週日. 9 月 22nd, 2019

亞洲新聞時間

專注亞洲新聞及提供實用資訊供參考,內容涵蓋金融投資、房產信息、,國際時事新聞、亞洲區域資訊。

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡

2 min read
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 75

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡

在這個小系列的前傳中我們知道,CSM的論證其實早就開始了,並且在1961年11月隨着「土星5號」確定了承包商。其構型為指令艙(Command Module,CM)與服務艙(Service Module,SM)的組合體。在原先的設計中,指令艙負責整個登月流程中的飛船導航、宇航員生命維持、飛船控制、再入大氣等等內容,而服務艙則負責整個登月流程中的能源提供、軌道機動、着陸以及大部分的通訊。在1962年確定了月球軌道交匯對接的登月流程之後,CSM也相對的進行了修改,不過指令艙修改得比較少,只是加了些與LEM對接有關的組件,並額外擔負了對接控制的任務;而服務艙就經過了大修以及瘦身,去掉了着陸功能,成為了今天的這個樣子。

那麼接下來就是無獎競猜環節——你認為一個人該以什麼樣的坐姿在裡面開飛船?

1、密閉指令艙內充滿了純氧;

1967年1月27日,隨着一陣火光一級濃煙,三名宇航員維吉爾·格里森(Virgil I. Grissom)、愛德華·懷特(Edward H. White)、羅傑·查菲(Rodger B. Chaffee)葬身火海。

從這張圖我們可以看到,隔熱大底實際上分成了兩個部分,一個是燒蝕層,另一個就是非燒蝕層。兩層之間有一層不銹鋼來加以隔離。再入過程中的燒蝕材料變化非常復雜,從左至右分別為汽化阻隔層、碳化層、破壞層、完好層。

在其中最吸引人的莫過於從服務艙外殼上伸出來的高增益S波段高增益定向天線。

在1966年1月20日,隨着最後一次逃逸測試——高空逃逸測試的成功,CSM即將安裝到土星-1B飛船上了。即將搭載於土星-1B首次任務——SA-201任務上的則是009號測試樣機,這台樣機從1963年開始組裝,一直到1965年才送往測試,期間更換了各種各樣的器件。在1965年10月,009號樣機通過出廠測試,送往卡角。它又在卡角接受了出廠驗收之後,送上了發射架。2月26日,在經歷了延期之後,SA-201帶着它送上了太空。

在1962年正式開工之後,北美航空公司便針對結構、熱防護以及輻射防護等核心問題展開設計,階段性的目標是製造一個模型。與LEM發生顯著區別的是,LEM實現了木質模型到實際模型一步步的轉變,而CSM一開始就要製造一個金屬模型。於是在1962年1月,幾乎與設計同步,模樣的製作也跟着展開,共有305名工人參與了這項工作,這些工人大部分負責成型、鑽孔、焊接這「加工三件套」的內容,還有一部分負責安裝一些特殊的定製組件。這些工人朋友一直干到了年底,總共做了2台全尺寸模型與6台測試樣機。這種效率的實現得益於每天的匯報工作,所有參與工作的成員都要向上一級領導匯報,直到核心的斯托姆斯四人組。這樣的制度即使是在外包公司上也得到了執行。

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 76
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 77
宇航員面對控制面板是這樣子的
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 78
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 79
指令艙次級系統的布局圖

相對於性狀特殊的指令艙,服務艙圓柱形的外表則可以很方便地安裝姿態控制發動機。這些姿態控制發動機有4組,每組有上下左右四個方向,因此有16台。基於CSM與LEM的設備通用性考慮,指令艙的發動機也由馬夸特公司提供。特別的,由於服務艙的各個扇區在安裝完推進劑貯箱後依舊有一定的空間,因此所有用於姿態控制的貯箱分布於扇區2、3、5、6中,且直接安裝在服務艙的外殼上。

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 80
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 81
模擬對接的目標十字線

我們再回到CSM的製造中。讀到這里的朋友們可能還記得1962年,北美航空一口氣造了兩台全尺寸樣機以及6台模型出來。模型很好理解,畢竟要吹風,也要靠這個模型來合理確定尺寸。但兩台樣機的進度也過快了。發生這種反常的進度過快的原因,則是北美航空公司覺得CSM需要進行全方位的測試,而此前上半年由於登月方式遲遲定不下來,將導致CSM在1963年-1964年的進度可能比較緊張。為了避免一步不到位,步步不到位的最壞情況發生,北美航空公司向NASA提出設計兩種構型,block I與block II。這兩種構型的唯一區別就是,I型是僅面向地球軌道飛行的構型,因此不帶對接系統;而block II則是正式應用於空間飛行的飛船。

