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关于阿波罗11号登月,你从未听过的故事

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本文参加百家号科学#了不起的天文航天#系列征文

尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林在月球上升起美国国旗,附近可以看到登月舱的阴影。然而,如果从服务舱中丢弃燃料的程序让燃料与指挥舱接触,宇航员可能不会成功返回地球。即使从我们的角度来看,在2019年,也就是50年后,人类自1969年7月以来取得的成就,仍然标志着载人航天飞行的顶峰。人类历史上第一次成功地登上了另一个世界的表面。在经历了38万公里的旅程后,宇航员登上月球,在上面行走,安装科学仪器,采集样本,然后启程前往地球。

1969年7月24日,他们离开月球三天后,成功完成了他们的返程。但是在阿波罗11号返回地球的过程中,发生了一个严重的异,直到宇航员返回地球后才被发现。南希·阿特金森在她的新书《登月八年》中揭示了这一事故,它可能会给宇航员阿姆斯特朗、奥尔德林和柯林斯带来灾难性的结局。这是一个你从未听过的故事。

这张美国宇航局拍摄于1969年7月16日的照片显示了数千人在肯尼迪航天中心附近的海滩和公路上露营,观看阿波罗11号搭载土星5号火箭升空。四天后,人类将在另一个世界迈出我们的第一步。四天后,宇航员成功返回地球,但这并不是一个必然的结果。根据记录,阿波罗11号的飞行计划顺利进行。这次任务是为了实现当时的肯尼迪总统的登月和成功返回地球的目标。

1969年7月16日,负责推动阿波罗11号登月的土星五号火箭从肯尼迪角成功发射。仅在7月17日,第一次使用阿波罗服务推进系统(SPS)的推力机动就完成了,为月球之旅修正了航向。发射和这一次修正是如此成功,以至于其他三个计划的SPS演习甚至不需要。仅仅在7月19日,阿波罗11号就到达了月球,在它后面飞行,并在SPS的一系列推力操作后进入月球轨道。7月20日,“鹰”号登月舱与“哥伦比亚”号脱离,进行动力降落,并降落在月球表面。

奥尔德林站在月球表面的科学实验附近。1969年7月20日,人类首次登上月球,代号为“鹰”的登月舱在月球东侧宁静的海面上轻轻着陆。登月舱在发射前完好无损,在插好的美国国旗旁可以看到完整的登月舱。在4个小时的准备工作之后,宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林离开登月舱探索月球表面,进行了长达2.5小时的舱外活动(EVA),部署了科学仪器,收集了返回的样本,并插上了一面著名的美国国旗。7月21日,在月球上仅仅21小时36分钟后,登月舱的引擎就点火了,“鹰”号返回与哥伦比亚号对接,宇航员奥尔德林和阿姆斯特朗与宇航员柯林斯一起返回指挥和服务舱。7月21日,SPS推进器点火,指挥和服务模块返回地球,7月22日将进行唯一的中途修正。7月24日,重返大气层程序启动,阿波罗11号的机组人员安全降落在太平洋。

这幅艺术家的概念图展示了在5000华氏度高温下的指令舱。阿波罗指挥用于1969年至1972年间将宇航员送上月球的阿波罗计划。指令舱外部的烧蚀隔热板保护太空舱不受返回舱的热量的影响,这种热量足以融化大部分金属。在穿越大气层过程中,隔热层被烧焦和熔化,吸收和带走了过程中的高温。这一切听起来如此简单和直接,掩盖了真实的真相:对于每一个步骤,都有数百个潜在的失败点,每个相关人员都需要防范。仅这最后一步,即宇航员返回地球后返回月球,就是最关键的一步。如果失败,它将导致必然的死亡,类似于苏联宇航员弗拉基米尔·科马罗夫的死亡。

美国宇航局的阿波罗8号和阿波罗10号已经成功完成了登月任务,阿波罗11号预计也将遵循同样的程序。面对自满的危险,这一步对阿波罗11号任务的许多人员来说似乎已经是老掉牙了。

这张示意图显示了登月任务返回的各个阶段。登月舱从月球上起飞,与指挥服务舱对接。然后,指令舱与服务舱分离,服务舱丢弃燃料并加速离开。随后,指挥舱重新进入地球大气层,最后降落在海洋中。原则上,对于从月球返回的宇航员来说,重返地球应该是很简单的。指挥和服务模块首先需要分开,宇航员在指挥模块和服务模块被抛弃。一旦安全离开,指令舱将重新调整方向,使隔热罩处于正对的位置,以便在保护舱内宇航员的同时,能够承受重返地球大气层所带来的冲击。

在适当的时刻,当大气密度足够大,外部温度和速度足够低时,降落伞就会展开,导致大约5分钟后的一个平稳的落在太平洋上,宇航员可以在那里安全地上岸。

如图所示,阿波罗14号即将坠入海洋,类似于之前的阿波罗11号任务。听起来很常见。但是在无数可能出错的事情中,其中一个是完全出乎意料的:计划在地球大气层中分裂并安全燃烧的服务模块可能意外地将一块碎片与命令模块碰撞,破坏重新进入并杀死船上返回的宇航员。

