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        人類飛入“月宮”的幕后英雄

        2019-07-29 03:34:55榮智慧
        看世界 2019年15期
        關(guān)鍵詞:發(fā)動機(jī)

        榮智慧

        1969年7月16日,肯尼迪航天中心的成員透過窗戶觀看“阿波羅11號”的發(fā)射

        人類首次登月的50年后,想“再現(xiàn)”一次登月場景,簡直太容易了。一塊小小“宇航員足印”冰箱貼,通過手機(jī)攝像頭掃描,就可以用增強(qiáng)現(xiàn)實(AR)的方式,顯示出登月的三維信息,包括當(dāng)年的電視直播錄像、“阿波羅11號”的具體數(shù)據(jù)。

        當(dāng)然,“阿波羅”計劃,包括1969年首次登月的“阿波羅11號”,將永遠(yuǎn)作為人類探索的里程碑,被歷史銘記。而整個登月計劃成功的背后,巨大的技術(shù)跨越、海量的資金支持,以及人數(shù)眾多、技術(shù)高超的團(tuán)隊運作,都是重要因素。

        “阿波羅”計劃是美國宇航局運行的第三個載人航天工程。

        “阿波羅”計劃

        1960年7月29日,美國宇航局(NASA)提出了一項名為“阿波羅”的計劃,以載人登月為奮斗目標(biāo)?!鞍⒉_”是希臘神話中的太陽神,主管光明、醫(yī)藥、畜牧、音樂和詩歌,跟月亮女神“阿爾特彌斯”是雙胞胎。不過,據(jù)負(fù)責(zé)人阿伯·西爾弗斯坦(Abe Silverstein)事后表示,當(dāng)時選擇“阿波羅”,是因為他本打算給兒子起這個名字。

        該計劃被提出伊始,美國總統(tǒng)并沒有拍板。

        當(dāng)時的太空競賽,蘇聯(lián)遙遙領(lǐng)先。1957年,蘇聯(lián)把第一顆人造地球衛(wèi)星送上天空;從1959年開始,“月球”號探測器第一次擊中月球,第一次繞到月球背面拍照,第一次實現(xiàn)月面軟著陸,第一次進(jìn)入繞月軌道成為人造月球衛(wèi)星;特別是1961年4月12日,蘇聯(lián)的加加林駕駛“東方1號”飛船進(jìn)入太空,繞地球飛行一周,成為世界上第一位“太空人”,大大打擊了美國的自信心。

        于是,一個月之后,美國總統(tǒng)肯尼迪正式宣布了“阿波羅”計劃,定了一個“十年往返月球”的“小目標(biāo)”。他日后的國會發(fā)言也被載入史冊:“我們選擇登月!我們選擇在這個十年登上月球并實現(xiàn)其他目標(biāo),不是因為它們簡單,而是因為它們艱難。”

        “阿波羅”計劃是美國宇航局運行的第三個載人航天工程。最早的“水星”計劃始于1958年,結(jié)束于1963年,目標(biāo)是送一臺載人航天器進(jìn)入地球軌道,完成4次飛行。之后開始的是“雙子星座”計劃,在1961年至1966年與“阿波羅”計劃并行,目標(biāo)是測試“阿波羅”計劃里必要的技術(shù)—兩架航天器在太空對接。

        “阿波羅”計劃的目標(biāo),表面是實現(xiàn)載人登月飛行,對月球進(jìn)行實地考察,但實際上,這一計劃并未打算占有月球資源,獲取科學(xué)知識也不是主要目的。對美國人來說,送人上月球,就是一場“較量”,一個證明美國比蘇聯(lián)強(qiáng)的良機(jī)。

        “十年”目標(biāo)的激勵下,整個美國都被動員了起來?!鞍⒉_”計劃從1961年5月開始實施,到1972年12月完成第六次登月結(jié)束,歷時11年,耗資255億美元。

        計劃實施的關(guān)鍵時期,參加工作的有2萬家企業(yè)、200多所大學(xué)、80多個科研機(jī)構(gòu),總?cè)藬?shù)超過30萬人。在當(dāng)時,除了第二次世界大戰(zhàn)中的V-2工程和曼哈頓計劃,科學(xué)技術(shù)史上還沒有一項活動能在如此短暫的時間內(nèi),動員如此巨大的人力物力財力,解決如此之多的技術(shù)難題。

        “土星5號”

        經(jīng)過一年多的激烈爭吵和論證,登月方案確定了:

