阿波罗登月50周年:和火箭相关的五个数字

Image copyright Getty Images

111:土星5号火箭的高度(单位:米)

1969年7月16日凌晨,摩根(JoAnn Morgan)开车来到卡纳维拉尔角火箭发射基地(Cape Canaveral)39a发射台的停车场,监督给巨大的土星5号火箭注入燃料的工作。背靠漆黑的海洋,航天器沐浴在氙弧灯的灯光中,燃料箱排出的氧气云弥漫环绕。

摩根说,“绝对是壮观的一幕。我人站在停车场,看了好一会儿,因为场景太美了。”

土星5号有36层楼高,是人类在20世纪其中一项最伟大的技术和工程成就。由天才的火箭科学家冯‧布劳恩(Wernher von Braun)牵头研发。冯‧布劳恩甚至在当年为希特勒制造V2火箭的时候,就梦想着造出一枚可以将人送上月球的火箭。

美国宇航局的火箭工程师、后来成为高级经理的霍尼卡特(Jay Honeycutt)说,冯‧布劳恩“不仅技术能力超强,而且有卓越的领导才能,很善于跟政府负责这些项目资金的官员打交道。”

Image copyright Nasa
Image caption 土星5号的研发应归功于德国火箭科学家冯‧布劳恩的专业知识(右)。

这枚火箭以液态氧和煤油为燃料,由多级推进器组成。最底下部分,或者说第一级火箭,安装了5个巨大的F-1发动机。另外两级火箭推进器,共计有6个发动机,负责将土星5号送入太空轨道。推进器上面是装着登月舱,然后是三名宇航员的服务和指挥舱的隔热层。土星5号的顶部装有一枚逃生火箭,发射过程中若出现任何差池,能将指挥舱送到安全的地方。

霍尼卡特说,“你想不到那东西真就飞起来了。几百米高,然后尖头上那个小小的东西竟然还能回到地球,实在是非常了不起的工程成就。”

送人上月球的火箭本来会比土星5号更大。美国宇航局最初的计划是研发一个名叫“新星”(Nova)的火箭,有8个F-1发动机,运载一个更大的能够在月球着陆,然后返回地球的单一航天器。

2:履带式运输车的最大速度(单位:英里/小时)

土星5号在运载器装配大楼(VAB)组装。这座建筑是个庞然大物,大到有自己的天气系统。组装完备后工程师面临的挑战是,要如何把如此巨大的火箭运送到大约5公里外的发射台。一开始的建议是用驳船将航天器运过去,后来决定建造一种巨大的履带式运输车。

履带式运输车有8条巨大的履带,由2台发电机发电,16台马达驱动,行驰与其说是驾车不如说是静水行船。而且,和行船一样,驾驶员也是操作人员和工程师团队的一员,他们负责让运输车缓缓地驶向发射台,速度慢如蜗牛。

驾驶员达夫(Sam Dove)说,“运输车的马力可每小时走2英里,不过,你真的不想跑到2英里,尤其是负载量这么大的情况下,我们最多就跑1英里。”

虽然驾驶员坐在驾驶室里,但履带式运输车的核心是控制室。达夫说,“控制室真的是操作人员的大脑和神经中枢。测试主管就坐在倒数第二个控制台上,控制着车上的一切。”

Image copyright Nasa
Image caption 履带式运输车号以每小时1英里的速度,缓慢稳当地将巨无霸土星5号送至发射台。

在阿波罗计划期间,将装载了航天器的土星5号从装配大楼送至发射台需要16个小时,但从发射台到进入轨道则只要8分钟。

3500万:土星5号升空时的推力(单位:牛顿)

土星5号是有史以来功率最强大的火箭。

首次载人绕月飞行的阿波罗8号的指挥官博尔曼(Frank Borman)说, “我感觉我们就像位于一根针尖上,这是一根非常巨大的针。我好象被人绑架着去,没有可以控制一切的感受,发射时的噪音和震动给你一种地动山摇的感觉。”

阿波罗8号是太空史上最大胆、最危险的任务之一。与博尔曼一起进入阿波罗指挥舱的还有洛弗尔(Jim Lovell)和安德斯(Bill Anders),他们认为成功的几率只有30%。

之所以认为这项任务如此危险,是因为之前对土星5号(有时被称为阿波罗6号)的无人驾驶测试并不顺利。阿波罗的飞行主管格里芬(Gerry Griffin)说,“我们在阿波罗8号之前进行的试飞几乎是一场灾难,几乎所有方面都出了问题。”