Chariots For Apollo, ch12-5www.hq.nasa.gov圖標

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 82
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 83
第一張地球照片,可以看得到雲層以及陸地

指令艙的後部就是服務艙,它作為CSM中另一個組成部分,同樣發揮着重要作用。

在對問題進行了解決後,同年8月25日,SA-202搭載着一台新的CSM再度出發,這次的任務持續時長達到了90分鍾。主發動機啟動了4次,共計工作200秒。指令艙在100公里高度的軌道上再入大氣層,在威克島附近海域濺落,「大黃蜂號」航母將其回收,專家組對隔熱大底的燒蝕情況進行評估,認為其很好地完成了使命。

同時在服務艙的上頂面中,我們可以看到其表面有密密麻麻的線纜。這些線纜將匯集到指令艙的臍帶接口部位,從而保證指令艙能夠控制服務艙的主發動機、姿態控制系統、燃料電池以及通訊天線。這些連接線纜同樣將在飛船再入大氣層之前切斷。

逃逸塔這種東西就跟家裡准備的醫藥一樣,是那種「最好用不上」的東西。由於CSM是火箭發射時唯一有人的模塊,而底下則是裝載了數千噸燃料的巨大型竄天猴——一旦發射失利,要是跑不快,跑不遠的話,宇航員就真的「中道崩殂」了。為了驗證逃逸系統能不能正常運行,運行效果如何,CSM相對於LEM需要額外開展逃逸測試,包括了3種情況:

在1961年8月10日,比飛船系統甚至火箭系統的承包商確定來得都早,NASA就告知MITIL將負責飛航控制系統的研製。MITIL對此表示歡迎,表示「這個活(登月往返)比控制彈道導彈跟實現核潛艇環球航行要簡單多了」。德雷珀本人甚至在與NASA高層的會議中表示「如果可能的話,他還想作為宇航員親自坐上自己參與設計的飛船去月球。」可見MITIL的人們對此是有多麼地自信。

除此之外,服務艙的外周還有兩組通訊系統,一組為甚高頻(VHF),一組為S波段,與LEM的配置一致。VHF波段主要服務於航天器之間的通訊,以及天地語音通話,以及濺落後的應急通訊等;S波段則主要服務於天地之間的數據傳輸,包括但不限於電視信號、飛船實時數據上下行等。

Table of Contentshistory.nasa.gov

雖然燃料電池是「阿波羅」飛船的主要能量來源,但一旦指令艙與服務艙分離,這個時候的供電就需要指令艙自己解決了。指令艙有兩組電池,均為銀鋅電池。其中一組電池用於再入以及着陸後的電能供給,總電量為40安時;另一組電池用於引燃各種各樣的火工品,包括發射時逃逸塔分離,對接LEM時與S-IVB分離,指令艙/服務艙分離,以及彈出降落傘等,總電量為0.75安時。這些內置電池安裝在指令艙內部的靠近底下的裝置面板中,以最大限度防止宇航員誤操作。值得一提的是,指令艙內部的電線的布置與對接很大程度上由女性職工完成,可謂是「婦女能頂半邊天」的真實寫照。

← To be continued……

1、地面逃逸測試——模擬在發射架上火箭故障即將損毀時的逃逸狀況;

土星-1B將CSM送入了488公里的高空,此後服務艙主發動機工作了184秒,在停機了10秒之後,主發動機又工作了10秒,證明了發動機可以重復使用。此後,指令艙與服務艙分離,分別再入大氣層,完成了這持續了37分鍾的飛行測試任務。指令艙在濺落之後兩個半小時由海軍撈出。

服務艙的底部則安裝了一台火箭發動機,以及一個大號的隔熱底板以防止主發動機工作的時候讓內部的各種器件升溫過快。

此後到了1962年2月,感覺外援不夠的北美航空公司又找了洛克希德公司設計固體火箭發動機,不過是用在逃逸塔上頭的。3月份,馬夸特公司加入了姿態控制系統的設計中,阿羅傑特公司負責服務艙的主發動機製造,阿夫柯公司負責可燒蝕隔熱大底以及飛船的隔熱設施。4月份,西奧科爾公司也加入了逃逸塔的製造陣營中。

完全版的調查報告共計3000餘頁,將近20厘米厚。

跟着專家組們一起過來的是宇航員,作為系統的一員,宇航員們在CSM中的操作也是專家組需要考察的重要一環。在100多號專家進行了審慎評估後,專家組對其中70個指標給出了「通過」的意見,對其中12個指標給出了「尚待評估」的意見,對剩下的26個指標提出了「不通過」的意見。在這「不通過」的意見中,就包括了前面說的宇航員胳膊肘的問題。