        運載火箭先把載人飛船送入環(huán)繞地球飛行的停泊軌道,待地面測控站計算出飛向月球的最佳路線和最佳出發(fā)點后,再啟動末級運載火箭的發(fā)動機(jī),把飛船推入過渡軌道,同時末級火箭與飛船分離。

        進(jìn)入月球引力場后,飛船上的制動火箭發(fā)動機(jī)啟動,飛船減速后繞月飛行,成為月球衛(wèi)星,最后選好著陸點,從飛船上放出一只“渡船”,就像大輪船派出小艇一樣?!岸纱蓖瓿傻窃氯蝿?wù),返回繞月軌道和飛船會合。

        方案確定了,火箭的大小、發(fā)射場的規(guī)模、飛船的布局也就確定了。

        從1960年5月到1962年7月,“阿波羅”飛船的主要結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化

        “阿波羅”系列任務(wù),最終在月球上留下了6臺登月艙下降級。

        “阿波羅”號飛船要載人,所以火箭的推力必須夠大?!巴列恰毕盗谢鸺虼硕Q生?!巴列?號”是3級火箭,豎立起來高達(dá)110.6米,像一座35層的大廈;直徑10米,起飛重2930噸,工作零件200萬個。

        主持“土星5號”運載火箭設(shè)計制造工作的,就是V-2火箭的發(fā)明者布勞恩?!巴列?號”被公認(rèn)為現(xiàn)代火箭技術(shù)的最高成就之一;最大、最強(qiáng)力的世界紀(jì)錄,它保持了50年。

        第一級火箭長42米,直徑10米,尾部直徑13米,還裝有4個穩(wěn)定尾翼,翼展約有18米。

        5臺F-1巨型發(fā)動機(jī),一個位于中心,四個周圍環(huán)繞,以保證火箭在大氣層中飛行的朝向。F-1發(fā)動機(jī)是人類歷史上最強(qiáng)大的單噴嘴液體燃料火箭發(fā)動機(jī),以煤油和液氧作為推進(jìn)劑。5個發(fā)動機(jī)總推力為3400噸,差不多能抬起3000輛小轎車,而且能承受燃燒時的極端溫度。

        兩個直徑為10米的鋁制貯箱,盛裝了80萬升煤油,足夠噴氣式客機(jī)在上海和舊金山之間飛6個來回。這里的煤油,是高度提純的煤油,相比液氧,更不容易爆炸,且能提供每單位更多的推力。但是,對于“土星5號”來說,這點燃料只夠燒兩分半鐘。

        發(fā)動機(jī)點火后,火箭從發(fā)射平臺飛行至距地球68公里處,速度高達(dá)9200公里每小時。所有燃料用光后,發(fā)動機(jī)熄火,爆炸裝置炸開,讓第一級火箭和級間環(huán)斷開。第一級火箭會在發(fā)射地點至少500公里外落入大海。

        第二級火箭長25米,直徑同樣是10米,有5臺J-2發(fā)動機(jī),以液氫、液氧為推進(jìn)劑,總推力521噸。它會將飛船加速,使其進(jìn)入大氣層上層的175公里高空,速度達(dá)24600公里每小時,接近軌道速度。它會點火6分鐘,之后和末級火箭分離,落入地球,和發(fā)射地點至少相距4000公里。

        第三級火箭只有一臺J-2發(fā)動機(jī),推力102噸。它的上部是儀器艙,高1米,直徑6.55米,里面裝有設(shè)備模塊。設(shè)備呈環(huán)狀排列,為火箭導(dǎo)航,里面包含計算機(jī)、控制設(shè)備、加速度計和陀螺儀。使用完成后,設(shè)備模塊將被立刻“拋棄”。

        這一級火箭會被點火兩次。第一次是在第二級火箭分離后,點火2.75分鐘,將飛船送入地球軌道,速度達(dá)2.8萬公里每小時。之后再進(jìn)行第二次點火,飛向月球,速度達(dá)3.9萬公里每小時。

        “阿波羅”號飛船

        “阿波羅”號飛船像火車頭那么大,由指揮艙、服務(wù)艙、登月艙3部分組成。

        指揮艙像一頂圓錐形的帽子,高3.2米,底部直徑3.1米,重約6噸,和一輛房車差不多。它既是整個飛船的指揮控制中心,又是航天員的生活和工作座艙。

        指揮艙分前艙、航天員艙和后艙。前艙里放著穩(wěn)定減速傘、對接系統(tǒng)、主降落傘、俯仰推力器等設(shè)備。后艙中裝有10臺姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)、反應(yīng)控制燃料、制導(dǎo)導(dǎo)航系統(tǒng)等設(shè)備。

