NASA的太空之路

文- 劉 霞

NASA的太空之路

文- 劉 霞

數(shù)十年來，美國國家航空航天局（NASA）一直用新技術、新項目、新設備，帶領人們朝更深更遠的太空進發(fā)

自1958年成立至今，美國國家航空航天局（NASA）一直以勇于創(chuàng)新而聞名世界，被廣泛認為是全球太空機構(gòu)的領頭羊。數(shù)十年來，NASA一直用新技術、新項目、新設備，帶領人們朝更深更遠的太空進發(fā)，以下10款令人嘆為觀止的創(chuàng)新設備就是最好的證明。

“土星5”號運載火箭

1 “土星5”號運載火箭

“土星5”號運載火箭，是NASA在阿波羅計劃和天空實驗室兩項太空計劃中使用的多級可拋式液態(tài)燃料火箭，也是歷史上最高、最重、推力最強的運載火箭。

1969年7月20日，“土星5”號運載火箭將全球第一艘載人飛船“阿波羅11”號送上月球，并成功返回。此后，陸續(xù)有8枚“土星5”號運載火箭將載人的“阿波羅”號宇宙飛船送上月球軌道。在整個航空航天史上，它都是值得濃墨重彩抒寫的一章。

“土星5”號運載火箭由三級組成，最大直徑10米，連通尾翼在內(nèi)共達18米，總質(zhì)量達2721554.22千克，安裝阿波羅飛船和救生火箭后，總高度達110.6米，相當于36層樓房?；鸺牡谝患壥褂昧?臺F-1火箭發(fā)動機，裝有2075噸液氧煤油推進劑，發(fā)動機一旦點火，僅需2分34秒就可以將2000多噸“飲料”一飲而盡，產(chǎn)生的高溫氣體以2900米/秒的速度噴射，可產(chǎn)生3500噸的推力。

2 國際空間站

國際空間站（ISS）是迄今最大也是最昂貴的地外設備，運行于距離地面400公里的地球軌道上；它也是迄今最復雜、最成功的國際合作典范。國際空間站集合了美國、俄羅斯、日本和歐洲等不同國家的太空研究成果。

國際空間站比一個足球場還大，建造成本高達1500億美元。它也是太空持續(xù)使用時間最長的建筑，40年來，有多位科學家在國際空間站內(nèi)從事過研究。隨著國際空間站服役時間的不斷增加，科學家們需要想出一些別出心裁的解決方案來修理日益老化的零件，比如，研究人員最近對出錯的空調(diào)系統(tǒng)的修復等。但不管怎樣，國際空間站已經(jīng)證明自己非?！翱孔V”，它或許可以持續(xù)運行到2024年。

國際空間站

阿波羅登月艙

3 阿波羅登月艙

當美國格魯曼飛機工程公司受命為NASA制造阿波羅登月艙（阿波羅宇宙飛船直接登月的部分）時，其口號是：“讓登月艙變得更輕、更輕、更輕?！贝饲?，格魯曼公司一直以制造堅固耐用的戰(zhàn)斗機而聞名，現(xiàn)在，它被要求建造的是真正的航天飛機——只能在太空中飛行的飛機，這就意味著，在普通飛機那大行其道的流線型、空氣動力學等都不再管用，他們必須另辟蹊徑。他們首先采用的辦法是：剔除了很多窗戶、座椅甚至側(cè)板，也就是說，凡是對登陸月球沒有幫助的所有物品都被摒棄了。

但這樣做得到的機器仍然太重，無法飛起來，因此，格魯曼公司采取了非常極端且富有突破性的辦法：采用化學方法來蝕刻由機器切削而成的細小零件，直到它們足夠堅固，最終有10臺登月艙飛起來了，其中包括阿波羅13號登月艙。最能證明登月艙價值的是，阿波羅13號登月飛船發(fā)射后兩天，服務艙的氧氣罐發(fā)生的爆炸嚴重損壞了航天器，使其大量損失氧氣和電力，但三位宇航員使用航天器的登月艙作為太空中的救生艇，在太空中經(jīng)歷了缺電、溫度異常以及飲用水問題后，仍然成功返回了地球。

