【原创文章】虽败犹荣,力挽狂澜的阿波罗13号太空营救行动(上)

虽败犹荣,力挽狂澜的阿波罗13号太空营救行动(上)
导语

49年前的今天,也就是1969年7月20日(我国的21日),航天员尼尔·阿姆斯特朗第一个登上了月球,也人类历史上首次踏足地外天体!纵览阿波罗计划所有7次登月任务,有一次任务非常特殊,也是唯一的一次,也就是阿波罗13号任务,这次任务中航天员未能如愿以偿的登上月球任务中三名航天员险些因飞船的致命故障而命丧深空,但这是一次“成功的失败”,在任务团队的努力补救下,三名航天员最终成功返回地球。今天让我们跟随作者复盘再现美国这次登月事故及救援的细节,以及在救援过程中表现出来的优秀应急处理能力和训练有素的航天员团队。

本文作者:超级Loveovergold已经为其开启独立赞赏账户

在介绍这次事故前,首先要把土星五号和阿波罗飞船进行素描。

一、超高、超重、超限,土星5号不能再大了

(一)超高

土星五号火箭加上阿波罗飞船(登月系统),整个火箭高111米,比自由女神像高出18米!出师未捷身先死的苏联N1-L3登月系统、现在还在烧钱孵化的SLS,同为105米身高,比土星5号还矮了6米。

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图1. 土星五号火箭加上阿波罗飞船高111米,比自由女神像高出18米

(二)超重

巨大的土星五号火箭的1~3级分别称为S-1C(液氧煤油)、S-II(液氢液氧)、S-IV B(液氢液氧),箭体加上携带的推进剂重量达到2903吨,而相比较N1-L3是2735吨。在起飞时,5台F1液氧煤油发动机每秒喝下13吨推进剂,产生的推力达到347万千克力(3470吨力)。

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图2.土星5为典型的3级运载火箭,起飞推力达到347万千克力



(三)超限

土星5号低地球轨道(LEO)发射能力为130吨,进入月球转移轨道 (TLI,trans-lunar injection)的发射能力约48.5吨,矮胖敦实的苏联能源火箭在运载能力上也略逊一筹。迄今为止,还没有其他运载火箭成功做到(图纸上的祝融星-大力神、战神5中途放弃),超越了人类的极限!

更为暗黑,挑战自我极限的是土星5的后继者,Saturn C-5N,N是Nuclear,核热动力的第三级发动机S-IVB N替代原有使用液氢液氧的J2火箭发动机,比冲达到800秒,推力27206千克力,燃烧时间1250秒,LEO能力提升到惊人的155吨,不过这个不在本篇讨论范围内。(有兴趣的可以考虑看并不是异想天开,核热动力火箭——无畏的先驱者(上)并不是异想天开,核热动力火箭——无畏的先驱者(下)

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图3、Saturn C-5N核热动力,LEO能力提升到155吨

 

(四)土星5三高,只为阿波罗登月飞船

三高的最终目的,其实只是为了把阿波罗飞船送到月球转移轨道。阿波罗飞船由三大件组成,分别是登月服务舱/指令舱(Apollo Command/Service Module,CSM)、登月舱(Lunar Module,LM),两者合计重达44吨,以及顶部可抛弃的发射逃生系统。

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图4、阿波罗飞船的3个分系统

1、阿波罗发射逃生系统(LES,launch escape system)

LES由洛克希德推进公司建造,其目的是在紧急情况下将指令舱拉离运载火箭来中止任务,确保宇航员安全。

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图5. 阿波罗发射逃生系统(LES,launch escape system)

当系统激活时,最大推力为890 kN的固体火箭工作,同时在仰俯小火箭的配合下,通过4秒钟的燃烧,偏离有故障的运载火箭并达到足够的高度。最后LES被抛弃,指令舱的降落伞打开平安降落。在没有紧急情况,4100公斤重的LES也是累赘,一般在运载火箭的第二级点火后约20或30秒,在60公里高空,用固体燃料火箭发动机抛弃,轻装上阵去月球。得益于土星五号的出色表现,LES每次都坐冷板凳

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图6.注意在顶部仰俯小火箭的配合下,LES可偏离有故障的运载火箭并达到足够的开伞高度

