【原创文章】比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(上)

比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(上)

作者说

天空实验室在人类航天史上昙花一现,论运行时间和到访的宇航员数量都不能和苏联的和平号太空站相媲美,更不要提当今的国际空间站。但天空实验室作为美国首个空间站,其好莱坞灾难大片式的登台亮相引发了一场精彩绝伦的太空抢修,航天专家、工程师、宇航员凭着他们的聪明才智和顽强毅力挽救了这项耗资25亿美元的计划。

本文作者:超超级Loveovergold,作者授权发表

比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(上)

在眼巴巴的看着美国登月成功之后,1971年4月19日苏联发射了世界上第一个空间站“礼炮1号”。冷战对手的举世瞩目又一次让NASA奋起直追,计划发射一个更大,更好的太空站超越苏联。

一、“争气”空间站

其实美国在太空计划发展初期就开始研究空间站的概念,包括冯·布劳恩构思的巨大的、甜甜圈式的空间站等,土星火箭在1960年代中期成熟时,务实的天空实验室(Skylab)项目应运而生,通过利已有阿波罗登月项目的装备来实现宇航员在地球轨道上的长时间停留,证明人类可以在太空中长期生活和工作,并使我们对太阳的了解远超出基于地球的观测范围。由于阿波罗18到20任务的取消,NASA多出三枚土星5号火箭,于是天空实验室拿到了准生证。天空实验室由四部分组成:

比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(上)

图1. 非常精美的天空实验室结构示意图,不忍粗暴汉化

有关天空实验室的纪录短片,你可以先看一遍,有个认识,也可以读完这期推送再回来看,肯定认识更深

(一)轨道工作站(Orbital Workshop ,OWS)工作站是由土星5号运载火箭的第三级改装而来,直径为6.7 米,长度为14.6米,是宇航员主要的工作和生活舱室,包含厨房、洗浴设施、厕所、运动器材和许多科学实验设备。两个9米宽的大型太阳能帆板为该站提供了12.4千瓦的电力,发射的时候太阳能帆板像鸟的翅膀一样收拢,到太空之后像手风琴一样展开。需要打一个伏笔的是,轨道工作站的桶体周边有一圈微陨石防护罩(MICRO METEOROID SHIELD),一是防止陨石及空间碎片造成的损害,另外也是一层隔热外衣,发射到太空之后,16个扭力杆顶开这圈防护罩从而略微展开,让防护罩的内部和工作站壁之间形成一个真空夹层,两边覆盖的金箔反射层形成和热水瓶类似的绝热层隔热,保持室温为15.6~20℃,给宇航员提供舒适的环境。

(二)气闸舱(Airlock Module,AM):宇航员穿上宇航服通过气闸舱隔离过渡,出舱实施太空行走。

(三)多重对接适配舱(Multiple Docking Adapter,MDA):包括阿波罗飞船的主用和备用对接端口。

(四)阿波罗望远镜(Apollo Telescope Mount,ATM):阿波罗望远镜包含用于观测太阳的望远镜,可以拍摄太阳的紫外光线和X射线等,望远镜配置了用于获取额外电能的四个可展开太阳能帆板阵列。

阿波罗登月计划的遗产——阿波罗飞船(上图左下角),包括指令舱/服务舱负责运送宇航员往返于空间站和地面。

天空实验室是当时太空中史无前例的研究实验室,她包含各学科研究的科学设备,进行生物医学和生命科学、地球观测、太阳天文学和材料加工等,计划了270个实验,可以说美国是憋了口气搞空间站。

另外天空实验室也是第一个使用控制力矩陀螺(CMG)的大型航天器(常玩坎巴拉的读者应该不陌生这东西,主页君注),高速旋转的陀螺由于转子的角动量,有抗拒方向改变的趋向,脾气“倔强”,控制力矩陀螺通过调整高速旋转转子的旋转轴的方向,对外输出控制力矩,调整航天器的姿态,可以提供“洪荒之力”,配合传统姿态控制发动机能保持空间站的三轴稳定,确保观测设备的精确指向性。每个控制力矩陀螺直径为21英寸,转子重70.3千克,每分钟旋转约8950转,这些鼻祖级的设计和创新也为后续空间站设计打下了基础。

比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(上)

图2. 三个方向各配一个控制力矩陀螺

 