4 “好奇”號火星漫游車

“降落——我們安全登陸火星！”當飛行指揮員艾爾·陳說出這句話時，一個長達10年的漫長征程以“好奇”號火星車在火星上安全著陸而完美收官。

這個耗資25億美元的研究計劃是迄今最野心勃勃的計劃，其對科技能力的要求超過以前所有科學研究計劃。“好奇”號火星車重達1噸，大小相當于一輛Mini Cooper汽車，它是第一輛采用核動力驅(qū)動的火星車，最終使命是探尋火星上的生命元素。

讓“好奇”號火星漫游車在火星上安全登陸，是科學家們面臨的最大挑戰(zhàn)之一，鑒于以前的登月方法無法勝任這一任務，NASA專門為“好奇號”設計了一套復雜的著陸程序?；鹦擒囘M入火星這顆紅色行星的大氣后，借助一個大降落傘把它的隔熱板及后殼扔掉，以減慢下降速度，然后再利用被稱作“天空起重機”的推進器慢慢下降。這個起重機利用電纜把該車放在火星表面，然后，它會飛走并墜毀。這一瘋狂而新奇的想法剛一提出，就讓人心跳加快，覺得簡直不可思議。NASA噴氣推進實驗室的首席工程師羅伯特·曼寧表示：“我們首先必須通過嘲笑測試?！?/p>

但在2012年8月5日，開懷大笑的是噴氣推進實驗室內(nèi)那些緊張興奮、激動不已的工程師、控制人員以及科學家——“好奇”號火星車成功地在火星登陸，開始了它在這片紅色星球上的冒險之旅。

“好奇”號火星車

5 阿波羅導航計算機

借用上世紀60年代的技術，如何能讓宇航員們飛到月球呢？僅僅將希望寄托在火箭上？當然不行，還需要一臺復雜的導航計算機?！鞍⒉_”計劃剛開始時，導航計算機被認為是整個計劃風險最大的部分。實際上，輔助人類登上月球的技術奇跡正是飛船上的導航計算機。

上世紀60年代，大部分計算機都要占據(jù)整個房間，但飛船的機載電腦卻要求體積小且功耗低。怎么辦？NASA的研究人員同美國麻省理工學院（MIT）的設備實驗室攜手，設計并制造出有史以來第一臺集成電路數(shù)字飛行計算機——阿波羅導航計算機。參與“阿波羅”計劃的宇航員們使用這臺計算機在地球和月球之間來回往返了9次。盡管今天人們可能無法相信能用如此“原始”的計算機來控制宇宙飛船，但它的確有即使以今天的標準來看都很高級的功能。

阿波羅導航計算機能為飛船提供從地球到月球、從月球軌道到月球表面、接著再回到地球的導航，所有這些都依靠計算機上2KB的隨機動態(tài)存儲器（RAM）和36KB的編程指令。盡管這臺計算機遠遠不如一臺洗衣機聰明，但其非?？煽浚彩乾F(xiàn)代緊湊型數(shù)字計算機的基礎。

“亞特蘭蒂斯”號航天飛機

6 航天飛機

NASA如何執(zhí)行一個又一個令人驚奇的太空計劃——比如，將人送往月球？當然是使用航天飛機。航天飛機又稱太空梭或太空穿梭機，是可重復使用的、往返于太空和地面之間的航天器，結(jié)合了飛機與航天器的性質(zhì)。它既能像火箭一樣垂直起飛；像太空飛船一樣在軌道上運行；又能像飛機一樣水平著陸。航天飛機在軌道上運行時，可完成釋放衛(wèi)星、回收及維修衛(wèi)星、進行各種微重力科學實驗等多種任務。

