文- 劉 霞

NASA的太空之路

文- 劉 霞

數(shù)十年來，美國國家航空航天局（NASA）一直用新技術(shù)、新項(xiàng)目、新設(shè)備，帶領(lǐng)人們朝更深更遠(yuǎn)的太空進(jìn)發(fā)

自1958年成立至今，美國國家航空航天局（NASA）一直以勇于創(chuàng)新而聞名世界，被廣泛認(rèn)為是全球太空機(jī)構(gòu)的領(lǐng)頭羊。數(shù)十年來，NASA一直用新技術(shù)、新項(xiàng)目、新設(shè)備，帶領(lǐng)人們朝更深更遠(yuǎn)的太空進(jìn)發(fā)，以下10款令人嘆為觀止的創(chuàng)新設(shè)備就是最好的證明。

“土星5”號(hào)運(yùn)載火箭

1 “土星5”號(hào)運(yùn)載火箭

“土星5”號(hào)運(yùn)載火箭，是NASA在阿波羅計(jì)劃和天空實(shí)驗(yàn)室兩項(xiàng)太空計(jì)劃中使用的多級(jí)可拋式液態(tài)燃料火箭，也是歷史上最高、最重、推力最強(qiáng)的運(yùn)載火箭。

1969年7月20日，“土星5”號(hào)運(yùn)載火箭將全球第一艘載人飛船“阿波羅11”號(hào)送上月球，并成功返回。此后，陸續(xù)有8枚“土星5”號(hào)運(yùn)載火箭將載人的“阿波羅”號(hào)宇宙飛船送上月球軌道。在整個(gè)航空航天史上，它都是值得濃墨重彩抒寫的一章。

“土星5”號(hào)運(yùn)載火箭由三級(jí)組成，最大直徑10米，連通尾翼在內(nèi)共達(dá)18米，總質(zhì)量達(dá)2721554.22千克，安裝阿波羅飛船和救生火箭后，總高度達(dá)110.6米，相當(dāng)于36層樓房?；鸺牡谝患?jí)使用了5臺(tái)F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，裝有2075噸液氧煤油推進(jìn)劑，發(fā)動(dòng)機(jī)一旦點(diǎn)火，僅需2分34秒就可以將2000多噸“飲料”一飲而盡，產(chǎn)生的高溫氣體以2900米/秒的速度噴射，可產(chǎn)生3500噸的推力。

2 國際空間站

國際空間站（ISS）是迄今最大也是最昂貴的地外設(shè)備，運(yùn)行于距離地面400公里的地球軌道上；它也是迄今最復(fù)雜、最成功的國際合作典范。國際空間站集合了美國、俄羅斯、日本和歐洲等不同國家的太空研究成果。

國際空間站比一個(gè)足球場還大，建造成本高達(dá)1500億美元。它也是太空持續(xù)使用時(shí)間最長的建筑，40年來，有多位科學(xué)家在國際空間站內(nèi)從事過研究。隨著國際空間站服役時(shí)間的不斷增加，科學(xué)家們需要想出一些別出心裁的解決方案來修理日益老化的零件，比如，研究人員最近對(duì)出錯(cuò)的空調(diào)系統(tǒng)的修復(fù)等。但不管怎樣，國際空間站已經(jīng)證明自己非?！翱孔V”，它或許可以持續(xù)運(yùn)行到2024年。

國際空間站

阿波羅登月艙

3 阿波羅登月艙

當(dāng)美國格魯曼飛機(jī)工程公司受命為NASA制造阿波羅登月艙（阿波羅宇宙飛船直接登月的部分）時(shí)，其口號(hào)是：“讓登月艙變得更輕、更輕、更輕?！贝饲?，格魯曼公司一直以制造堅(jiān)固耐用的戰(zhàn)斗機(jī)而聞名，現(xiàn)在，它被要求建造的是真正的航天飛機(jī)——只能在太空中飛行的飛機(jī)，這就意味著，在普通飛機(jī)那大行其道的流線型、空氣動(dòng)力學(xué)等都不再管用，他們必須另辟蹊徑。他們首先采用的辦法是：剔除了很多窗戶、座椅甚至側(cè)板，也就是說，凡是對(duì)登陸月球沒有幫助的所有物品都被摒棄了。

但這樣做得到的機(jī)器仍然太重，無法飛起來，因此，格魯曼公司采取了非常極端且富有突破性的辦法：采用化學(xué)方法來蝕刻由機(jī)器切削而成的細(xì)小零件，直到它們足夠堅(jiān)固，最終有10臺(tái)登月艙飛起來了，其中包括阿波羅13號(hào)登月艙。最能證明登月艙價(jià)值的是，阿波羅13號(hào)登月飛船發(fā)射后兩天，服務(wù)艙的氧氣罐發(fā)生的爆炸嚴(yán)重?fù)p壞了航天器，使其大量損失氧氣和電力，但三位宇航員使用航天器的登月艙作為太空中的救生艇，在太空中經(jīng)歷了缺電、溫度異常以及飲用水問題后，仍然成功返回了地球。