最严重的是,火箭开始上下弹动,这产生的力量有可能杀死宇航员。格里芬还说,“我们也失去了一些燃油管,而且第三级推进器的发动机没能重启。”

Image copyright Getty Images
Image caption 土星5号高达111米(366英尺),重达2950吨。

在接下来的8个月里,冯‧布劳恩的火箭团队着手解决所有的问题,然后说服美国宇航局的管理层,土星5号可以安全飞行了。

格里芬说, “项目的这个部分很大胆,那三个人也很勇敢,他们登上土星5号,进行它的首次飞行。”

5:土星5号留在月球上的第三级推进器数量

发射仅9分钟后,土星5号的第一级和第二级火箭就脱落,掉进大西洋。随后只带一个发动机的第三级(令人不解的是正式称为S4B)点燃推进,给阿波罗航天器有足够的速度到达预定轨道,然后关闭发动机。

接下来,在绕地球一周半后,宇航员重启S4B的发动机。在一波名为“月球转移轨道射入”( Trans Lunar Injection)的操作中,第三级火箭以抛物线方式将阿波罗航天器抛出绕地轨道,射往月球方向。

在宇航员第二次关闭发动机后,随着阿波罗航天器从火箭顶部弹出,这枚火箭就该寿终正寝了。不过,由于火箭第三级与阿波罗航天器以同样的速度和方向前进,除非宇航员改变其运行轨迹,否则这枚用过的火箭也会跟着他们抵达月球。

在最初几次阿波罗任务中,美国宇航局的解决方案是将S4B送入绕太阳的轨道。今天,阿波罗8号、9号、10号和11号的S4B级仍在绕太阳运行。不过,阿波罗12号任务的第三级火箭已经被地球引力重新捕获。

对于接下来的阿波罗任务,美国宇航局提出了一个更富想像力的计划。

Image copyright Nasa
Image caption 土星5号团队不得不对火箭进行重新设计,以确保它不会产生令宇航员毙命的力量。

从阿波罗12号开始,登月的阿波罗宇航员都会在月球上留下阿波罗月球地表实验数据包(Alsep),其中包括一个地震仪。这个实验数据包会将收集的月球数据传送回地球。美国宇航局会将用完的三级火箭撞向月球,地质学家可以追踪撞击月岩产生的震动来确定月球的地质构成。

随着任务的继续,坠毁月球的第三级数目增加,传回来的数据也增多。Alseps一直在返回数据,直到1977年,美国宇航局终止了这个项目。

100:阿波罗12号发射时的云层覆盖比

1969年11月14日,在首次登月四个月后,美国宇航局计划再次登月。阿波罗12号上的宇航员为康拉德(Pete Conrad)、戈登(Dick Gordon)和比恩(Alan Bean)。

当天有几场阵雨,冷锋横扫佛罗里达州中部,但气象学家为发射开了绿灯,发射的倒计时也进行得很顺利。

在发射36秒后,土星5号穿过云层时,指令舱中的电子系统出现故障。

康拉德喊道,“那是什么鬼?”

这是格里芬首次担任首席飞行指挥,负责监督任务控制。

格里芬说, “主警报和其他警告灯亮起,告知出了问题,康拉德一看,竟然整个仪表板的灯都亮了起来。”

随着火箭继续向轨道前进,格里芬找到了解决办法。“这个毕业于俄克拉何马州东南部一所小学院的年轻人艾伦(John Aaron),我猜他大概25岁左右,我打了个电话问他,他说‘让他试试把SCE推到Aux(备用电源)上。’”

Image copyright (Credit: Nasa)
Image caption 在一次发射中,工程师们发现土星5号自己生成了闪电。

格里芬从未听说过这个开关,但他让宇航通讯员卡尔(Gerry Carr)把这个信息转告宇航员。“康拉德也从来没有听说过那个开关,所以他说把SCE推到备用电源是什么鬼东西?但是比恩知道开关在哪里,因为这个开关就在他前面。”

他们按下开关,指令舱恢复了工作。导航计算机重置后,宇航员就飞往月球。

工程师们后来分析这次火箭发射,发现火箭自己生成了闪电,发射产生的废气在云层和地面的带电粒子之间形成了一个电路。幸运的是,那次闪电并没有影响火箭的独立计算机,在整起事件中,计算机一直保持着航天器的正常运行。

格里芬说,“听宇航员在那之后的对话真的很有意思,他们咯咯地笑,就像一辆汽车差点出了车祸而幸存......几乎一直到进入轨道,都很欢乐。”

请访问 BBC Future 阅读 英文原文

更多有关此项报道的内容