人類飛入“月宮”的幕后英雄

榮智慧

1969年7月16日，肯尼迪航天中心的成員透過窗戶觀看“阿波羅11號(hào)”的發(fā)射

人類首次登月的50年后，想“再現(xiàn)”一次登月場(chǎng)景，簡(jiǎn)直太容易了。一塊小小“宇航員足印”冰箱貼，通過手機(jī)攝像頭掃描，就可以用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）的方式，顯示出登月的三維信息，包括當(dāng)年的電視直播錄像、“阿波羅11號(hào)”的具體數(shù)據(jù)。

當(dāng)然，“阿波羅”計(jì)劃，包括1969年首次登月的“阿波羅11號(hào)”，將永遠(yuǎn)作為人類探索的里程碑，被歷史銘記。而整個(gè)登月計(jì)劃成功的背后，巨大的技術(shù)跨越、海量的資金支持，以及人數(shù)眾多、技術(shù)高超的團(tuán)隊(duì)運(yùn)作，都是重要因素。

“阿波羅”計(jì)劃是美國(guó)宇航局運(yùn)行的第三個(gè)載人航天工程。

“阿波羅”計(jì)劃

1960年7月29日，美國(guó)宇航局（NASA）提出了一項(xiàng)名為“阿波羅”的計(jì)劃，以載人登月為奮斗目標(biāo)?！鞍⒉_”是希臘神話中的太陽(yáng)神，主管光明、醫(yī)藥、畜牧、音樂和詩(shī)歌，跟月亮女神“阿爾特彌斯”是雙胞胎。不過，據(jù)負(fù)責(zé)人阿伯·西爾弗斯坦（Abe Silverstein）事后表示，當(dāng)時(shí)選擇“阿波羅”，是因?yàn)樗敬蛩憬o兒子起這個(gè)名字。

該計(jì)劃被提出伊始，美國(guó)總統(tǒng)并沒有拍板。

當(dāng)時(shí)的太空競(jìng)賽，蘇聯(lián)遙遙領(lǐng)先。1957年，蘇聯(lián)把第一顆人造地球衛(wèi)星送上天空;從1959年開始，“月球”號(hào)探測(cè)器第一次擊中月球，第一次繞到月球背面拍照，第一次實(shí)現(xiàn)月面軟著陸，第一次進(jìn)入繞月軌道成為人造月球衛(wèi)星;特別是1961年4月12日，蘇聯(lián)的加加林駕駛“東方1號(hào)”飛船進(jìn)入太空，繞地球飛行一周，成為世界上第一位“太空人”，大大打擊了美國(guó)的自信心。

于是，一個(gè)月之后，美國(guó)總統(tǒng)肯尼迪正式宣布了“阿波羅”計(jì)劃，定了一個(gè)“十年往返月球”的“小目標(biāo)”。他日后的國(guó)會(huì)發(fā)言也被載入史冊(cè)：“我們選擇登月！我們選擇在這個(gè)十年登上月球并實(shí)現(xiàn)其他目標(biāo)，不是因?yàn)樗鼈兒?jiǎn)單，而是因?yàn)樗鼈兤D難。”

“阿波羅”計(jì)劃是美國(guó)宇航局運(yùn)行的第三個(gè)載人航天工程。最早的“水星”計(jì)劃始于1958年，結(jié)束于1963年，目標(biāo)是送一臺(tái)載人航天器進(jìn)入地球軌道，完成4次飛行。之后開始的是“雙子星座”計(jì)劃，在1961年至1966年與“阿波羅”計(jì)劃并行，目標(biāo)是測(cè)試“阿波羅”計(jì)劃里必要的技術(shù)—兩架航天器在太空對(duì)接。

“阿波羅”計(jì)劃的目標(biāo)，表面是實(shí)現(xiàn)載人登月飛行，對(duì)月球進(jìn)行實(shí)地考察，但實(shí)際上，這一計(jì)劃并未打算占有月球資源，獲取科學(xué)知識(shí)也不是主要目的。對(duì)美國(guó)人來(lái)說，送人上月球，就是一場(chǎng)“較量”，一個(gè)證明美國(guó)比蘇聯(lián)強(qiáng)的良機(jī)。

“十年”目標(biāo)的激勵(lì)下，整個(gè)美國(guó)都被動(dòng)員了起來(lái)?！鞍⒉_”計(jì)劃從1961年5月開始實(shí)施，到1972年12月完成第六次登月結(jié)束，歷時(shí)11年，耗資255億美元。

計(jì)劃實(shí)施的關(guān)鍵時(shí)期，參加工作的有2萬(wàn)家企業(yè)、200多所大學(xué)、80多個(gè)科研機(jī)構(gòu)，總?cè)藬?shù)超過30萬(wàn)人。在當(dāng)時(shí)，除了第二次世界大戰(zhàn)中的V-2工程和曼哈頓計(jì)劃，科學(xué)技術(shù)史上還沒有一項(xiàng)活動(dòng)能在如此短暫的時(shí)間內(nèi)，動(dòng)員如此巨大的人力物力財(cái)力，解決如此之多的技術(shù)難題。