二、土星5号完美谢幕之后坏消息接踵而至

由于有力大无穷的土星5号火箭,77吨重的天空实验室只需要一次发射,无需多次发射后实施复杂的太空组装。1973年5月14日升空十分钟后,天空实验室进入了预定的436公里低地球轨道,这也是太空征程中土星五号最后一次飞行任务,完美谢幕。负责运送Skylab2机组宇航员的土星IB火箭则计划在次日发射升空。

比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(上)

图3. 难得一见的两枚土星火箭待命发射

接下来的半小时内一系列指令将使天空实验室迅速进入工作状态!首先舱内冰箱在打开散热器后开始工作,冷藏很多宇航员的食品补给;接下来4片载荷导流罩顺利脱离,天空实验室主管不禁回想起双子座9A号“愤怒的鳄鱼”的故障,松了一口气(这个另外开篇再讲);然后阿波罗望远镜支架顺利翻转90度露出对接口,此举为阿波罗飞船后续的对接扫清了道路。数分钟之内,望远镜上的四个太阳能帆板像荷兰风车一样打开,同时天空实验室姿态调整,望远镜指向了太阳。

比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(上)

图4. 阿波罗望远镜的翻转设计挖掘了整流罩最大的空间利用效能

到目前为止,只有一个奇怪的迹象,来自休斯敦的报告称微陨石防护罩过早展开,大家普遍是遥测信号出错。在望远镜支架顺利翻转后,大家开始悠闲的等待天空实验室的太阳能电池板在发射之后41分钟展开。升空约半小时后,休斯顿的飞行主任报告说除了微陨石防护罩监测信号不正常,工作站太阳能电池板发出的遥测信号也不稳定。

奇怪了,一开始以为天空实验室已超出马德里测控站的范围,短时间不稳定无需大惊小怪,然而当收到澳大利亚卡纳冯(Carnarvon)测控站的消息时,大家顿感紧张,因为信息令人十分困惑:一个遥测信号表明太阳能帆板已经部分展开,而温度信号则表明两个太阳能帆板都不见了,但是太阳能帆板没有产生预期电压让这事情不妙!

来自加州金石站和马德里站的信息证实了最糟糕的预期,太阳能电池板遇到麻烦了,天空实验室损失近一半的电力,只能依靠望远镜上的太阳能帆板提供5千瓦的可用功率救急,如果对接后加上阿波罗服务舱的燃料电池20天内额外提供1.2千瓦的发电量,情况还不是太坏,也不太有人担心微陨石防护罩的损失,毕竟陨石体撞击属于小概率事件。

与此同时土星5号火箭的工程师在分析飞行数据中发现升空后约一分钟,在火箭达到最大动压之前的横向加速度异常,数据暗示发生了一些结构故障。大家忧心忡忡之时,天空实验室的工作站温度开始升高,在几个小时内许多外部传感器的读数超过了82°C,这是最大读数刻度,内部温度则升至38°C以上。有证据表明微陨石防护罩已经不见了,其第二功能即热控功能的损失逐渐显现……

如果失去微陨石防护罩,工作站壁直面炙热的阳光,使其内部无法居住。根据热力学模型,工程师预测工作站外部的温度将高达165°C,内部的温度将高达77°C,这都快把吃的烤熟了,哪怕罐头食品或者脱水食品;医疗用品的初步预测也很悲观,62种药物中估计有一半可能被毁,用于地球资源相机的胶卷上的感光乳液会在低湿度下变干;工程师还担心天空实验室铝制壳体内部绝热用的聚氨酯泡沫,它在150°C时会散发出一氧化碳、氰化氢和甲苯二异氰酸酯,最后一个是最危险的,在低浓度也会致命,尽管生产商麦道公司的测试表明工作站内有毒气体的浓度不至于造成危险,但工作站还是放了四遍气,如果航天员首次进入,将戴上呼吸面具并对空气进行采样以确保安全。鉴于该情况,第一个决策很快出来了,原计划次日运送第一批宇航员的土星IB发射被推迟5天。

天空实验室团队不断收到坏消息,工程师恨不得把天空实验室带回地面进行维修。当然这是不可能的,仅有一条路——在太空尝试维修!

 

三、紧急动员,对“烤箱”见招拆招

马歇尔航天中心(MSFC)和约翰逊航天中心(JSC)的专家、工程师和宇航员开始24小时排班工作以应对各种紧急情况,两个太空航天中心的工程师和宇航员开始绞尽脑汁研究遮阳方案冷却空间站,以及宇航员对太阳能帆板的抢修方案,他们的工作时间延长到每天16-18小时,马歇尔航天中心在亨茨维尔的工作人员总数从400人猛增到600人。

 

(一)“高烧”和“低体温症”带来的影响不可小觑

为了最大程度地利用阿波罗望远镜的太阳能电池阵列发电,最好的姿势是对准太阳直射,但这会让工作站“发高烧”;相反让太阳光以小于90°的角度照射空间站,其热负荷会降低,但这个努力也会让发电量急剧下降。电力状况虽然令人不安,还不是最大的问题,当务之急是令工作站的温度快速降低!