但是即使這樣,任務還是需要完成。擦乾眼淚,美國人還是要向前看。

不是我吹,這種圖給我看,我能傻樂呵地看一整天還不帶厭倦的。但是這種畫法也很容易給人一個錯覺——那就是指令艙里頭的東西固然看起來多,但看上去地方也很大。

4、生命保障系統使用的冷卻液易燃,且管路較為脆弱;

而這樣緊張的修改工作一直持續到了11月。在為期3周的設計圖紙重新審查流程完畢後,專家組終於認為CSM有進展了——雖然僅僅是在設計上把設計缺陷給解決了,但至少已經在最終驗收的方向上邁進。

//本文多圖預警

在競得CSM的設計合同之後,北美航空公司便開始召集人手開展了各種各樣的准備工作。在1962年的前半年,CSM的製造團隊從7000人直接翻了倍,到了14000人。雖然有大量的人手在給進行AGM-28「大獵犬」巡航導彈等項目,但新招的員工大部分還是參與了CSM的設計製造工作中。

//本文多圖預警

調查很快展開,CM-012很快被轉移到34號工位,同時與CM-012同一批次的CM-014也火速從西海岸運到了東海岸、2月14日,初步的調查結果顯示,CM-012內部沒有發生爆炸,只是一場「單純的火災」;2月22日,1500名成員參與事故調查,其中600人來自政府,900人來自工廠與高校。經過了1個月的仔細研究後,事故調查結果在4月5日出爐,調查報告指出,是以下這些條件引發了悲劇:

所有的條件都具備了,從地球到月球的演練也進行完畢了。箭在弦上,目標月球。

發射時產生的熱問題實際上並不大,因為阿波羅飛船的前端有一個逃逸塔,而這個逃逸塔自帶一個整流罩,所以直接把這個皮球踢給做逃逸塔的人就行了。

而在指令艙的核心筒內,則布置了大大小小各種各樣的東西,包括但不限於能源系統、導航系統、控制系統、通訊系統、生命保障系統、備件備品等等。在這些系統裡面則又包含着林林總總的小模塊,以及這些模塊對應的開關。相比於「土星五號」運載火箭依靠大塊大塊的組合件而言,「阿波羅飛船」200多萬個零件要組合成一個高可靠的整體系統,屬實不易。這些部件首先則是按照「界面控制文檔」進行內部的分塊。而這內部的分塊看上去也足夠讓人窒息了。

//本文多圖預警,重要的事情說三遍

阿波羅飛船指令艙總質量大約為6噸,隔熱層就占據了大約1/4的質量,可見隔熱這一部分是多麼地重要。畢竟飛船從月球軌道返回地球,在如此的高速以及高溫下,也唯有加強隔熱防護才能保證宇航員能平安回家。

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 84
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 85
隔熱大底的材料結構圖
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 86
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 87
專家組們在樣機上下爬進爬出進行檢查
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 88
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 89
出艙的是拉塞爾·史維考特

這個結果讓所有人都如墜冰窟。CSM II型的評估結果比I型還不如,這意味着需要在更多的地方進行修改,然而時間不等人。不過就算是這樣,由於部分樣機的測試不需要安裝上全部的設備,因此逃逸測試工作還在有條不紊地進行着。12月份,最大動態壓力逃逸測試的成功大概算是1964年CSM唯一的慰藉了吧。

11月9日,搭載着「阿波羅4號」(CM-017)的「土星五號」成功完成了第一次測試飛行。

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 90
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 91
各個部位的隔熱層厚度(除隔熱大底外)
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 92
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 93
服務的外觀以及內部分區

NASA對此表示贊同,並指出,CSM II型的進度將取決於CSM I型的設計進度,若是I型飛船不能確定下來的話就會有比較大的影響。同時,CSM I型上的一些測試成果有助於II型的進一步改進。

6、外部救援力量因為一些阻礙難以企及。

面對這些不同的溫度狀況,自然需要不同的應對辦法。

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 94
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 95
內部細致結構2(右手部分以及正面部分)
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 96
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 97
技師們正在向蜂窩狀的骨架中充填隔熱材料
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 98
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 99
內部主要結構2(右手部分以及正面部分)

而一開始不科學的椅子設計也導致了3名宇航員全副武裝躺在座椅上的時候,胳膊肘會頂到旁邊的宇航員,造成操作不便。這樣的問題在1964年就由參與測試的宇航員報告,而直到1968年「阿波羅7號」發射的時候,3名宇航員依舊得互相擠着。