“土星5號(hào)”

經(jīng)過一年多的激烈爭(zhēng)吵和論證，登月方案確定了：

運(yùn)載火箭先把載人飛船送入環(huán)繞地球飛行的停泊軌道，待地面測(cè)控站計(jì)算出飛向月球的最佳路線和最佳出發(fā)點(diǎn)后，再啟動(dòng)末級(jí)運(yùn)載火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)，把飛船推入過渡軌道，同時(shí)末級(jí)火箭與飛船分離。

進(jìn)入月球引力場(chǎng)后，飛船上的制動(dòng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，飛船減速后繞月飛行，成為月球衛(wèi)星，最后選好著陸點(diǎn)，從飛船上放出一只“渡船”，就像大輪船派出小艇一樣?！岸纱蓖瓿傻窃氯蝿?wù)，返回繞月軌道和飛船會(huì)合。

方案確定了，火箭的大小、發(fā)射場(chǎng)的規(guī)模、飛船的布局也就確定了。

從1960年5月到1962年7月，“阿波羅”飛船的主要結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化

“阿波羅”系列任務(wù)，最終在月球上留下了6臺(tái)登月艙下降級(jí)。

“阿波羅”號(hào)飛船要載人，所以火箭的推力必須夠大。“土星”系列火箭因此而誕生。“土星5號(hào)”是3級(jí)火箭，豎立起來(lái)高達(dá)110.6米，像一座35層的大廈;直徑10米，起飛重2930噸，工作零件200萬(wàn)個(gè)。

主持“土星5號(hào)”運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)制造工作的，就是V-2火箭的發(fā)明者布勞恩。“土星5號(hào)”被公認(rèn)為現(xiàn)代火箭技術(shù)的最高成就之一;最大、最強(qiáng)力的世界紀(jì)錄，它保持了50年。

第一級(jí)火箭長(zhǎng)42米，直徑10米，尾部直徑13米，還裝有4個(gè)穩(wěn)定尾翼，翼展約有18米。

5臺(tái)F-1巨型發(fā)動(dòng)機(jī)，一個(gè)位于中心，四個(gè)周圍環(huán)繞，以保證火箭在大氣層中飛行的朝向。F-1發(fā)動(dòng)機(jī)是人類歷史上最強(qiáng)大的單噴嘴液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，以煤油和液氧作為推進(jìn)劑。5個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)總推力為3400噸，差不多能抬起3000輛小轎車，而且能承受燃燒時(shí)的極端溫度。

兩個(gè)直徑為10米的鋁制貯箱，盛裝了80萬(wàn)升煤油，足夠噴氣式客機(jī)在上海和舊金山之間飛6個(gè)來(lái)回。這里的煤油，是高度提純的煤油，相比液氧，更不容易爆炸，且能提供每單位更多的推力。但是，對(duì)于“土星5號(hào)”來(lái)說，這點(diǎn)燃料只夠燒兩分半鐘。

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后，火箭從發(fā)射平臺(tái)飛行至距地球68公里處，速度高達(dá)9200公里每小時(shí)。所有燃料用光后，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，爆炸裝置炸開，讓第一級(jí)火箭和級(jí)間環(huán)斷開。第一級(jí)火箭會(huì)在發(fā)射地點(diǎn)至少500公里外落入大海。

第二級(jí)火箭長(zhǎng)25米，直徑同樣是10米，有5臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)，以液氫、液氧為推進(jìn)劑，總推力521噸。它會(huì)將飛船加速，使其進(jìn)入大氣層上層的175公里高空，速度達(dá)24600公里每小時(shí)，接近軌道速度。它會(huì)點(diǎn)火6分鐘，之后和末級(jí)火箭分離，落入地球，和發(fā)射地點(diǎn)至少相距4000公里。

第三級(jí)火箭只有一臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)，推力102噸。它的上部是儀器艙，高1米，直徑6.55米，里面裝有設(shè)備模塊。設(shè)備呈環(huán)狀排列，為火箭導(dǎo)航，里面包含計(jì)算機(jī)、控制設(shè)備、加速度計(jì)和陀螺儀。使用完成后，設(shè)備模塊將被立刻“拋棄”。

這一級(jí)火箭會(huì)被點(diǎn)火兩次。第一次是在第二級(jí)火箭分離后，點(diǎn)火2.75分鐘，將飛船送入地球軌道，速度達(dá)2.8萬(wàn)公里每小時(shí)。之后再進(jìn)行第二次點(diǎn)火，飛向月球，速度達(dá)3.9萬(wàn)公里每小時(shí)。

“阿波羅”號(hào)飛船

“阿波羅”號(hào)飛船像火車頭那么大，由指揮艙、服務(wù)艙、登月艙3部分組成。

指揮艙像一頂圓錐形的帽子，高3.2米，底部直徑3.1米，重約6噸，和一輛房車差不多。它既是整個(gè)飛船的指揮控制中心，又是航天員的生活和工作座艙。

指揮艙分前艙、航天員艙和后艙。前艙里放著穩(wěn)定減速傘、對(duì)接系統(tǒng)、主降落傘、俯仰推力器等設(shè)備。后艙中裝有10臺(tái)姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)、反應(yīng)控制燃料、制導(dǎo)導(dǎo)航系統(tǒng)等設(shè)備。