        指揮艙中間的航天員艙,是操作室、食堂、寢室和廁所的“集合”;艙內(nèi)有3個座席,上方有各種儀器儀表,航天員無論坐著還是躺著,都能很方便地進(jìn)行操作。航天員艙是密封的,存有供航天員食用14天的食物、藥品,以及降落傘、折疊橡皮船等救生設(shè)備。飛行過程中,艙內(nèi)氣壓和室溫可以自動調(diào)節(jié)。

        指揮艙上端還有一枚緊急脫險用的小火箭,叫“逃逸塔”,長得也很像塔。圓筒形,直徑66厘米,下端是個喇叭形的保護(hù)外殼,底部直徑1.2米,全長10米左右,重3.6噸。萬一運載火箭出現(xiàn)故障或發(fā)生事故,逃逸塔可以立即啟動,拉出“阿波羅”號飛船,脫離火箭。

        飛船的3個部分,只有指揮艙需要返回地球。重返大氣層時會產(chǎn)生高熱,兩三千度的高溫足以使其在空中解體。為了避免危險,指揮艙外壁貼著一層厚達(dá)2~7厘米的環(huán)氧-酚醛樹脂燒蝕防熱層。它在強(qiáng)熱流的作用下會燒蝕掉,同時帶走大量的熱,降低艙體表面溫度,保證指揮艙安全歸來。

        2019年4月11日,“阿波羅11號”的指令艙“哥倫比亞”號在西雅圖飛行博物館展出

        飛船中間的服務(wù)艙是個大圓筒,直徑4米,高6.7米,重約25噸。艙內(nèi)裝有主發(fā)動機(jī)、推進(jìn)劑貯箱,以及增壓、姿態(tài)控制、電氣等系統(tǒng)。由電子計算機(jī)控制的主發(fā)動機(jī),產(chǎn)生9.75噸的推力。

        服務(wù)艙的反應(yīng)控制系統(tǒng),連接了4臺四向推力器,可以調(diào)整飛船的朝向。艙內(nèi)包含燃料和氧化劑罐,以及把推進(jìn)劑送入發(fā)動機(jī)的壓力罐。這里的燃料電池和化學(xué)電池,為指揮艙提供電力。

        當(dāng)任務(wù)即將結(jié)束,飛船準(zhǔn)備進(jìn)入大氣層時,服務(wù)艙會與指揮艙分離;指揮艙回到地球,服務(wù)艙則在大氣層內(nèi)燃燒完畢。

        登月艙在服務(wù)艙的后面,像只大甲蟲,分為下降級和上升級兩段。下降級長著4條昆蟲式的“腿”,裝有推進(jìn)系統(tǒng),用于考察月面的科學(xué)儀器、照相機(jī)、挖土機(jī)等等。下降級推進(jìn)系統(tǒng)中,發(fā)動機(jī)的推力可在10%~60%之間變化,以便軟著陸。

        當(dāng)?shù)窃氯蝿?wù)完成,下降級會和上升級分離,成為一個發(fā)射平臺?!鞍⒉_”系列任務(wù),最終在月球上留下了6臺登月艙下降級。

        上升級是登月艙的主體,由航天員艙、返回發(fā)動機(jī)、推進(jìn)劑貯箱等組成。返回發(fā)動機(jī)可重復(fù)啟動35次。姿態(tài)控制系統(tǒng)有16臺小推力發(fā)動機(jī)。航天員艙可承載兩名航天員,含有導(dǎo)航、控制、通信、生命保障等設(shè)備。和指揮艙一樣,充有1/3個大氣壓的純氧,氣溫保持在20~24℃之間,氧氣、水、電保證持續(xù)供應(yīng)48~80個小時。

        為了便于從月球降落和起飛,登月艙的每個部件都要“精打細(xì)算”。艙里沒有座椅和睡鋪,兩名航天員的活動空間僅為4.5立方米,降落和起飛時只能站著操作,用輕便的索具維持身體平衡。登月艙在開始降落時有十幾噸重,其中大部分是推進(jìn)劑的重量;飛離月球時連下降級都留下了,“體重”就剩2噸左右了。

        登月艙只能在真空中起降,它的空氣動力學(xué)設(shè)計不適合在大氣層內(nèi)飛行。

        一系列的試驗飛行結(jié)束后,“阿波羅11號”就成為把人類送往月球的第一艘“方舟”。阿姆斯特朗、柯林斯和奧爾德林成了“幸運兒”,首次實現(xiàn)人類進(jìn)入“月宮”的夢想。

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