书城科普登月传真
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第39章 “阿波罗”载人登月(1)

“阿波罗”计划

50年代末及60年代初,前苏联连续获得三个“第一”:第一颗人造卫星上天,第一个月球探测器硬着陆月面,第一位宇航员加加林遨游太空一圈返回地球。尽管美国也获得两个“第一”(1960年4月第一颗气象卫星“泰罗斯”入轨,1962年7月第一颗有源通信卫星作试验性通信),但与前苏联对比之下,显然在刚起步的空间技术上落后于前苏联。因此,美国上下深深感到这是一个严重的政治问题。1961年4月22日加加林上天之后,美国就提出了赶超前苏联的口号,下定决心要显示一下美国的科学技术水平和国力。肯尼迪总统和约翰副总统召开科学顾问与专家会议,讨论“在俄国空间科学技术走在前面的情况下获得胜利的可能性”,并让与会专家们在1961年4月29日以前回答登月的可能性问题。

专家中只有布劳恩按时撰写了一份“载人绕月飞行与登月”的报告。1961年5月5日,宇航员艾伦·谢泼德乘“水星”号宇宙飞船成功进行了亚轨道飞行,证明美国具备摆脱空间困境的能力。1961年5月25日,美国政府完全采纳布劳恩的设想,庄重地向世界宣告:8年后让美国人登上月球!这就是美国,“阿波罗”登月计划的出台经过。美国政府除任命布劳恩为科学顾问外,还把这一重大空间计划交给他负责。在肯尼迪空间飞行中心人口处竖立着一尊肯尼迪总统半身铜像,下面镌刻着:“我相信,国家用10年时间即能达此目的!把人送上月球,并让他安全返回地球。”宇航局于t967年7月19日用加大推力的“德尔他”火箭把一颗“探险者35号”卫星(1四千克)射入月球轨道,近月点804千米,远月点7400千米,倾角147°旨在测量月球空间辐射,证明月球空间几乎完全无磁场、无辐射带或无电层启迹象。

前苏联成功地进行人类第一次宇宙飞行以后仅仅一个月,美国就决意要把人送到月球上去。

1961年5月25日,美国宣布:要在60年代结束以前把人送到月球,并且平安地返回地面。

人类登月旅行的计划第一次被明确提出来是1960年7月29日的事情。在制造商代表云集的会议上,美国宇航局发表了名叫“阿波罗”的新计划,提出了“‘水星’飞船以后,将以人类的登月作为奋斗目标”的新设想。

“阿波罗”是希腊神话中“太阳神”的名字。“太神阳”掌管诗歌、音乐和医学,和月亮女神阿尔特米斯是双胞胎,所以取这个名字作为登月旅行计划的名称。但是究竟用什么办法把人送到月球上去呢?这在当时还没有决定下来。宇航局讨论了三种办法。一是使用超大型火箭,径直飞往月球,直接着陆;二是把宇宙飞船分做两部分,分别发射到环绕地球的卫星轨道上,由宇航员把它们组装起来,奔往月球;三是飞船从环绕月球的轨道上发出渡船,使它在月面上软着陆,这就象大轮船在海洋中由小艇去靠岸跟码头联系一样。1962年7月11日,美国宇航局决定采用第三种办法——“渡船方式”,因为从时间、经费、实现的可能性等方面看,这个方式是最有希望的。

飞行的方式一经决定,相应地,火箭的大小、发射场的规模、宇宙船的形式等也就决定下来了。美国开始向着1969年年底这个带有限期的目标行动。从这时开始,仅仅有六年多的时间了。

作为发射用的火箭,研制了“土星5号”。这种火箭,直径是10米,高度包括“阿波罗”飞船是110米。

第一级火箭用煤油和液态氧作推进剂,火箭的燃料槽大约可以分别容下三台大型卡车,里面装有相当于4000桶容量的煤油(每桶容量200升),这些煤油用在大型喷气客机DC8上,可以在上海和旧金山之间往返六次多,但是用在这个火箭上只够燃烧2分半钟。

第二级、第三级火箭使用比煤油更有效率的液态氢作为燃料。火箭的总重量大约是2700吨,第一级火箭的推力大约是33320千牛,第二级推力大约是4410千牛,第三级推力大约是980千牛。

“土星5号”火箭在1967年完成试制,当年的11月9日进行发射,取得成功。

载人登月前的勘查工作

虽然在初期探月时向月球空间发射了一些探测器和着陆器,发回大量图片及资料,但还缺乏这样的资料:应在何处着陆?怎样选择着陆点?着陆地点月面地质结构如何?为此目的,美国航宇局在人未登月前首先采用两种方法勘查月面:一是发射7个“勘查者”飞行器;二是发射月球轨道器,通过绕月飞行拍照和实地收集资料,科学家们才能提出登月具体步骤。