约翰逊航天中心在休斯顿的任务控制专家拿出了一个折衷方案,通过调整空间站的姿态,让太阳光以45°左右斜射,在优化用电量的同时最大程度地减少太阳光线对空间站的直射,工程师于是关闭了加热器和不必要的无线电发射器,功率需求降低至3千瓦,这一努力让工作站的温度下降到54°C。

比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(上)

图5. 天空实验室侧身躲避阳光直射(示意图),注意气闸室缺少光照

热控在航天界似乎属于非主流,边缘专业,不过对于载人航天来说至关重要。发射后出现的高温可能会破坏所有非冷冻食品,项目管理员甚至考虑过空间站进行补给,万幸的是温度降至54°C后,测试表明在该温度下,罐头食品可质保至少两周,脱水食品会稍长。5月22日休斯敦的专家得出结论,认为空间站上的食物还能吃,取消了补给计划。

设备在高温下也受不了,一共有九个速率陀螺仪用作姿态控制的基本传感器,每个轴三台,连续在高温下工作的陀螺仪过热,产生错误的参数让控制力矩陀螺产生过载。无法信任高烧的陀螺仪,工程师想出了一个变通的办法,通过读取工作站两侧的温度来估算侧倾姿态,通过太阳能机翼的电力输出确定俯仰角并进行姿态调整。

具有讽刺意味的是,虽然工作站很多方面都受到“高烧”的影响,但气闸舱却得了“低体温症”!由于躲在阴影下缺少光照同时被关了加热器,18日气闸舱降至4°C以下,这影响到了空间站上金贵的宇航服的可靠性!为保证宇航员在太空行走有凉爽体感,其温度控制是通过宇航员贴身内胆的水冷软管降温,这些冷却水通过宇航服脐带和气闸室热交换器换热。如果气闸室低于零度,水结冰膨胀则可能引发脐带系统中的管线结冰、主冷却剂回路连接处的热交换器破裂,后果不堪设想。工程师挤出电力用加热器加热气闸舱,但气闸的温度持续下降,在21日接近冰冻。不得已通过姿态调整使气闸舱暴露在更多的阳光下,该机动使气闸舱变暖但也使工作站温度飙升……反反复复,控制人员精疲力竭。

地面控制员在发射后第二周对空间站进行了一系列姿态调整,试图平衡温度和发电功率,保持在尽可能合理范围内防止对空间站更大的破坏。但这些计划外频繁调整空间站姿态的轨道机动消耗了大量的姿态控制冷气,头三天压缩氮气以惊人的速度消耗,到5月17日已经消耗量23%,为预期两倍。24日由于电力需求过大,阿波罗望远镜舱中的18个电池中有8个因为得不到及时的充电出现暂时退服。当务之急是在工作站恶化到无法恢复之前派宇航员检修和降温,否则这个天空实验室只有报废一条死路。

 

(二)十天内反复论证拿出“遮阳伞”

马歇尔航天中心和约翰逊航天中心的专家集思广益开始研究隔热方案,事故发生后的一周内收到了数十个创意,从喷反光漆、贴墙纸到放置硕大的遮光气球、百叶窗式遮阳窗帘等。一方面,并不是所有暴露的表面都需要保护,只要能够对工作站有效遮阳即可。其次,由于空间中没有风,因此遮阳材料不需要严格固定,材质也可以轻便,但其尺寸必须足够小以便于阿波罗指令舱带上天并能从狭小的舱门取出。从最初的讨论中,出现了三个有前途的解决方案:

1、简配方案:将遮阳伞直接穿过工作站科学气闸布放。天空实验室的工作站提供了两个科学气闸,一个朝着太阳即太阳气闸,另一个朝相反的方向即背太阳气闸,每个科学气闸约20厘米见方,可以将一些科学仪器直接置入太空环境开展科学研究,无需出舱行动。科学气闸提供了最简单的操作,问题在于如何找到一种设计可以让这把遮阳伞穿过20平方厘米的开口,然后扩展到覆盖几十平方米的面积?