避免这种情况的计划很简单:分离后的服务舱将执行一系列推力操作,使其安全离开指挥舱的返回路径。通过将服务舱转移到一个明显不同的轨道上,它甚至不会像指挥舱一样在同一时间重新进入大气层,但这一次会跳过大气层。服务舱的重新进入大气层应该是在绕地球运行了另一个轨道之后,时间要晚得多。

阿波罗11号的指挥舱和服务舱都遵循相同的再入轨道,如果发生任何类型的碰撞,这可能会对指挥舱上的宇航员造成致命的伤害。只有靠运气,这样的灾难才得以避免。但这根本没有发生。引用南希·阿特金森的书中,飞行员弗兰克·布朗在距离返回点725公里的地方报告如下:

我看到他们两个,一个是指挥舱,另一个是服务模块。我看见他们身后的小路!你可以看到这些碎片飞了出去。上面的几乎没有变化,而下面的则碎成了碎片。这就是分解服务模块。

幸运的是,服务舱再入时产生的碎片没有影响到指挥舱,宇航员都安全返回地球。

阿波罗11号的宇航员从月球表面返回后,在移动隔离设施中。美国“大黄蜂号”在降落后成功地将宇航员从指挥舱中救了出来,机组人员在那里受到尼克松总统等人的欢迎。这怎么可能发生呢?在服务舱如何配置丢弃剩余燃料的过程中出现了一个错误:这个问题后来被发现也阿波罗8号和阿波罗10号任务中。不是一系列的推进器发射把服务舱从指挥舱移开,把它移到一个不同的轨道,消除碰撞的可能性,而是推进器实际发射的方式把整个任务置于危险之中。

问题是在服务舱上有两种推进器:负X RCS喷气机和RCS滚流喷气机。当滚轴喷射机在试图稳定服务舱的过程中爆炸时,负X喷射机却一直在燃烧。

反应控制系统,在图像的中左可见,由两种类型的推进器,控制加速度和方向。由于最初的缺陷,推进器以一种使指令舱处于危险的模式发射。如果这两个模块相撞,飞船上的宇航员将会失败地重返大气层,导致三名乘客全部遇难。在阿波罗11号之后,调查人员确定,避免接触的正确程序应该是适当地定时发射滚轴喷气机和负X喷气机,这将导致两个航天器之间的接触概率为0%。这看起来可能是一个非常小的点,但航天器充满了运动部件。

例如,如果燃料在服务舱和指挥舱分离后四处飞溅,可能会导致结果轨迹中存在一定的不确定性。如果没有实施正确的程序来发射各种各样的喷气机,阿波罗11号宇航员的安全返回将只能靠运气了。

这张照片拍摄于1970年4月17日,展示了阿波罗13号任务中的服务舱。服务舱很早就从指挥舱中被丢弃了,损坏的部分在右边清晰可见。这是阿波罗计划的第三次载人登月任务。幸运的是,抛弃物控制器的缺陷已经修复,从阿波罗13号开始,服务舱对宇航员携带的指挥舱没有任何风险。在阿波罗11号之后的技术汇报中,奥尔德林注意到服务舱飞过指挥舱,他也报告了服务舱的旋转,这远远超过了设计参数。工程师加里·约翰逊手工绘制了重新连接阿波罗服务舱抛弃控制器的示意图,这些改动是在下一次飞行后不久做出的。

前4次载人登月——阿波罗8号、10号、11号和12号——都可能以潜在的灾难告终。如果服务舱与指挥舱相撞,类似哥伦比亚号航天飞机的返回舱灾难可能就在美国太空竞赛的最后阶段发生。

1969年7月24日,阿波罗11号返回舱溅起水花,漂浮在水面上。如果指挥舱和服务舱发生了碰撞或以任何一种未经计划的实质性方式相互作用,第一批月球漫步者的返回可能会像哥伦比亚号航天飞机的最后一次飞行一样具有灾难性。如果你对阿波罗时代的幕后细节和鲜为人知的故事感兴趣,我强烈推荐阿特金森的书《通往月球的八年》。在里面,你会发现许多关于这次活动的额外细节,包括对加里·约翰逊本人的采访片段。

如果阿姆斯特朗和奥尔德林,在返回地球之前死亡,美国已经为此起草了一份总统演讲。我们可以把这归功于好运,下面这些话根本不需要说:

在他们的探索中,他们激起了全世界人民的共鸣;在他们的牺牲中,他们把人类的兄弟情谊捆绑得更紧密。在古代,人们看星星,在星座里看到他们的英雄。在现代,我们做了很多相同的事情,但我们的英雄是史诗般的有血有肉的人。其他人也会追随,并且肯定会找到回家的路。他们将永远是我们心中最重要的。

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