4 “好奇”號(hào)火星漫游車

“降落——我們安全登陸火星！”當(dāng)飛行指揮員艾爾·陳說出這句話時(shí)，一個(gè)長達(dá)10年的漫長征程以“好奇”號(hào)火星車在火星上安全著陸而完美收官。

這個(gè)耗資25億美元的研究計(jì)劃是迄今最野心勃勃的計(jì)劃，其對(duì)科技能力的要求超過以前所有科學(xué)研究計(jì)劃?！昂闷妗碧?hào)火星車重達(dá)1噸，大小相當(dāng)于一輛Mini Cooper汽車，它是第一輛采用核動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的火星車，最終使命是探尋火星上的生命元素。

讓“好奇”號(hào)火星漫游車在火星上安全登陸，是科學(xué)家們面臨的最大挑戰(zhàn)之一，鑒于以前的登月方法無法勝任這一任務(wù)，NASA專門為“好奇號(hào)”設(shè)計(jì)了一套復(fù)雜的著陸程序?；鹦擒囘M(jìn)入火星這顆紅色行星的大氣后，借助一個(gè)大降落傘把它的隔熱板及后殼扔掉，以減慢下降速度，然后再利用被稱作“天空起重機(jī)”的推進(jìn)器慢慢下降。這個(gè)起重機(jī)利用電纜把該車放在火星表面，然后，它會(huì)飛走并墜毀。這一瘋狂而新奇的想法剛一提出，就讓人心跳加快，覺得簡直不可思議。NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的首席工程師羅伯特·曼寧表示：“我們首先必須通過嘲笑測試?！?/p>

但在2012年8月5日，開懷大笑的是噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)那些緊張興奮、激動(dòng)不已的工程師、控制人員以及科學(xué)家——“好奇”號(hào)火星車成功地在火星登陸，開始了它在這片紅色星球上的冒險(xiǎn)之旅。

“好奇”號(hào)火星車

5 阿波羅導(dǎo)航計(jì)算機(jī)

借用上世紀(jì)60年代的技術(shù)，如何能讓宇航員們飛到月球呢？僅僅將希望寄托在火箭上？當(dāng)然不行，還需要一臺(tái)復(fù)雜的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)?！鞍⒉_”計(jì)劃剛開始時(shí)，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)被認(rèn)為是整個(gè)計(jì)劃風(fēng)險(xiǎn)最大的部分。實(shí)際上，輔助人類登上月球的技術(shù)奇跡正是飛船上的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。

上世紀(jì)60年代，大部分計(jì)算機(jī)都要占據(jù)整個(gè)房間，但飛船的機(jī)載電腦卻要求體積小且功耗低。怎么辦？NASA的研究人員同美國麻省理工學(xué)院（MIT）的設(shè)備實(shí)驗(yàn)室攜手，設(shè)計(jì)并制造出有史以來第一臺(tái)集成電路數(shù)字飛行計(jì)算機(jī)——阿波羅導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。參與“阿波羅”計(jì)劃的宇航員們使用這臺(tái)計(jì)算機(jī)在地球和月球之間來回往返了9次。盡管今天人們可能無法相信能用如此“原始”的計(jì)算機(jī)來控制宇宙飛船，但它的確有即使以今天的標(biāo)準(zhǔn)來看都很高級(jí)的功能。

阿波羅導(dǎo)航計(jì)算機(jī)能為飛船提供從地球到月球、從月球軌道到月球表面、接著再回到地球的導(dǎo)航，所有這些都依靠計(jì)算機(jī)上2KB的隨機(jī)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（RAM）和36KB的編程指令。盡管這臺(tái)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如一臺(tái)洗衣機(jī)聰明，但其非?？煽浚彩乾F(xiàn)代緊湊型數(shù)字計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。

“亞特蘭蒂斯”號(hào)航天飛機(jī)

6 航天飛機(jī)

NASA如何執(zhí)行一個(gè)又一個(gè)令人驚奇的太空計(jì)劃——比如，將人送往月球？當(dāng)然是使用航天飛機(jī)。航天飛機(jī)又稱太空梭或太空穿梭機(jī)，是可重復(fù)使用的、往返于太空和地面之間的航天器，結(jié)合了飛機(jī)與航天器的性質(zhì)。它既能像火箭一樣垂直起飛；像太空飛船一樣在軌道上運(yùn)行；又能像飛機(jī)一樣水平著陸。航天飛機(jī)在軌道上運(yùn)行時(shí)，可完成釋放衛(wèi)星、回收及維修衛(wèi)星、進(jìn)行各種微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)等多種任務(wù)。