美航宇局1966年5月30日用“宇宙神-半人马座”火箭发射的“勘查者1号”(995千克)成功地软着陆月球,在月面停留碉,其中两周在月面的夜间停止工作,总共向地球发回11237幅图片,几乎都是高分辨率和采用滤光器的彩色照片。“勘查者2号”因登月的三台微调发动机中一台未能发动而失败。1967年4月17日,“勘查者3号”(1035千克)在月面白天拍照,向地球发回预着陆点及其周围地形的约6300幅图片,使用飞行器携带的铲斗挖掘土壤,深度18厘米。通过观测和读数显示,月面土壤类似地球的湿海滩沙;这就足以保证人及其着陆器降落。“勘查者4号”飞向月球途中逃之天天。1967年9月8日发射的“勘查者5号”(1005千克)软着陆,进行了a辐射实验,采用放射性同位素照射土壤,首次测量月球土壤组分。1967年11月7日,“勘查者6号”(1008千克)软着陆后,发回18006幅电视画面,并作了第一次土壤化学分析。1986年1月7日离开地球飞奔月球的“勘查者7号”,与前几个取样飞行有所不同,它是专为在赤道降落地点勘测而设计的,它落在月球南部高地内蒂科火山口外面,发回21000幅图片。“勘查者7号”实地调查了“阿波罗”飞船登月点和具有代表性的月面,证明勘查的一些地区有足够的支撑硬度,可以保证载人“阿波罗”飞船的月球舱降落。照片还表明月面有少量的碎石,可能妨碍载人着陆,这些情况对“阿波罗”飞船降落极为重要。载人“阿波罗”飞船登月的最后准备阶段,是从月球赤道上空对一个实际地点详细查看。载人“阿波罗”飞船可能降落范围约为41500平方千米,为此,美航宇局准备了5个月球轨道器。月球轨道器研制任务同“勘查者”飞行器任务同时进行,相互补充。

月球轨道器在飞向月球途中用自己的推进系统前进,中途修正,进入月球轨道后开始绕月飞行。最初轨道是近月点200千米,远月点1850千米。飞行几天后,在准备照相时再降低至近月点约50千米,以获取良好图片。每一个月球轨道器带有的米胶卷,可拍210幅照片。拍摄后,经轨道器的化学处理系统使胶片显象,每隔40分钟向地球发回一次图片。

1966年8月,用“宇宙神-阿吉纳”火箭发射了第一个“月球轨道器1号”(385千克),飞人月球轨道的参数是:近月点40千米,远月点1865千米,倾角12°。由于轨道器高分辨率照相机出了问题,只有中分辨率照相机工作正常,共完成70%的高空照相。1966年11月6日发射的“月球轨道器2号”(390千克),近月点40千米,远月点1845千米,倾氟11°,向地球发回184幅电视画面,画面中有13个备选的“阿波罗”飞船着陆点。1967年2月5日“月球轨道器3号”(385千克)进入月球空间后轨道参数是:近月点40千米,远月点1845千米,倾角21°。在轨道器上的胶卷推动电机失灵后,还向地球发回184幅图片,其中有10幅可以确定载人“阿波罗”飞船着陆点,加上“勘查者1号”给出的一个地点,就基本完成了载人“阿波罗”飞船登月活动最初的勘测目标。1967年5月4日“月球轨道器4号”(390千克)和1967年8月“月球轨道器5号”(390千克)相继飞进月球极区轨道,拍摄了月球两极地区照片。前轨道器胶片模糊,也发回163幅图片;后轨道器向地球传输213幅图片。这两个最后月球轨道器拍的图片覆盖了99%的月面。

美国的第三代宇宙飞船

“阿波罗”计划的宇宙飞船是继“水星”、“双子”两飞船以后美国研制的第三代宇宙飞船。它由指令舱、服务舱和登月舱三部分组成,在发射的时候还在指令舱上安装紧急脱险用的火箭。

指令舱是三名宇航员在飞行期间居住的地方,备有宇宙飞船全部的操纵、制导等指令装置。登月旅行结束以后,在飞船的各部分中,返回地球的,只有指令舱。

指令舱是圆锥形的,高323米,底面直径是31米,大约有一辆旅行汽车大小。发射的重量,包括三名宇航员的体重,大约是59吨。在飞行当中要消费掉姿势控制用的火箭的燃料,返回地球的时候要丢掉辅助降落伞,所以着陆的时候,指令舱的重量就只有53吨了。

指令舱被分隔成前部机械室、乘员室和后部机械室三部分。圆锥形的尖端部分是前部机械室,在那里装有返回地球时候使用的降落伞。

乘员室是三名宇航员居住的地方,兼作食堂、作业室、寝室、厕所和操纵室用。乘员室有三介座席,它制作得象沙发长椅那样舒适。宇宙飞船进入轨道以后,中央座席可以放下,这样两名宇航员就可以同时立在仪器盘前。右边和左边的座席下有寝台,寝台上备有睡袋,可供两名宇航员睡眠。