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作者宝地插个广告。。。如果喜欢土星五号这款火箭的话,推荐购买这款积木模型,放家里镇宅好用(读者别打我哈)

 

2、登月服务舱/指令舱

指令舱(Command Module)是宇航员在飞行中生活和工作的座舱,也是全飞船的控制中心。形状为截头圆锥体,高3.23米,底部直径3.91米,重约6吨。指挥舱分前舱、宇航员舱和后舱3部分。前舱内放置着陆部件、回收设备和2台姿态控制发动机等。宇航员舱为密封舱,存有供宇航员生活14天的必需品和救生设备。后舱内装有10台姿态控制发动机、推进剂罐,还有制导导航系统以及计算机和无线电分系统等。电源是通过CSM 脐带电缆,由服务舱提供

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图7. 登月服务舱/指令舱,Apollo Command/Service Module,CSM

把登月舱送到月球并把航天员再接回地球,全程陪伴的是登月的保姆车——服务舱(Service Module)。舱体为圆筒形,高6.7米,直径4米,重约24吨。其前端与指令舱对接,后端有推进系统主发动机。主发动机用于轨道转移和变轨机动,型号为Aerojet的AJ10-137,推进剂是典型的美系毒发专供,燃料和氧化剂分别为航空肼(Aerozine 50)/四氧化二氮,高压氦气挤压循环,依靠发动机喷管巨大的扩张比,真空比冲达到了314秒,推力91kN。姿态控制系统由16台火箭发动机组成,它们还用于飞船与第三级火箭分离、登月舱与指挥舱对接和指挥舱与服务舱分离等。

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8.阿波罗15号登月服务舱/指令舱,注意服务舱上2/4个一组RCS,每台R-4D发动机推力440N

3、登月舱以及他的莲花瓣襁褓适配器

登月舱由格鲁曼飞机公司设计和制造,是个大家伙,分为下降级和上升级组成,地面起飞时重15.2吨,高7.04米。宽 4.3米,四条腿张开,对角线长9.4米。

①下降级:由下降级发动机(LMDE)、推进系统等配套仪器组成,上期已经讲了其赫赫有名的超临界氦气贮存增压系统,详见《漫谈阿波罗登月项目的超临界氦贮存增压技术 》,以及举火寻道六十年——地外着陆反推火箭发动机发展史揭秘

②上升级:是登月舱主体。宇航员完成月面活动后驾驶上升级返回环月轨道与指挥舱会合。上升级由宇航员座舱、返回发动机、推进剂贮箱、仪器舱和控制系统组成。宇航员座舱可容纳2名宇航员(但无座椅),有导航、控制、通信、生命保障和电源等设备。

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图9.阿波罗登月舱

这么大的胖子,腿收紧之后直接坐在土星五号的第三级火箭上,而依靠阿波罗飞船/登月舱适配器(Apollo Spacecraft/LM Adapter,SLA),托举瘦小的登月服务舱/指令舱。

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图10.阿波罗登月舱的适配器,合拢之后托举瘦小的登月服务舱/指令舱

SLA由北美航空公司(Rockwell)制造,是一个重量1.8吨的锥形铝结构,底座用螺栓固定在S-IVB第三级火箭顶部的仪表单元上,通过铰链固定四块6.4米高莲花面板,它在发射期间类似整流罩保护月球模块(LM)。

4、服务/指令舱和登月舱的太空组装

在发射后约两小时,S-IVB第三级火箭二次点火进入月球转移轨道后,阿波罗飞船启动太空组装!

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图11.Apollo 7 测试期间,图上SLA右上方面板没有完全打开呈45度,后更改设计

第一步,四块莲花面板通过火工品和登月服务舱/指令舱分离,并徐徐展开45度角。

第二步,服务舱上的R-4D姿态控制发动机工作,服务/指令舱起身向前一小步。

第三步,服务舱上的R-4D姿态控制发动机工作,服务/指令舱完成180度掉头。

第四步,服务/指令舱和登月舱来一个太空接吻—对接,并一起缓缓后退,开始奔月旅程。

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图12.分为4步完成阿波罗飞船的太空组装

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图13.组装后的阿波罗飞船,开始登月之行

二、载入史册的太空营救

在西方人眼里,13是一个不吉利的数字,即便已有两次非常成功的登月任务完成,个别宇航员家属还是忧心忡忡(怕事不过三……)。

三名宇航员分别为:指令长,吉姆•洛威尔(Jim Lovell),指令舱和登月舱的任务员分别为杰克•斯威格特(Jack Swigert)与弗莱德•海斯(Fred Haise)。

