航天史上最成功的失利——阿波罗13号登月方案

阿波罗计划

是美国从1961年到1972年组织实施的一系列载人登月飞行任务,该计划始于1961年5月,至1972年12月第6次登月成功结束,历时约11年,耗资255亿美元,约占当年美国全部科研经费投入的20%,在工程高峰时期,参加工程的有2万家企业、200多所大学和80多个科研机构,总人数超过30万人。它在世界航空航天史上有着划时代的意义,其科研成果所带来的深刻影响,人类至今受益。

土星五号运载火箭

也许是数次的阿波罗计划成果太为耀眼,阿波罗13号所发生的事故鲜为人知人知,虽然这次登月任务最终失败,但却被世人称为世界航天史上最成功的失败,这其中的原因究竟是什么?是什么标签3原因导致了事故的发生?这次事故的最终结果又是什么呢?接下来且听我慢慢道来。

电影《阿波罗13号》剧照

简介

阿波罗13号登月计划是阿波罗计划的后期任务之一,也是整项计划中第三次载人登月任务,于1970年4月进行,共搭载三名宇航员,在前往月球的过程中,距离地球321860公里时,服务舱(阿波罗飞船实际上是由3个主要的部分组成的:粗短的阿波罗飞船指挥舱是宇航员所在的舱段,柱状的阿波罗服务舱里则主要用来安放飞船的电子和环境维持设备,另外还有外观略显笨拙的登月舱,而登月舱本身则也可以再分为两个部分——上升段以及下降段。)的二号氧气罐发生爆炸,殃及另外一个氧气罐,不仅导致指挥舱和服务舱同时失去了两个氧气罐中的氧气,还严重损坏了航天器的供电设备,尽管指挥舱中还有供返回地球时使用的电池,但是只能使用大约10小时。因此,三名宇航员最后不得不把登月舱作为救生艇,向地球奋力“滑行”。

爆炸的氧气罐

阿波罗飞船使用一套复杂的电池组和三台大型燃料电池为所有设备提供电力,其中燃料电池负责承担飞船飞行阶段大部分电力供应任务,这种燃料电池的工作原理是将氢和氧进行反应,从而产生1.4kW的30V直流电,并在过程中产生少量水。而为了尽可能的携带氧气和氢气,效率最高的方式就是使他们以液态形式存在,因此在阿波罗飞船的服务舱内安装有两个大型的液态氢气罐(每个内部装有13公斤的液氢),另外还标签20有两个液态氧气罐(每个内部装有大约148公斤的液氧)。

而发生爆炸的正是二号氧气罐,这个氧气罐最初是安装在阿波罗十号上,但就在阿波罗10号发射之前,这个液氧罐却被拆卸了下来进行维护和改装,在此期间这个罐子曾经从大约2英寸(约合6厘米)的高度上摔落下来。最终这个可能损坏的罐子没有被再次装回到阿波罗10号上,而是造了一个新的液氧罐,同时这个掉落的罐子经过检查后并没有发现损坏,但是,这种外部检查却发生了一项致命的疏忽:其内部有一根管线发生了轻微的破损。

于是美国宇航标签10局便把这个似乎没有破损的罐子分配给了阿波罗13号的服务舱继续使用。在阿波罗13号发射前,技术人员再次对各项部件进行了严格检查,在其中一次检查中,这个液氧罐被发现无法正确地排空液氧,于是测试组决定利用加热的方法排空液氧罐,然而他们犯了一个致命的错误:液氧罐本身具备加热的能力,但是根据设计,应当使用飞船的28V直流电力系统供电,但测试组却将它与65V的地面线路连接了长达8小时之久。

过高的电压导致加热器开关被烧化,固定在了关闭位置,这就让它无法及时在情况异常时启动自动关闭程序,于是液氧罐内的温度持续升高标签10,一直到了超过1000华氏度(约合537航天史上最成功的失利——阿波罗13号登月方案.7摄氏度),而安装在液氧罐内部的温度计设定的最高温标才80华氏度(约合26.6摄氏度)。但从外部观察,看不出任何异常情况。美国宇航局在后来的事故调查报告中提到:“液氧罐内部管路使用的特氟龙绝缘层遭受了严重的损坏”。

致命的搅拌

类似于液氧这样的液态气体在微重力情况下会倾向于分层,也就是说,在缺乏重力的情况下,它们会倾向于形成不同的分层并在其所处的空间内向周围扩 散。而当这一空间就是液氧罐的内部体积的时候,这种分层效应就会让测量液氧罐内部的液体量变得十分困难。为了精确测量罐内液体的多少,阿波罗飞船的服务舱液氧罐中安装了一套涡轮装置,类似于小型船桨的叶轮能将液氧搅拌均匀便于测量,这在阿波罗13号飞行过程中属于例行操作,但是没有人知道,每一次搅拌对于阿波罗13号而言都是潜在的巨大灾难。