乘员室的体积是10立方米,里面装有各类仪器和工具,宇航员可以自由利用的空间是6、立方米,平均每人可用的空间是2立方米左右。

后部机械室在圆锥形船体的底部,室里装有姿势控制用的火箭燃料和氧化剂,以及为了把它们送出去而设的加压用的氦气箱、冰槽等。

在指令舱里有两扇观察窗,两扇会接窗,一扇舱口窗。观察窗是两扇边窗,设在靠椅的旁边,供宇航员摄影和观察用。会接窗在左右靠椅的末端,指令舱驾驶员可以从这两扇窗子往外望,来操纵、控制设备把指令舱和登月舱会合并衔接起来。

指令舱外壳有内外两层,象热水瓶那样,外层是由几层铜合金和不锈钢板做成,内层是由几层钛合金板和铝合金板做成的舱壁,内外层之间有蜂窝状的隔热层。内层是密封的,使乘员室里的氧气不会漏出来。指令舱外壳上有厚厚的一层合成树脂的耐热材料。耐热材料的厚度,在底面部分大约是7厘米,而在侧壁和舱头部分是2厘米,它的重量大约14吨。服务舱附在指令舱的下端,呈圆筒形,直径39米,高737米。在舱的下端装有在真空中可以产生9114千牛推力的火箭发动机。在飞行途中修正飞船轨道,在到达月球附近的时候逆喷射、减速,进入环绕月球轨道,或在脱离环绕月球轨道、返回地球的时候,都要使用这个火箭。

在服务舱的外壁,带有4个十字型的姿势控制火箭。

舱里装有供这些火箭使用的燃料和氧化剂、燃料电池和宇航员呼吸用的氧气等。在没有装入这些东西以前,舱重52吨,装人以后舱重25吨。

服务舱和指令舱的各种装置是按可以飞行14天的要求设计的,食粮和氧气也按照可以供14天使用的份量装入。

登月舱在火箭发射的时候是放在服务舱下面、第三节火箭顶部的金属罩里的。飞船进入奔月轨道以后,指令舱和服务舱(合起来叫做母船)跟第三级火箭的顶部分离,旋转180°,指令舱的圆锥顶部对准登月舱,并且跟它对接。

指令舱和登月舱之间有直径80厘米的“隧道”,通过这条“隧道”,宇航员可以在指令舱和登月舱之间通行。

登月舱由下降段和上升段两部分组成,总高度699米,4支底脚延伸时候的直径是945米,如果包括火箭的燃料,重量是147吨,除掉以后的重量是41吨。

在下降段装有登月舱向月面降落减速使用的逆喷射火箭,并且备有火箭的燃料、氧化剂槽、水和氧气槽,还有调查月面的科学仪器。下降段在上升段飞离月面的时候又起发射架的作用。

在上升段有乘员室,两名宇航员可以利用的空间是45立方米,室里设有座席,宇航员是站着操作的。室里充满了1/3个大气压的纯氧气,气温调节在24℃。

从“阿波罗11号”到“阿波罗14号”,登月舱里氧气、水、电池等的份量都是按登月舱离开母船以后可以活动48小时来设计的。扣除下降的时间和上升段飞离月面和母船对接的时间,乘坐登月舱的两名宇航员实际可以在月面逗留的时间最多只有35小时。但是“阿波罗15号”以后,由于设计上的改进,这两部分时间都大幅度增加,结果,“阿波罗15号”的登月舱脱离母船以后单独活动了78小时50分钟,其中66小时55分钟是在月面逗留的。

发射的时候,指令舱上端装有紧急脱险用的火箭,也叫“逃逸塔”或“救生塔”。如果“土星5号”火箭发生故障,救生塔可以按指令启动,把整个飞船拉走,脱离“土星5号”火箭,送到安全的高空。救生塔的长度包括下端的燃料库和保护外壳共约10米,重36吨,本体部分的直径是66厘米,保护外壳的下端部分的直径是12米。救生塔用的火箭使用固体推进剂。

宏大的“阿波罗”装配工程

世界上恐怕再也没有什么装配工程可以与“阿波罗”飞船的装配阳比了。“土星5号”火箭和“阿波罗11号”飞船有7000万个元件,这件工程不仅元件多,而且要求是极为精细的。元件可靠性按规定要达到999999%,也就是说在100万次动作中,只允许有一次失灵,它的工作元件往往要持续安全运行1亿~10亿小时。如果它的可靠性只有999%,那么在飞行中,可能有7000多个机件出现故障。后面我们就会看到,一个小小的元件是怎样造成了大事故的。