(一)开局有惊无险

阿波罗13号倒计时中规中矩,于1970年4月11日美国东部时间下午2点13分升空。不过刚发射就出现了一些异常,由于由于推进和结构系统中的高振幅振荡,S-II级中央的J2发动机提前132秒异常关闭,通过四个外围J2发动机额外工作34秒,弥补了大部分速度增量的损失,后续S-IVB三级又延长9秒的燃烧,使目标速度差异控制在-0.4米/秒以内,达到10.9公里/秒,顺利进入停泊轨道,算是有惊无险。(猎鹰9也发生过此类异常,算是向前辈致敬ORZ)

(二)休斯顿,我们遇到麻烦了!

虽然有个把小插曲,登月任务的前两天按计划进行,整体来说阿波罗13好像是整个项目中最顺利的飞行。以至于46小时43分钟,地面通讯主任Joe Kerwin说:“就我们而言,飞船的状态确实很好。我们无聊的想哭。” 这是最后一次有人提到无聊……

在55小时52分,宇航员被要求打开2号氧罐的搅动风扇,电门在55小时53分接通,大约90秒后,宇航员们听到巨大的“砰”的一声,同时B路直流总线(分为A路和B路两套)低电压警告灯频闪,航天器的遥测几乎完全失去了1.8秒。宇航员Jim Lovell报告:“休斯顿我们遇到麻烦了!“(休斯顿是任务控制中心所在地)

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图14.“休斯顿,我们遇到问题了”Jim Lovell(图为阿波罗13号电影剧照)

诡异的是两分钟之后,告警自动恢复。但肯定有情况,在爆炸发生后十三分钟,宇航员宇航员Jim Lovell无意中发现左侧舷窗外的异常:“我们正在向太空释放出一些东西,是某种气体!

爆炸产生的巨大冲击力,加上气体持续泄露,阿波罗13号偏离航线,尽管舱体外的RCS依在按程序努力调整飞船,但于事无补。

事发时间是4月13日21:08小时,甚至在休斯顿载人航天器中心大楼16楼顶上的5名工作人员兼业余爱好者,也通过16英寸的施密特-卡塞格伦望远镜发现阿波罗飞船在向太空喷射出什么东西。大家意识到不对劲……

几分钟后,1号燃料电池退服,再不到半小时后,3号燃料电池也退服。一开始地面控制人员判断为电气问题,是不是燃料电池到总线的跳闸?于是命令指令舱下电。但当发现1号氧罐压力下降,紧接着2号氧罐彻底变空,大家意识到情况危急!

 

(三)无奈的决断——放弃登月

航天员进行了几次尝试以节省1号氧罐中的剩余氧气,但其压力继续降低,仅剩的2号燃料电池的电压慢慢的变小。阿波罗登月任务规定,在仅有一个燃料电池情况下是不允许进行登月操作,何况现在是3个都快挂了!

大家心里都明白,登月无望!然而登月服务舱配置的两个氧罐耗尽,宇航员的生存都成问题了!因为这些氧不仅用于发电,还用于呼吸和饮用……宇航员Jim Lovell在回忆录写到,不能登月的遗憾消失无踪,现在是肚子里打了个结,要为生存而战!

爆炸发生后1小时29秒,担任地面通信主任的Jack Lousma在飞行总监Glynn Lunney的指示下说:“我们需要考虑登月舱用来当救生艇了。” 宇航员Swigert回答说,“这也是我们一直在考虑的问题。

登月舱成为唯一能够安全返回地球的足够电力和氧气来源,阿波罗13号登月任务被迫终止。在58小时40分登月舱被启动,惯性制导参考从CSM舱转移到登月舱制导系统,CSM舱被关闭。