指揮艙中間的航天員艙，是操作室、食堂、寢室和廁所的“集合”;艙內(nèi)有3個(gè)座席，上方有各種儀器儀表，航天員無(wú)論坐著還是躺著，都能很方便地進(jìn)行操作。航天員艙是密封的，存有供航天員食用14天的食物、藥品，以及降落傘、折疊橡皮船等救生設(shè)備。飛行過程中，艙內(nèi)氣壓和室溫可以自動(dòng)調(diào)節(jié)。

指揮艙上端還有一枚緊急脫險(xiǎn)用的小火箭，叫“逃逸塔”，長(zhǎng)得也很像塔。圓筒形，直徑66厘米，下端是個(gè)喇叭形的保護(hù)外殼，底部直徑1.2米，全長(zhǎng)10米左右，重3.6噸。萬(wàn)一運(yùn)載火箭出現(xiàn)故障或發(fā)生事故，逃逸塔可以立即啟動(dòng)，拉出“阿波羅”號(hào)飛船，脫離火箭。

飛船的3個(gè)部分，只有指揮艙需要返回地球。重返大氣層時(shí)會(huì)產(chǎn)生高熱，兩三千度的高溫足以使其在空中解體。為了避免危險(xiǎn)，指揮艙外壁貼著一層厚達(dá)2～7厘米的環(huán)氧-酚醛樹脂燒蝕防熱層。它在強(qiáng)熱流的作用下會(huì)燒蝕掉，同時(shí)帶走大量的熱，降低艙體表面溫度，保證指揮艙安全歸來(lái)。

2019年4月11日，“阿波羅11號(hào)”的指令艙“哥倫比亞”號(hào)在西雅圖飛行博物館展出

飛船中間的服務(wù)艙是個(gè)大圓筒，直徑4米，高6.7米，重約25噸。艙內(nèi)裝有主發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)劑貯箱，以及增壓、姿態(tài)控制、電氣等系統(tǒng)。由電子計(jì)算機(jī)控制的主發(fā)動(dòng)機(jī)，產(chǎn)生9.75噸的推力。

服務(wù)艙的反應(yīng)控制系統(tǒng)，連接了4臺(tái)四向推力器，可以調(diào)整飛船的朝向。艙內(nèi)包含燃料和氧化劑罐，以及把推進(jìn)劑送入發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力罐。這里的燃料電池和化學(xué)電池，為指揮艙提供電力。

當(dāng)任務(wù)即將結(jié)束，飛船準(zhǔn)備進(jìn)入大氣層時(shí)，服務(wù)艙會(huì)與指揮艙分離;指揮艙回到地球，服務(wù)艙則在大氣層內(nèi)燃燒完畢。

登月艙在服務(wù)艙的后面，像只大甲蟲，分為下降級(jí)和上升級(jí)兩段。下降級(jí)長(zhǎng)著4條昆蟲式的“腿”，裝有推進(jìn)系統(tǒng)，用于考察月面的科學(xué)儀器、照相機(jī)、挖土機(jī)等等。下降級(jí)推進(jìn)系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力可在10%～60%之間變化，以便軟著陸。

當(dāng)?shù)窃氯蝿?wù)完成，下降級(jí)會(huì)和上升級(jí)分離，成為一個(gè)發(fā)射平臺(tái)?！鞍⒉_”系列任務(wù)，最終在月球上留下了6臺(tái)登月艙下降級(jí)。

上升級(jí)是登月艙的主體，由航天員艙、返回發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)劑貯箱等組成。返回發(fā)動(dòng)機(jī)可重復(fù)啟動(dòng)35次。姿態(tài)控制系統(tǒng)有16臺(tái)小推力發(fā)動(dòng)機(jī)。航天員艙可承載兩名航天員，含有導(dǎo)航、控制、通信、生命保障等設(shè)備。和指揮艙一樣，充有1/3個(gè)大氣壓的純氧，氣溫保持在20～24℃之間，氧氣、水、電保證持續(xù)供應(yīng)48～80個(gè)小時(shí)。

為了便于從月球降落和起飛，登月艙的每個(gè)部件都要“精打細(xì)算”。艙里沒有座椅和睡鋪，兩名航天員的活動(dòng)空間僅為4.5立方米，降落和起飛時(shí)只能站著操作，用輕便的索具維持身體平衡。登月艙在開始降落時(shí)有十幾噸重，其中大部分是推進(jìn)劑的重量;飛離月球時(shí)連下降級(jí)都留下了，“體重”就剩2噸左右了。

登月艙只能在真空中起降，它的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)不適合在大氣層內(nèi)飛行。

一系列的試驗(yàn)飛行結(jié)束后，“阿波羅11號(hào)”就成為把人類送往月球的第一艘“方舟”。阿姆斯特朗、柯林斯和奧爾德林成了“幸運(yùn)兒”，首次實(shí)現(xiàn)人類進(jìn)入“月宮”的夢(mèng)想。