航天飛機(jī)一般由軌道器、外貯箱和固體助推器組成，擁有龐大的載荷，每架航天飛機(jī)能飛行30次。美國從上世紀(jì)70年代開始研發(fā)航天飛機(jī)，直到1981年才發(fā)射了第一架航天飛機(jī)，但自此以后，每一次航天飛機(jī)的發(fā)射都吸引著人們的目光，共有5種型號(hào)的航天飛機(jī)接受了世人的檢驗(yàn)，分別為“哥倫比亞”號(hào)、“挑戰(zhàn)者”號(hào)、“發(fā)現(xiàn)”號(hào)、“亞特蘭蒂斯”號(hào)和“奮進(jìn)”號(hào)。

2011年7月8日23時(shí)30分許，美國“亞特蘭蒂斯”號(hào)航天飛機(jī)成功啟動(dòng)其太空之旅，這也是美國航天飛機(jī)的絕唱，標(biāo)志著美國航天飛機(jī)時(shí)代的終結(jié)，NASA官方同時(shí)宣布了代替航天飛機(jī)的新方案：多用途載人飛船（MPCV）。

7 F-1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

上世紀(jì)50年代末，整個(gè)美國社會(huì)陷入“火箭狂熱”中，俄羅斯的火箭總是比美國的火箭更大更好，因此，不甘心的美國空軍授權(quán)加州洛克達(dá)因公司（Rocketdyne）研制全球最大、功能最強(qiáng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。最終研制出的發(fā)動(dòng)機(jī)名為F-1，用于“土星5”號(hào)運(yùn)載火箭的第一級(jí)，最終將阿波羅宇宙飛船送上了月球。

F-1是投入使用的推力最大的單噴嘴液體發(fā)動(dòng)機(jī)。洛克達(dá)因公司剛開始在現(xiàn)有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)上建造火箭，但在對(duì)小型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行升級(jí)測試時(shí)，發(fā)生了令人膽顫心驚的爆炸，主要問題是發(fā)動(dòng)機(jī)自己會(huì)因?yàn)槁曇粽駝?dòng)而晃動(dòng)不止。那么，洛克達(dá)因公司的創(chuàng)新是什么呢？工程師們將少量爆轟炸藥放在燃燒室中，并在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)引爆炸藥，以此測試燃燒室在壓力變化時(shí)將作何反應(yīng)。設(shè)計(jì)師隨后測試了幾種不同的燃料噴射器，并得到了最佳匹配方案。這一想法大膽甚至令人覺得有點(diǎn)瘋狂，F(xiàn)-1也因此成為同時(shí)代最成功的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

8 “海盜”號(hào)火星登陸器

上世紀(jì)50年代末，NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)想出一個(gè)極富野心的計(jì)劃：將機(jī)器人著陸器送到火星，進(jìn)行地理學(xué)、天氣和大氣傳感方面的測試，有可能的話，搜尋生命存在的跡象。

10年后，NASA的工程師們讓這個(gè)不可思議的夢(mèng)想走進(jìn)了現(xiàn)實(shí)，他們創(chuàng)建了一個(gè)小型生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，并將其從占滿一間教室那么大縮小到小型洗衣機(jī)那么大?！昂１I1”號(hào)和“海盜2”號(hào)這兩艘宇宙飛船都配備有登陸器，它們于1976年登上火星。

這對(duì)“雙胞胎”著陸器分別降落在火星的兩端，在90多天的探測任務(wù)中表現(xiàn)出色（其中“海盜1”號(hào)著陸器運(yùn)行到1982年）。NASA希望“海盜”號(hào)能搜尋到未知的火星生命，但它們?cè)诨鹦潜砻嬉粺o所獲。

2008年，NASA的科學(xué)家對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了重新評(píng)估，并認(rèn)為火星土壤中可能存在微生物，至少是有機(jī)物質(zhì)。但目前，火星土壤中的有機(jī)物含量非常低，主流觀點(diǎn)認(rèn)為，火星土壤中存在的某種神秘氧化物與這些有機(jī)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而減少了有機(jī)物的含量。一切都還未蓋棺論定，有望于2020年發(fā)射的新的火星探測器，可能會(huì)帶給我們更多信息。