(四)在脆弱的“生命之舟”过五关斩六将

救援行动分为两条主线,一是回家,操作登月舱在距离茫茫宇宙准确变轨,将宇航员带回地球;二是生存!管理重要的生存资源氧气、水、电和用于清除空气中二氧化碳的氢氧化锂。

1、第一关:拿什么变轨回家

回家必须要进入地球-月球自由返回轨道并进行必要的中途修正,正常情况下是由服务舱完成。但是,启动服务舱主发动机需要电,没电不行。并且鉴于爆炸之后服务舱不确定的状况,经过决策,使用登月舱下降级发动机替代

在爆炸后5小时,登月舱下降级发动机进行了第一次工作,历时34.23秒,在61小时29分43秒将原本月球进场轨道,转移到地月自由返回轨道。这里也解释一下,地月自由返回轨道(free-return trajectory),这种特殊设计的轨道巧妙利用地球和月球引力,让探测器飞抵月球附近后借助月球引力,完成转弯并返回地球,走一个8字,不需要使用推进力,仅需中途小幅修正,这个轨道是NASA的Arthur Schwaniger在1963年研究的结论。

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图15.利用登月舱下降级发动机三次调整加速,走省力的8字形自由返回轨道回家

其实将登月舱作为应急救生艇的理论在1962年选择月球轨道交会模式就被讨论过,后续在阿波罗10号训练期间进行了深入的可行性分析,虽然NASA认为服务舱出事故的可能性非常小,但NASA的工程师和飞行控制员仍然为这种可能制定了改进和一系列应急程序,未雨绸缪,比如在阿波罗12号后续的发射,三级二次点火将飞船射入高偏心椭圆轨道,该轨道具有自由返回轨道特性,以防服务舱推进系统出现异常。因此在此次阿波罗13号的抢险中,这些应急程序被找出并迅速用于指导抢险。

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图16.阿波罗12号后的发射,三级二次点火打高偏心椭圆轨道,具有自由返回轨道特性

飞行控制人员同时着手宇航员回地球的回收舱打捞工作。调整飞船的速度可以控制在地球上的落点,经过计算,按现有速度阿波罗13号回到地球会溅落在印度洋,任务时长152小时;而全速前进,最快是溅落在大西洋的133小时,但由于负责回收的队伍部署在太平洋地区,因此阿波罗飞船选择小幅加速,提前10小时达到地球,于发射后142小时40分溅落于太平洋。

于是三名宇航员在接近月球时,收到了休斯顿的指令:在绕过近月点(pericynthion)之后两小时,简称PC+2,使用登月舱下降级发动机进行时长5分钟的点火,加快回家的速度。

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图17.前队变后队,后队变前队,登月舱临危受命,勇挑重担,力挽狂澜

在渡过难熬的24分35秒绕月球背面的失联后,79小时27分飞船使用登月舱下降推进系统进行263.82秒点火,返回地球的速度增加了262.3米/秒。

由于加速过程中出现导航偏差,在105小时18分第三次使用登月舱下降级发动机进行了14秒的修正点火,纠正了2.377米/秒的速度偏差。原本用于月球降落的下降级发动机出色的进行了3次点火,工作时长累计达到312秒。

 

2、第二关:解决电的问题

3名宇航员拥有的是一个死机的服务舱,一个电池已经大量耗尽的指令舱,而没有电的指令舱无法进行重入大气层的操作。

任务控制中心想出了一个办法,利用登月舱的电池对指令舱的电池充电(好比拿个充电宝给手机充电),即便这样的充电法“只有20%到25%的效率”,但这已足够。但满足45小时任务时长的登月舱,电池仅有有2181安时,因此绝非必要的电器统统被关闭,能耗降低到正常水平的五分之一,剩下登月舱电源为指令舱电池充电。这些控制是非常有效的,在和登月舱分离时,服务舱仅剩下20%的电力。

不过由于关闭电气系统,宇航员失去了热源,浮光掠影的太阳并没有什么用,温度下降到3.3摄氏度,宇航员和冰冻游泳池的青蛙一样冷,特别是Jack Swigert,脚湿却没有月球套鞋。

3、第三关:解决水的问题

水是真正的问题,大概仅剩下28.2磅的水,这些水要给人喝,还要和乙二醇混合后通过空间蒸发放热的方式,给电子设备冷却。但如果登月舱断电以节省电力,就会产生更少的热量并节省冷却用水,情况就会大大改善。