航天飛機一般由軌道器、外貯箱和固體助推器組成，擁有龐大的載荷，每架航天飛機能飛行30次。美國從上世紀70年代開始研發(fā)航天飛機，直到1981年才發(fā)射了第一架航天飛機，但自此以后，每一次航天飛機的發(fā)射都吸引著人們的目光，共有5種型號的航天飛機接受了世人的檢驗，分別為“哥倫比亞”號、“挑戰(zhàn)者”號、“發(fā)現(xiàn)”號、“亞特蘭蒂斯”號和“奮進”號。

2011年7月8日23時30分許，美國“亞特蘭蒂斯”號航天飛機成功啟動其太空之旅，這也是美國航天飛機的絕唱，標志著美國航天飛機時代的終結(jié)，NASA官方同時宣布了代替航天飛機的新方案：多用途載人飛船（MPCV）。

7 F-1火箭發(fā)動機

上世紀50年代末，整個美國社會陷入“火箭狂熱”中，俄羅斯的火箭總是比美國的火箭更大更好，因此，不甘心的美國空軍授權(quán)加州洛克達因公司（Rocketdyne）研制全球最大、功能最強的火箭發(fā)動機。最終研制出的發(fā)動機名為F-1，用于“土星5”號運載火箭的第一級，最終將阿波羅宇宙飛船送上了月球。

F-1是投入使用的推力最大的單噴嘴液體發(fā)動機。洛克達因公司剛開始在現(xiàn)有的知識和經(jīng)驗上建造火箭，但在對小型發(fā)動機進行升級測試時，發(fā)生了令人膽顫心驚的爆炸，主要問題是發(fā)動機自己會因為聲音振動而晃動不止。那么，洛克達因公司的創(chuàng)新是什么呢？工程師們將少量爆轟炸藥放在燃燒室中，并在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時引爆炸藥，以此測試燃燒室在壓力變化時將作何反應。設計師隨后測試了幾種不同的燃料噴射器，并得到了最佳匹配方案。這一想法大膽甚至令人覺得有點瘋狂，F(xiàn)-1也因此成為同時代最成功的火箭發(fā)動機。

8 “海盜”號火星登陸器

上世紀50年代末，NASA噴氣推進實驗室構(gòu)想出一個極富野心的計劃：將機器人著陸器送到火星，進行地理學、天氣和大氣傳感方面的測試，有可能的話，搜尋生命存在的跡象。

10年后，NASA的工程師們讓這個不可思議的夢想走進了現(xiàn)實，他們創(chuàng)建了一個小型生命科學實驗室，并將其從占滿一間教室那么大縮小到小型洗衣機那么大?！昂１I1”號和“海盜2”號這兩艘宇宙飛船都配備有登陸器，它們于1976年登上火星。

這對“雙胞胎”著陸器分別降落在火星的兩端，在90多天的探測任務中表現(xiàn)出色（其中“海盜1”號著陸器運行到1982年）。NASA希望“海盜”號能搜尋到未知的火星生命，但它們在火星表面一無所獲。

2008年，NASA的科學家對實驗進行了重新評估，并認為火星土壤中可能存在微生物，至少是有機物質(zhì)。但目前，火星土壤中的有機物含量非常低，主流觀點認為，火星土壤中存在的某種神秘氧化物與這些有機物發(fā)生化學反應，從而減少了有機物的含量。一切都還未蓋棺論定，有望于2020年發(fā)射的新的火星探測器，可能會帶給我們更多信息。

“海盜”計劃是火星探測史上最昂貴的計劃，也是1990年到2000年最成功且提供信息最多的火星探測計劃。

9 阿波羅月球服

如果你不能在月球漫步，那么，飛到月球有什么好處呢？這也是上世紀60年代初，NASA的工程師們面臨的問題。此前，他們已經(jīng)為X-15超音速飛行機設計出太空服“水星”以及“雙子座”，但這些航天服都僵硬、龐大、笨重且穿著不舒服。最糟糕的是，當穿著這種衣服時，人們幾乎什么也沒法干，因為，他們就像背著僵硬、厚重的氣球。