在任务进行到第56个小时之后,指令仓飞行员杰克斯威格特进行了例行的搅拌操作。根据推测,这次操作产生了几颗火星,点燃了二号罐内的特氟龙材料。在液氧环境下,特氟龙材料的燃烧十分迅速,在液氧罐内瞬间产生极高压强(超过41 MPa)。这样的压强不但超过了液氧罐阀门的承受极限,也超出了液氧罐结构强度的极限,于是,液氧罐发生了爆炸。

艰难的回家路

航天器受损导致原定在弗拉毛罗高地的登月任务被迫取消,指挥中心有人提议立刻让航天器掉头返回地球,然而整个航天器上可以提供掉头推力的推进系统位于发生爆炸的服务舱尾部,由于损坏状况不明,点燃推进系统有再次引起爆炸的风险,为了安全考量,指挥中心决定不使用推进系统。他们选择利用月球引力返航,绕过月球背面再让航天器进入自由返航轨道。为了进入自由返航轨道,必须校正一次飞行轨道;正常情况下会使用服务推进系统来校正轨道,但由于事故影响,在工程师团队长时间研究后,指挥中心决定使用登月舱的降落火箭进行简单的轨道矫正。

返回地球的指挥舱

登月舱原本设计用来供两名宇航员使用两天,但是现在却有三名宇航员要靠它存活四天,登月舱上用以过滤二氧化碳的氢氧化锂过滤器无法负荷这种需求。尽管指挥舱另有备用过滤器,但它们与登月舱上的接口形状不同。在二氧化碳浓度不停升高的情况下,地面指挥即时想出了解决办法,他们指导太空人用太空船上仅有的物资拼装连接起两种不同形状的过滤装置,成功降低登月舱的二氧化碳浓度。

在航天器逐渐接近大气层时,为了便于分析事故起因,航天局决定先抛弃服务舱而不是常态下应先被抛弃的登月舱。当三位宇航员首次看到服务舱时,他们惊讶地发现燃航天史上最成功的失利——阿波罗13号登月方案料电池和氧气罐上整块面板都被炸飞了。地面指挥中心还担心返航途中为了省电关闭维生系统而失温的指挥舱,会因为水凝结导致电子控制系统短路,这无法预防,只有在系统重开机的当下才会知道系统是否顺利运作,幸运的是最后一切正常。

尽管事故非常不幸,但是最终三名宇航员还是安全返回了地球。他们是非常幸运的,因为航天器是在去月球途中出现问题,标签1而非回程;否则他们在紧急情况下可调动的剩余资源会大大减少。如果服务舱航天史上最成功的失利——阿波罗13号登月方案的航天史上最成功的失利——阿波罗13号登月方案爆炸发生在绕月或返航途中,三位宇航员生还的机会非常渺茫(若正常完成登月任务,登月舱会被抛弃,三位宇航员就没有救生舱)。

成功的失败

造成阿波罗13号飞船事故的原因是由很多的小小失误逐渐累加形成的——液氧罐的坠落,没有进行必要的液氧罐内部检查,液氧排空操作上的失误以及灾难性的高温烘烤。当所有这些因素累加在一起,导致的结果是惊人的。而对于阿波罗13号的最终获救,最大的原因应该说是地面控制人员和飞船乘组此前所进行了数航天史上最成功的失利——阿波罗13号登月方案以百计的反复练习。每一位控制员,包括所有的支援人员都对他们各自领域的专业知识非常了解和熟悉。

而对于阿波罗13号的飞行乘组而言,除了对原定的飞行计划烂熟于胸之外,他们都是杰出的飞行员,他们所受的训练航天史上最成功的失利——阿波罗13号登月方案让他们能够在最危急的情况下保持镇静和头脑冷静。他们能够在即便最极端的精神和身体压力下精确地进行大量极为复杂的操作。

正是阿波罗13号上的宇航员们能够在最危机的情况下保持冷静,并在问题出现时及时进行解决,才最终让他们能够从这一极端复杂的险恶环境下脱险。美国宇航局的“模拟,模拟,再模拟”思维决策意味着即便出现类似阿波罗13号这样严重的危机事件,永远都可以找出某种形式的标签5应急方案来。另外,此次任务的控制员们在制定应急救援计划时,他们对于飞船各个系统的极限性能都有着非常清楚的了解和把握。

对整个人类来说,阿波罗13号的事故、挑战者号的灾难,不该成为绊住前进脚步的阻碍,而应化作激励我们去探索星辰大海的勇气和力量。

阿波罗系列计划达到了人类在太空探索中航天史上最成功的失利——阿波罗13号登月方案从未达到过的高度。但那已经过去将近半标签10世纪。歇息多时的人类,是不是应该重拾行囊,继续向宇宙深处进发了?

当我们的后代到达比月球远得多的地方的时候,他们会想起詹姆斯-A-洛威尔、杰克-斯威格特和弗雷德-海斯,也会想起尼尔-阿姆斯特朗、迈克尔-柯林斯、巴兹-奥尔德林,想起尤里-阿列克谢维奇-加加林。

他们会想到,无论他们走出多远,这段激动人心的旅程永远肇始于那些勇敢的先人踏出的第一步。

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