【原创文章】比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(下)

比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实(下)

作者说

上期讲到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,不过马上引来了转机。

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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(下)
插播一个当年天空实验室升空的直播录像,看看那时候的发射直播是什么样子的

事情又有了转机,因为赶时间喷涂保护涂层的方案遇到了麻烦!5月23日晚工作人员开始尝试喷涂SEVA帆,由于油漆中的杂质需要漫长的过滤过程,并且烘干工序要比预期的长。到24日上午,尚不确定SEVA帆是否会在发射前及时干燥。在肯尼迪航天中心的最终审查中,两害相权取其轻、先解决有无问题并分步实施的思路被认可,大多数材料专家预估尼龙至少可坚持28天,不带保护涂层的7.3  x 6.7米遮阳伞被重新确认为首选方案;为防止遮阳伞出现恶化迹象,将派第二批宇航员部署双杆方案。

缝纫女工加班加点生产,遮阳伞在5月24日差不多最后一刻被放入了阿波罗飞船的指令舱!

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图13.缝纫女工加班加点生产,遮阳伞在5月24日差不多最后一刻被放入了指令舱

 

(三)为太空应急抢修队准备装备

天空实验室后续能否正常运作,恢复电力供应也是关键!宇航员携带便携式太阳能帆板上天的方案可以考虑,但时间上来不及。而遥测信号表明,有一侧太阳能帆板的电池阵列还能产生微弱的功率,虽然仅有25瓦但推测微陨石防护罩的残留物束缚了这个太阳能帆板的展开,还可以抢救一下。

马歇尔航天中心辅助设备科负责开发工具以清除碎屑,工程师在亨茨维尔五金店采购了高空修枝拉线剪琢磨灵感,然后联系了密苏里州负责给电力公司提供工具的专业制造商A.B. Chance Company设计并制造了拉线电缆剪,经过修改可安装在数米长的延长杆上。5月22日这些工具进行了全真模拟测试,在中性浮力模拟器水箱中的天空实验室模型上缠绕了电线、扭曲的螺栓和微陨石防护罩的碎片,Skylab 2任务的三名宇航员轮流在水池里操控工具并展开太阳能帆板。方案审查小组评估认为方案可行,但尖头的电缆剪有危险需要修改,当时这些工具已经快递到肯尼迪航天中心,制造商定制了钝头电缆剪并火速赶往发射场进行了更换。

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图14.拯救天空实验室的功勋拉线钝头电缆剪

 

五、紧张惊险刺激的太空抢修

指令长康拉德(Pete Conrad)和保罗·魏茨(Paul Weitz)、约瑟夫·凯文(Joseph Kerwin)三人组成的Skylab 2机组带着遮阳伞和最后一刻赶制出来的备用SEVA帆,于1973年5月25日从肯尼迪航天中心的LC-39B发射台成功发射升空,六个小时后顺利抵达天空实验室,绕飞检查发现与预期非常接近。“一个太阳能帆板被完全扯掉。”康拉德报告说:“另一个太阳能帆板已部分展开,但被一个凸起的微陨石防护罩碎片从下方缠绕包裹……灼热的阳光使工作站外部的金箔变黑。不过令人欣喜的是,科学气闸(也就是下图白框处的小方口)周边几乎没有碎片,遮阳伞可以顺利撑开!” 

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图15. 令人欣喜的是,左边白框处的科学气闸周边几乎没有碎片