NASA的工程師們隨后進行了大膽的革新，他們制造出了數(shù)十套月球服并逐一進行測試，最后為執(zhí)行“阿波羅11”號登月任務的宇航員們選中了一款看似笨重的衣服。

這款月球服實際上比其他的要輕巧靈便很多，專門為在月球表面工作而設計。它由16層材料組成，用于保溫并防止微隕石的襲擊。月球服內(nèi)裝有冷卻和供氧系統(tǒng)，以維持航天員生命，胸部還裝有一組用于操縱和檢測背包系統(tǒng)的控制盤。月球服的背包可供給航天員氧氣、冷卻航天服中循環(huán)的水，其中還包括一個小型無線電發(fā)報機和一個氧氣凈化裝置。頭盔有兩層面罩，可以防護航天員眼睛不受紫外線、紅外線和流星微粒的傷害。加壓手套外層由一種特殊的纖維制成，內(nèi)層是絕熱材料，以防航天員在工作中接觸熱物體或冷物體時受傷。手套的指端由硅有機橡膠制成，可提高航天員手指的敏感性。

10 “旅行者”號探測器

上世紀60年代，野心勃勃的NASA并不滿足于僅僅探索火星和金星，他們勾勒了一幅宏偉的太陽系“大旅行”圖，計劃探索太陽系的大部分行星，木星、土星、天王星、海王星都于上世紀70年代進入了他們的探索列表。

這一計劃曾因預算不足而受阻，但NASA堅定地執(zhí)行了原計劃，并在噴氣推進實驗室建造了兩架更小且沒那么野心勃勃的宇宙飛船“旅行者1”號和“旅行者2”號。

這些機器人探索者于1977年發(fā)射，前往木星和土星，并于1980年完成最基本的任務。1980年11月13日和1981年8月26日，這對探測器分別飛近土星考察，“旅行者1”號著重探測了原來被認為是太陽系最大的一顆衛(wèi)星——土衛(wèi)六，但從拍回的照片上發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)六的直徑只有4828公里，而不是過去認為的5760公里，因此判定它小于木衛(wèi)三，從而退居為太陽系的第二大衛(wèi)星；“旅行者2”號則對新發(fā)現(xiàn)的土星環(huán)和幾個衛(wèi)星作了近距離探測， 向地球發(fā)送回一萬多張照片。

考察了木星和土星后，“旅行者1”號開始飛離太陽系，而“旅行者2”號不僅要像“旅行者1”號那樣穿過火星軌道和危險的小行星帶，相繼與木星（1979年）和土星（1981年）交會，還要與天王星和海王星交會。最終，“旅行者2”號于1985年到1989年之間先后探測了天王星和海王星。

除了科學儀器外，“旅行者”號探測器上還攜帶了一張鍍金銅板聲像片和一枚金剛石唱針，它可以在宇宙中保存10億年，上面記錄了用54種人類語言向外星智慧生物發(fā)出的問候語，還有117種地球上動植物的圖形，以及長達90分鐘的各國音樂錄音，其中包括中國傳統(tǒng)古琴名曲《高山流水》。這些地球之聲將帶著人類的期望回蕩在宇宙空間，人們希望它在宇宙中漂流的漫長歲月里能遇上地外生命并向他們傳達來自地球的信息。

這兩臺探測器36年后傳回數(shù)據(jù)，2013年6月，NASA發(fā)布消息說，1977年發(fā)射的“旅行者1”號探測器發(fā)回的數(shù)據(jù)顯示，其運行速度約為每秒17公里，距地球約180億公里，它正趕赴與另一顆恒星在5萬年之后的約會。

（來源：《科技日報》責任編輯/清揚）