一个来自阿波罗11号的数据点,关闭导航系统,登月舱电子设备可以在没有水冷却的情况下在太空中坚持工作七到八个小时。但航天员依旧严格的控制水的消耗,每天的食物减少到六盎司,仅为正常摄入量的五分之一,宇航员变得非常脱水,最多一名减重31.5磅。

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图18.留一名宇航员站岗,其他宇航员休息减少消耗。图为宇航员Haise打了个盹

4、第四关:解决二氧化碳浓度高的问题

登月舱的设计任务时长是满足2个宇航员45小时的消耗,而现在不得不满足3个人90小时的消耗。计算下来,氧气充足,但登月舱用于去除空气中二氧化碳的氢氧化锂过滤罐(LiOH,LiOH + CO2 = Li2CO3 + H2O)明显不足,必须要用到指令舱的氢氧化锂过滤罐。

但问题出来了!登月舱、CSM舱的承包商分属于格鲁曼公司、北美航空(1967年合并为北美洛克威尔)两个,规格完全不同!登月舱是圆形氢氧化锂过滤罐,不适配指令舱方形氢氧化锂过滤罐,拿方的过滤罐塞到登月舱圆形安装开口,塞不进去!

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图19.圆形和方形,两个供应商分别提供的氢氧化锂过滤罐

在登月舱呆了一天半之后,二氧化碳浓度告警显示已经达到危险水平,如果休斯顿地面团队再没有想出解决办法,宇航员真的会死于二氧化碳中毒。

连续两天,地面团队日以继夜,使用飞船上的一切可用材料,比如袜子、塑料袋、飞行手册的封面、布基胶带来解决这个问题。最终的方案是用纸板做成方盒,盖在方型氢氧化锂罐背面,留拱形通气,再套上塑料袋密封;开一个口接宇航服呼气软管用来抽取空气,宇航服呼气软管另一端用胶带纸连接在登月舱过滤罐的圆形入口,用风扇抽取并循环净化。

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图20.地面团队日以继夜终于想出了解救办法

宇航员在太空如法炮制,二氧化碳水平立即开始落入安全范围。任务控制创造了另一个奇迹。

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图21.任务控制中心需要想到一种方法,把方的罐“塞”到圆的槽。

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图22. 后续的阿波罗任务操作手册说明和描述了应急搭建二氧化碳过滤系统的教材

 

5、第五关:解决导航的问题

没有航向修正,返回的航天器将完全错过地球或撞向地球。在阿波罗进行长达5分钟的PC + 2点火前,必须确保导航准确性。通常,通过六分仪(称为对准光学望远镜,六分仪,AOT)找到合适的导航星,并在计算机的帮助下校准导航平台是很简单的。但爆炸后的服务舱,一大堆破裂碎片在阳光的反射下发光,让人无法看到真正的星星。

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图23.服务舱爆炸之后的残骸反光,影响了宇航员用星光进行惯性平台的校准

如何解决导航的问题?休斯顿任务控制中心的天才想出了使用太阳来替代星星的想法,没有哪块碎片的反光会让你看不清楚那个最明亮的恒星!虽然太阳的大直径可能带来误差,但没有更好的选择了。

宇航员Jim Lovell把太空船转向休斯顿所要求的方向,如果对准了,太阳将处在六分仪中心!向太阳对齐方法被证明误差不到半度,宇航员在此情况下,准确进行了时长达到5分钟的PC + 2点火,顺利踏上了快速回家的路程。

在137小时40分13秒,还有约6小时就要重入大气层,宇航员使用登月舱的姿态控制发动机RCS进行了最后一次中途修正,燃烧时长21.5秒,最终指令舱在和登月舱、服务舱分离以后以11.88公里/秒的速度重入,4月17日准确溅落在距目标点约1.0英里,也就是距离硫磺岛号航空母舰3.5英里外的太平洋海面。

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图24.指令舱溅落太平洋,3名宇航员平安回家!

电影《阿波罗13号》对这个情景进行了艺术加工,把对准的太阳替换为地球,宇航员透过舷窗对准地球点火发动!隐喻回家的信念。

上篇提到了燃料电池、氧罐等一堆莫名其妙的设备,事故究竟是怎么回事?下篇,将带你了解事故背后,殚精竭虑的登月项目电源设计以及一个阴差阳错装上飞船的超临界氧贮罐。

(未完待续)


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