康拉德乐观地认为机组人员可以在站立式太空行走中释放太阳能帆板!康拉德负责操控飞船,魏茨负责展开太阳能帆板,凯文则负责固定住他的腿。缠绕住太阳能帆板横梁上的金属碎片条仅有一厘米宽,但微陨石防护罩被撕裂时,巨大的外力把金属条上的螺钉扎到太阳能帆板横梁铝蒙皮上。魏茨组装了4.5米杆长的电缆剪尝试剪断这个金属碎片,但他明显感到通过几米长的绳子拉剪相当无力,不得已只能用力拉拽,力的作用是相互的,指令舱开始危险的靠近天空实验室,负责操控的康拉德必须使用姿态控制发动机与之保持安全距离,这种拖拉天空实验室的行为激活了天空实验室的姿态自动调节机制,她启动了姿控发动机以恢复姿态,一场别开生面的太空拔河比赛开始!然而金属条实在太顽固,40分钟的站立式太空行走中魏茨竭尽全力拉拽也无济于事,抱住他腿的凯文也是累得不行。沮丧的宇航员只能和天空实验室先进行对接,在连续7次失败之后,终于和天空实验室对接在一起,结束了他们长达22小时的连续工作。

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图16. 注意上图黑色的金属条, 巨大的外力把金属条上的螺钉扎到太阳能帆板横梁铝蒙皮上

尽管遇到了第一天的麻烦,但NASA对展开遮阳伞保持乐观。宇航员于26日中午进入工作站,在那里遇到了54摄氏度热浪的“热烈欢迎”,魏茨报告说“像沙漠一样又干又热”。万幸的是经过检测并没有有毒气体,随后宇航员便迅速开展遮阳伞的部署。宇航员花了2个小时组装,遮阳伞筒被推入科学气闸,延长杆展开把遮阳伞顶出舱外9.9米,折叠后的伞骨成功展开伞面,再把延长杆拉回让伞面紧贴工作站(8英寸)。虽然伞面的褶皱导致仅覆盖了其预定区域的三分之二,但效果“立竿见影”,舱内温度开始迅速下降,三天后稳定在26°C附近,大约比预期高了约5°C,可以忍受!望远镜上的4块太阳能帆板终于能够对准太阳发电,太阳观测和地球资源勘测等活动正常展开,天空实验室终于开始全面运营!金兹勒也因为发明遮阳伞的获得NASA颁发的杰出服务勋章。

由于缺电制约了后续各项科研活动,宇航员接下来将注意力转移到了展开太阳能帆板。自Skylab-2发射次日起,地面团队就一直在琢磨太阳能帆板,通过模糊的电视图像结合宇航员的描述,到29日地面团队已对卡住的帆板有了全面的了解,既然金属条碎片这么坚固,行,那就委屈这个碎片,钳住它用作扶手杆的支撑点!接下来的四天地面团队制定了一个有难度但可行的方案:宇航员出舱行走移动到望远镜支架,将八米延长杆的电缆剪钳住金属条碎片作为固定点,另一名宇航员扶着这个杆子移动至太阳能帆板侧,首先用一根两头带钩的尼龙绳连接太阳能帆板横梁和望远镜支架,然后清除金属条碎片,如果太阳能帆板横梁铰链处的液力阻尼器卡死,两名宇航员拉动尼龙绳使其就范。6月2日,地面的替补宇航员已在中性浮力模拟器成功模拟了该方案。

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图17. 地面团队制定了一个有难度但可行的方案

地面团队的抢修方案被批准了, 宇航员在工作站内穿着宇航服进行了演练。6月7日,宇航员康拉德和凯文出舱,康拉德将六根1.5米的杆子拧在一起,9米长的杆头部安装了电缆剪并把SEVA帆上的绳索作为电缆剪拉绳,凯文一手扶着衍架,另一手单手操控杆子瞄准8米外的一厘米宽的金属条准备钳住它。这波操作在地面也不容易,穿着厚重的宇航服在没有支撑点的失重环境困难重重,犹如在太空给针穿线!好几次凯文一只手握着杆把剪刀钳口逼近金属条,但当他抽动另一个手准备拉绳咬紧钳口时,杆子移动钳口跑偏!(这里请读者思考为什么很多地面上轻而易举的动作在失重环境下变的意想不到的艰难)半小时过去了,凯文极度紧张,脉搏达到150条/分钟,仍未完成任务。凯文最后放手一搏,用绳子几乎是把自己绑在天线衍架上作为支撑,然后双手操作,瞄准、钳住金属条连贯作业,十分钟之后终于钳住了金属条!

