天员运送回地球。由于计划的变更,航天员开启登月舱试图进行航向校正以执行此操作。但是,在之前尝试节电的过程中,陀螺仪和其他导航仪器电源已关闭。因此,船员们以地球和太阳为基准,使他们的“救生艇”不会迷失在茫茫星海中。

  当机组人员抵御寒冷并停留在返回地球的登月舱上时,二氧化碳水平开始上升到有毒水平。这是因为登月舱原本只用于过滤两位航天员而非三位航天员使用的氧气。这使休斯顿的指挥中心急忙寻找解决方案。指令服务舱的过滤器和登月舱的过滤器彼此不兼容,因此这不是一个可行方案。休斯顿的团队不得不想出一种方法,使指令舱的圆柱形过滤器相容于登月舱中的矩形过滤器。为此,他们制造了一个名为“邮箱(Mailbox)”的设备,该设备是一个额外的太空服的导管,使空气通过过滤器返回。

  解决了他们的氧气问题之后,接下来地面需要制定机组人员重返地球大气层的计划。这个问题尤其困难,因为指令服务舱所剩电量不多,而登月舱没有隔热罩。指挥中心请肯·马汀利(就是没有风疹抵抗力所以没能执行任务的那位组员)制定了一项计划,用电池中剩余的少量能量为指令服务舱供电。他在地球上的模拟环境中用组员有的材料和工具制定了计划,让组员可以只为重新进入大气层所必需的设备供电。在马汀利的计划中,航天员将动力从即将废弃的登月舱转移到指令服务舱,以便有足够的能量为所有必需的系统供电。

  他们再次点燃了登月舱的发动机以调整轨道并制定了再入计划后,机组人员准备好了再入飞行。杰克进入指令舱,以启动所需的仪器。詹姆斯和小弗莱德关闭了登月舱并转移到指令舱。随后他们分离了高度受损的服务舱和他们的救生艇登月舱。

  经过数小时的寒冷低温和漫长的夜晚,航天员重新回到地球的引力范围内。尽管已采取了所有节能的程序,但他们仍然不知道能否平安回归,不知道隔热罩是否已损坏或降落伞是否冻结而无法正确展开。

  航天员为重返大气层作好防冲击准备,与此同时休斯顿则不得不在无线电中断 的黑障期间等待六分钟。中断时间比预期长87秒,全世界都以为已经失去了他们。最终,詹姆斯通过无线电广播让世人得知航天员已经幸存。飞船最后降落在太平洋上,美国和苏联的船只前来接回他们。

重新进入地球大气层后的“阿波罗13号”指挥舱 | pixabay重新进入地球大气层后的“阿波罗13号”指挥舱 | pixabay

  NASA与世界其他地方一样松了一口气。NASA组成了一个专家小组,对造成失败的原因进行了理论分析。他们得出的结论是,氧气罐风扇接线上的绝缘不良导致短路,从而点燃了绝缘层。这会引起氧气罐爆炸,从而损坏了氧气罐和周围设备。

  调查结果出来之后,NASA重新设计了氧气罐,并增加了第三个氧气罐。电线用不锈钢覆盖,以防止绝缘层着火。他们还对阀门和监控系统进行了更新,以便在出现问题时,航天员和控制中心可以更快地做出反应。阿波罗13号任务本来应该是登月任务,对于这个目标而言任务本身是一次彻底的失败。然而,爆炸后,阿波罗13号成功完成了其新任务:将航天员带回。航天员的安全归来意味着阿波罗13号被认为是NASA的“最大成就”之一。因此阿波罗13号又被称为“成功的失败”。而不论任务是成功还是失败,阿波罗13号都避免了一次生命的悲剧,航天员和地面上的指挥人员都是伟大而值得赞扬的!

 从南太平洋归来的阿波罗13号成员 | Wikipedia 从南太平洋归来的阿波罗13号成员 | Wikipedia

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