比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(上)

图6. 撑起太空遮阳伞的简便方案

约翰逊航天中心的技术服务部因在短期内能提供应急设备享有盛誉,设计师杰克·金兹勒(Jack Kinzler)在天空实验室事故的次日就开始设计解决方案,在评估指令舱的运载遮阳伞的尺寸和重量之后,他倾向于使用科学气闸。5月16日金兹勒的灵感逐渐成形,4根可伸缩的钓鱼竿作为伞骨,用系绳启动,当钓鱼杆伸展并锁定在水平位置即形成光滑的遮阳伞。随后将弹簧、伞骨、遮阳伞紧凑的装在约等于气闸罐大小的容器中的演示迅速得到了支持,17日NASA的飞行主任克里斯·卡夫(Chris Kraft,也就是发现吉恩·克兰兹的伯乐)将大部分资源集中在了遮阳伞上,由于气闸偏离遮挡区域中心, 金兹勒将伞骨四臂长度增加到6.5米。

比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(上)

图7. 金兹勒设计了可穿过20平方厘米的开口的遮阳伞方案,右为科学气闸

 

2、高配方案:马歇尔航天中心的亨茨维尔团队担心简配方案中的气闸可能会被破损线缆缠绕堵塞,提出了“双杆方案”。双子星座9A的喷气背包实验失败后,阿波罗时代的宇航员服就再未考虑空间机动能力,执行太空行走任务宇航员只能靠抓、靠扶,天空实验室的宇航服是从阿波罗计划中简化而来,通过脐带在太空行走期间提供生命支持,在太空行走方面依旧缺乏主动控制能力。由于天空实验室工作站舱外并未安装扶手,因此该方案利用望远镜支架作为支撑点,步步为营,宇航员出舱后拼装两根长杆“挑”着遮阳帘的一个角靠在工作站尾部,然后把两根杆子固定在望远镜底座支架(下图红色标注),最后宇航员把遮阳帘的缩帆线(下图蓝色标注)固定到望远镜的侧边支架从而展开遮阳帘,简称双杆方案。这种方案涉及到舱外作业活动,需要事先进行反复的模拟训练,时间安排上很紧张。

比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(上)

图8. 双杆方案的具体实施图

3、折中方案:约翰逊航天中心其他专家担心宇航员太空行走的实际能力,倾向于阿波罗飞船实施机动,宇航员站在指令舱舱门上完成抢修任务,也就是站立式舱外作业活动(Stand-up Extravehicular Activity,SEVA)。该作业首先将遮阳帘安装在工作站的尾部一侧,飞船横向机动移动到尾部另一侧,固定遮阳帘的下部的第二个角,然后指令舱再前移固定遮阳帘的上部,达到遮蔽效果。这种遮阳帘被简称为SEVA帆。

 

比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(上)

图9. 从上到下分别为简配方案、高配方案和折中方案

5月19日在内部讨论会上首先排除了SEVA帆方案,该方案操作难度大而且阿波罗飞船姿态控制发动机的羽流可能会污染望远镜及其太阳能帆板。医疗团队的代表认为宇航员在任务初期可能因为失重状态产生晕船的情况,需要时间适应,因此不希望在宇航员在这次紧迫的抢修任务中着急的实施太空行走,强调使用科学气闸布放遮阳伞是“宇航员最直接也是最简单的操作”。内部讨论会议确定了遮阳伞方案为首选,双杆方案作为备选。由于生产遮阳材料需要时间,Skylab-2机组宇航员的发射被再次推迟了5天。

比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(上)

图10.在休斯敦进行遮阳方案论证

双杆方案小组也在与时间赛跑,V型布置的双杆每根17米长,由11个互锁短杆组成,类似于折叠导盲杖。在中性浮力模拟器中的测试发现了一些问题,主要是杆子在应力作用下可能会无法绷直,工程师迅速修改了锁紧螺母,在孔眼中放入聚四氟乙烯嵌件以减少摩擦,宇航员在水箱中顺利展开两根杆子,并用长杆铺设“遮阳帘”(演练用渔网代替),最后固定索帆线,形成一个7.3  x 6.7米的隔热帘,该方案顺利通过了评审。

比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(上)

图11. 宇航员在中性浮力模拟器以望远镜支架作为支点布置V型双杆

所谓好事多磨,完成了最佳方案选择又遇到另一个难点——遮阳材料的研制!需要耐热、轻巧、紧凑、可展开、无污染而且在较宽温度范围内稳定,凭借阿波罗计划的成熟经验,这似乎是个相对简单的设计,然而事实证明这是一场噩梦!