凯文用力扯了拉绳试图剪断金属条,金属条依旧表示不服。按预定方案,康拉德扶着杆子爬到了太阳能帆板处,精诚所至,金石为开,就在这个时候金属条终于屈服——断了!砰的一下,太阳能帆板羞羞答答的打开了20度!宇航员的努力终于有成效,要不是宇航服脐带拴着,康拉德会被弹起的太阳能帆板扔进太空。

太阳能帆板的铰链由于阻尼器卡死仍无法正常展开,凯文在另一侧系紧绳子,康拉德把尼龙绳一端钩住太阳能帆板横梁上的孔,弯腰捡起绳索套肩膀上,然后起身用力绷直绳子……这一力拔山兮气盖世的“太空举重”终于让太阳能帆板铰链松动并完全打开到90度位置,两位宇航员高兴的被巨大的反作用力抛向太空……

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图18. 艺术家Paul Fjeld描绘的宇航员康拉德的“太空举重”

成功了!天空实验室内部的电表的指针急剧跳动,完全展开的太阳能帆板产生了7千瓦的电能,天空实验室满血复活!!!康拉德和凯文在执行任务3小时25分钟后返回舱内,这是当时最长的太空行走。这次成功的修复使的NASA可以从容自信地执行天空实验室计划的其余部分,就获得的研究结果的数量和质量而言,它们远远超出了之前的预期。

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图19. 离开时Skylab 2宇航员拍到了自己的杰作:撑起的遮阳伞和释放的太阳能帆板

三名宇航员后续开展一系列科学实验,到6月18日Skylab -2机组在太空停留的时间已经打破了1971年苏联礼炮号空间站24天的记录。1973年6月22日3名宇航员重返地球,NASA局长詹姆斯·弗莱彻(James Fletcher)对机组人员和整个航天应急团队给予了高度评价。

 

《When We Left Earth: The NASA Missions》(中译《当我们离开地球:NASA任务50年》)中有关天空实验室的片段,含有不少维修过程的珍贵片段,可以对比阅读

 

六、彻底修复

遮阳伞的尼龙织物被紫外线劣化的隐患犹如达摩克里斯之剑悬在天空实验室头上,1973年7月28日阿伦·比恩(Alan L. Bean)的欧文·加里奥特(Owen K. Garriott)和杰克·洛斯玛(Jack R. Lousma)从肯尼迪航天中心发射升空,架设新的双杆遮阳帘彻底修复故障,有了上次的经验,这次带了固定脚的专用设备,便于宇航员在太空抢修使力。

之前医疗团队的担心一语成谶,三名宇航员在进入空间站后都出现了太空晕船症状,原定于7月31日计划的太空行走推迟到8月6日。加里奥特组装了两根杆,每个杆由11个5英尺长的互锁杆组成,完成后将它们递给洛斯玛,洛斯玛挑着遮阳帘的各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,最后宇航员把遮阳帘的拉绳固定到望远镜的侧边支架,绷直展开了7.3  x 6.7米的遮阳帘,遮阳帘完全覆盖了工作站,内部温度几乎立即下降到舒适的范围内。

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图20. 艺术家描绘的第二次修复场景,准确描绘了两层遮阳材料

宇航员兴奋之余又更换了阿波罗望远镜的胶卷盒,长达6小时的31分钟的太空行走创下了当时的记录。

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图21. 太空实拍彻底治好高烧的天空实验室

那么在整个太空维修过程中,NASA深深感受到缺少喷气背包带来的太空行走局限性,作为技术演示,洛斯玛在工作站宽敞的空间内测试了宇航员机动装置(AMU,Astronaut Maneuvering Unit),这种喷气背包可使宇航员在航天器外实现自由的、不需要系绳的太空行走。这是后续航天飞机卫星维修任务中使用的喷气背包的前身,1984年2月在航天飞机STS 4IB任务中惊艳登场。