“海盜”計(jì)劃是火星探測史上最昂貴的計(jì)劃，也是1990年到2000年最成功且提供信息最多的火星探測計(jì)劃。

9 阿波羅月球服

如果你不能在月球漫步，那么，飛到月球有什么好處呢？這也是上世紀(jì)60年代初，NASA的工程師們面臨的問題。此前，他們已經(jīng)為X-15超音速飛行機(jī)設(shè)計(jì)出太空服“水星”以及“雙子座”，但這些航天服都僵硬、龐大、笨重且穿著不舒服。最糟糕的是，當(dāng)穿著這種衣服時(shí)，人們幾乎什么也沒法干，因?yàn)?，他們就像背著僵硬、厚重的氣球?/p>

NASA的工程師們隨后進(jìn)行了大膽的革新，他們制造出了數(shù)十套月球服并逐一進(jìn)行測試，最后為執(zhí)行“阿波羅11”號(hào)登月任務(wù)的宇航員們選中了一款看似笨重的衣服。

這款月球服實(shí)際上比其他的要輕巧靈便很多，專門為在月球表面工作而設(shè)計(jì)。它由16層材料組成，用于保溫并防止微隕石的襲擊。月球服內(nèi)裝有冷卻和供氧系統(tǒng)，以維持航天員生命，胸部還裝有一組用于操縱和檢測背包系統(tǒng)的控制盤。月球服的背包可供給航天員氧氣、冷卻航天服中循環(huán)的水，其中還包括一個(gè)小型無線電發(fā)報(bào)機(jī)和一個(gè)氧氣凈化裝置。頭盔有兩層面罩，可以防護(hù)航天員眼睛不受紫外線、紅外線和流星微粒的傷害。加壓手套外層由一種特殊的纖維制成，內(nèi)層是絕熱材料，以防航天員在工作中接觸熱物體或冷物體時(shí)受傷。手套的指端由硅有機(jī)橡膠制成，可提高航天員手指的敏感性。

10 “旅行者”號(hào)探測器

上世紀(jì)60年代，野心勃勃的NASA并不滿足于僅僅探索火星和金星，他們勾勒了一幅宏偉的太陽系“大旅行”圖，計(jì)劃探索太陽系的大部分行星，木星、土星、天王星、海王星都于上世紀(jì)70年代進(jìn)入了他們的探索列表。

這一計(jì)劃曾因預(yù)算不足而受阻，但NASA堅(jiān)定地執(zhí)行了原計(jì)劃，并在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室建造了兩架更小且沒那么野心勃勃的宇宙飛船“旅行者1”號(hào)和“旅行者2”號(hào)。

這些機(jī)器人探索者于1977年發(fā)射，前往木星和土星，并于1980年完成最基本的任務(wù)。1980年11月13日和1981年8月26日，這對(duì)探測器分別飛近土星考察，“旅行者1”號(hào)著重探測了原來被認(rèn)為是太陽系最大的一顆衛(wèi)星——土衛(wèi)六，但從拍回的照片上發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)六的直徑只有4828公里，而不是過去認(rèn)為的5760公里，因此判定它小于木衛(wèi)三，從而退居為太陽系的第二大衛(wèi)星；“旅行者2”號(hào)則對(duì)新發(fā)現(xiàn)的土星環(huán)和幾個(gè)衛(wèi)星作了近距離探測， 向地球發(fā)送回一萬多張照片。

考察了木星和土星后，“旅行者1”號(hào)開始飛離太陽系，而“旅行者2”號(hào)不僅要像“旅行者1”號(hào)那樣穿過火星軌道和危險(xiǎn)的小行星帶，相繼與木星（1979年）和土星（1981年）交會(huì)，還要與天王星和海王星交會(huì)。最終，“旅行者2”號(hào)于1985年到1989年之間先后探測了天王星和海王星。

除了科學(xué)儀器外，“旅行者”號(hào)探測器上還攜帶了一張鍍金銅板聲像片和一枚金剛石唱針，它可以在宇宙中保存10億年，上面記錄了用54種人類語言向外星智慧生物發(fā)出的問候語，還有117種地球上動(dòng)植物的圖形，以及長達(dá)90分鐘的各國音樂錄音，其中包括中國傳統(tǒng)古琴名曲《高山流水》。這些地球之聲將帶著人類的期望回蕩在宇宙空間，人們希望它在宇宙中漂流的漫長歲月里能遇上地外生命并向他們傳達(dá)來自地球的信息。

這兩臺(tái)探測器36年后傳回?cái)?shù)據(jù)，2013年6月，NASA發(fā)布消息說，1977年發(fā)射的“旅行者1”號(hào)探測器發(fā)回的數(shù)據(jù)顯示，其運(yùn)行速度約為每秒17公里，距地球約180億公里，它正趕赴與另一顆恒星在5萬年之后的約會(huì)。

（來源：《科技日?qǐng)?bào)》責(zé)任編輯/清揚(yáng)）