金兹勒设计的遮阳伞选择了由尼龙织物、聚酯薄膜和铝组成的太空服材料,厚度小于0.1毫米,符合各项要求,但尼龙在紫外线下有明显的劣化趋势,事故发生几天后的测试发现尼龙在真空中经过100小时的测试,会失去一半的拉伸强度,其他的研究显示在这种情况下敷铝薄膜的热屏蔽性能以及强度均下降。

可以通过在尼龙上涂保护涂层来减少劣化,但这会显著增加材料的厚度!对于双杆方案和SEVA帆来说,它们的容器有剩余空间不受影响,但金兹勒的遮阳伞却必须紧紧地装在一个20厘米见方的小容器中,涂层不仅增加遮阳材料的厚度,而且释放时也更困难。

比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(上)

图12.真的一点空间都没有了!

对于这个问题,金兹勒团队的思路非常清晰:如果这个遮阳伞性能下降,那么就等第二批宇航员更换,又不是不能用,现在要赶时间!5月23日,也就是发射前两天,在亨茨维尔进行的设计认证审查会上,天空实验室项目的高级主管同意保留遮阳伞作为首选,前提条件是用上尼龙保护涂层,这几乎是给遮阳伞方案判了死刑!金兹勒团队尝试对遮阳伞采用贴耐紫外线胶带kapton(聚酰亚胺薄膜)的方案也因为厚度太大失败,士气一下子跌落到低点。

 

——未完待续——

我,一个孤独的行者( 新浪微博ID:超超级Loveovergold),原创不易,请打赏支持!

该作者往期或相关文章:

  1. 我国长二丙一级落地,黄烟四起到底怎么回事?——漫谈运载火箭的推进剂

  2. 披荆斩棘,氢氧先驱,千古流芳——追忆J-2发动机(上)

  3. 披荆斩棘,氢氧先驱,千古流芳——追忆J-2发动机(中)

  4. 披荆斩棘,氢氧先驱,千古流芳——追忆J-2发动机(下)

  5. 帝国的余辉—苏联能源号火箭主发动机RD-0120简介

  6. 真正的“黑科技——漫谈阿波罗登月项目的超临界氦贮存增压技术

  7. 陷入中年危机的俄罗斯上面级火箭(下)——论俄罗斯航天近些年的衰落

  8. 陷入中年危机的俄罗斯上面级火箭(中)

  9. 陷入中年危机的俄罗斯上面级火箭(上)

  10. 并不是异想天开,核热动力火箭——无畏的先驱者(下)

  11. 并不是异想天开,核热动力火箭——无畏的先驱者(上)

  12. 从传奇的苏联RD-270到SpaceX新一代猛禽发动机——浅谈全流量分级燃烧循环的前生今世

  13. 高能金牌上面级——美国半人马液氢液氧上面级

  14. 太阳同步轨道,倾角总在98度处

  15. 太阳能电推进——静止轨道通信卫星瘦身治疗方案漫谈

  16. 从科罗纳间谍照相机聊卫星投送界的顺丰快递——上面级

  17. 一次昂贵的自驾出行—地球静止轨道通信卫星独上3.6万公里

  18. NEED FOR SPEED!一切为了速度——齐奥尔科夫斯基开创的多级火箭时代

  19. 深空探测的“狮吼功”和“顺风耳”

  20. 举火寻道六十年——地外着陆反推火箭发动机发展史揭秘

  21. 冰火两重天–液体火箭发动机推力室技术揭秘

  22. 40年寂寞征程飞出太阳系——献给深空探测器旅行者号(上)

  23. 40年寂寞征程飞出太阳系——献给深空探测器旅行者号(中)

  24. 40年寂寞征程飞出太阳系——献给深空探测器旅行者号(下)

  25. 看天线,识卫星——漫谈卫星天线(一)

  26. 看天线,识卫星——漫谈卫星天线(二)

  27. 看天线,识卫星——漫谈卫星天线(三)

  28. 看天线,识卫星——漫谈卫星天线(四)

  29. 看天线,识卫星——漫谈卫星天线(五)(完结篇)


比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(上)


想了解更多的航天科普新闻,请关注我们的公众号“航天爱好者”!

欢迎各位爱好者投稿,各抒己见,畅所欲言!

欢迎访问我们的网站:www.spaceflightfans.cn

最新的航天新闻聚合和发射预报

《【原创文章】比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(上)》上的8个想法

  1. 现在还能免费看到这么干货的科普文章,你们网站是真不想赚钱了啊。ꈍ◡ꈍ

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注