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图22.洛斯玛在工作站宽敞的空间内测试了宇航员机动装置

七、追根溯源找原因

微陨石防护罩为什么会不翼而飞?NASA局长詹姆斯·弗莱彻成立了一个调查委员会,以确定微陨石防护罩失效的原因,最终的报告认为,微陨石防护罩按设计必须紧贴工作站壁,但发射时这个间隙超出设计规格半厘米,防护罩暴露在湍急的超音速气流中,导致在62.74秒时防护罩被撕开!撕开的防护罩的碎片不仅缠住了一个太阳能帆板,同时破坏了另一个太阳能帆板的铰链,发射后593秒二级分离时反推火箭的燃气羽流彻底破坏了这个太阳能帆板铰链导致丢失。

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图23.超音速气流会毫不费力的剥下微陨石防护罩

为什么NASA和麦道公司在六年的开发和测试中未能发现缺陷?调查委员会董事会认为作为首次进行空间站设计,总体上的规划设计出了疏漏,由于微陨石防护罩作为土星火箭的一个分系统,并没有专职项目责任人对其所有的设计细节负全责,导致在微陨石防护罩的设计、测试偏重在轨展开和应用,研发人员没有花费足够的时间与空气动力学专家讨论防护罩的发射环境对其潜在影响,忽视了在发射阶段中空气动力学的影响。报告最后希望让经验丰富的总工程师从行政和管理职责中解脱出来,参与如天空实验室工作站或气闸舱等重大项目,在对一些跨专业的设计进行有效的指导。

然而没有然后了……NASA计划在1974年底由土星5号火箭(原计划执行阿波罗19号)发射第二个天空实验室,进行人工重力实验等研究,但航天飞机的项目让NASA的预算捉襟见肘,硬件已经基本完成第二个天空实验室并没有上天。

 

八、5年空巢等来曲终人散

变成独子的天空实验室在1973年11月16日迎来了第三批Skylab-4机组,他们创下84天的在轨记录。但这也是到访天空实验室最后一批机组成员,在1974年2月8日离开太空站之前,Skylab-4机组将其提升到433 ×455公里的更高轨道,希望天空实验室能坚持到航天飞机时代,航天飞机可以捎上助推模块提升轨道高度。

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图24. 航天飞机可以为天空实验室捎上助推模块提升轨道高度

NASA经费的紧张让预期寿命长达9年的天空实验室空巢等待,强烈的太阳活动加热了地球大气层,大气层膨胀导致空间站的轨道衰减速度比预期的要快,1978年末NASA的工程师发现其轨道高度迅速降低,等不到航天飞机协助提升轨道,天空实验室最终只有再入大气层这条绝路。1978年1月一颗苏联核动力卫星在加拿大北部坠落,残骸中的放射性核燃料污染了一大片区域,这在民众心理留下阴影,全球各地的民众担心77吨重的天空实验室会不会产生变成从天而降的太空炸弹?

在1979年7月11日,NASA向天空实验室发送了最后一条命令,关闭了控制力矩陀螺仪,失去三轴稳定的天空实验室缓慢旋转增加了大气阻力,踏上了最后一程。她安全地飞过北美大陆上空人口稠密地区后重返地球,燃烧自己划破长空,留下最后的身影!仅有少数碎片掉落在澳大利亚西南部人口稀少的地区。至此,她结束了在太空2246天、绕行34981圈的历程,香消玉殒。

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图25. 仅有少数碎片掉落在西澳大利亚南部人口稀少的地区

天空实验室身世坎坷,然而在抢险过程中爆发的应急救援能力以及决策过程值得细细品味。航天很难,出意外也很正常,但需要一种自信和淡定面对这种挑战,需要有一种自我纠偏的能力有效防范。期待今年的长5发射,无论结局如何,这都是我们在向航天大国征程中迈出的一步!

 

——全文完——

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