CSM的主發動機由阿羅傑特公司製造,這台火箭發動機的高度幾乎占據了服務艙總尺寸的一半,將在真空中產生18.6噸的推力,是「阿波羅」飛船泊入月球軌道、返回地面的核心動力來源。由於採用了自燃燃料以及氣體加壓系統,這個發動機的結構相對很簡單,不需要點火裝置,也不需要渦輪泵,不過與LEM的上面級一樣,CSM的主發動機同樣是定推力的。這個主發動機具備了矢量推力功能,分別由兩個方向控制器進行操控,分別對應了上下/左右兩組擺動方向,這個方向控制器看起來類似一個方盒子,內部有兩套互為備份的電磁閥,一旦電磁閥打開,就驅動內部的氣壓機構動作,從而在一定范圍內調節發動機的擺動角度。

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 100
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 101
阿夫柯公司的工人們正在安裝中部隔熱層
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 102
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 103
經典之作

載人登月的整個流程,即從火箭發射到最終指令艙濺落,共需要8-12天,具體時長需要視任務情況而定。比如「阿波羅11號」首次登月,總任務時長為195小時,而「阿波羅17號」最後一次登月,總任務時長達到了可怕的301小時。但其中登月艙(Lunar Excursion Module,LM/LEM)的使用僅有1-3天,而且航天員可以根據LEM的實際運行情況選擇是否終止任務返回指令/服務艙(Command&Service Module,CSM)。但CSM則是宇航員在登月任務中的唯一依靠,稍有不慎就會引發嚴重後果。舉世聞名的「阿波羅13號」就因為CSM出了大問題而導致任務不得不提前終止,且宇航員差點在地球外頭光榮了。

在進入了航天時代之後,早在「水星」計劃之前,北美航空公司與通用電氣公司一道,被空軍選為載人航天計劃的供貨商。然而最後載人航天計劃花落NASA,北美航空也只能乖乖投標,豈料在「水星」飛船的競爭中又輸給了麥克唐納,搞得當時北美航空公司一度打算放棄治療,再也不去競爭NASA的大項目了。但這個時候斯托姆斯與波普站了出來,堅持要參加阿波羅計劃。後來我們都知道,北美航空的競標成功了,可見魄力也是很重要的。順帶一提的是,設計了F-1與J-2發動機的洛克達因公司,也是北美航空的子公司。可以想見,在阿波羅計劃中,北美航空公司的觸角伸得有多遠。

CSM的設計與製造、測試以及宇航員的訓練工作依舊在一步步進行着。

而1964年春天,對於北美航空而言不太好過。一方面是專家組鐵面無私的診斷報告,另一方面則是不斷吃胖的CSM。沒錯,與LEM一樣,CSM也不得不挨一記銼刀,來給自己減減肥。因此II型的進度顯得尤為吃緊——專家組不通過的地方要整改,CSM的整體重量得下調,還有更重要的就是,冗餘設計也要保障。北美航空的減重團隊不得不從不必要的指令艙隔熱層以及服務艙整體質量上面想辦法。

在太空飛行時的熱控制是一個比較重要的問題。產生這樣冷熱不均的原因就是光照,有陽光的地方溫度就很高,沒陽光的地方溫度就很低。雖然阿波羅飛船有「燒烤模式」,就是自身發生緩慢滾轉,使陽光在一定時間內均勻照射至飛船表面,但誰也不希望成為烤箱裡的鴨子。這層用於保證空間飛行時艙內溫度穩定在合適范圍內的隔熱層主要由尼龍與玻璃纖維組成,在核心筒外圍貼一圈就行了。

3、高空逃逸測試——模擬火箭在高空發生故障無法入軌時的逃逸狀況。

時間到了1963年。北美航空公司的工程師們就飛行過程展開了多次推演,他們認為在一到二周的飛行過程中,宇航員需要自己動手維修一些設備。但是NASA怎麼可能會同意這種要求呢?宇航員已經很辛苦了,修飛船是不可能修的,得靠工程師把可靠性提上去。並要求CSM上務必需要設置冗餘系統,以應對可能存在的風險。

一個好漢三個幫,斯托姆斯身邊也有不少人。約翰·波普(John Paup)是北美航空阿波羅計劃項目的總經理,他選擇了諾曼·雷克爾(Norman J. Ryker)作為阿波羅計劃首席設計師。雷克爾也是10年的老員工了,他在設計「納瓦霍」超音速巡航導彈上做了很大貢獻,此後也幫助北美航空競標「游騎兵」與「勘測者」月球探測器,雖然最後都以失敗告終,但這並不能掩蓋他在設計領域的卓越建樹。而查爾斯·菲爾茲(Charles H. Feltz)則是團隊的製造經理,21年的從業生涯讓他在航空領域積累了大量經驗。

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 104
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 105
分區分解圖
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 106
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 107
燃料電池的組成

NASA也對CSM II型的問題心知肚明,於是也組織了團隊前往北美航空公司協助研究,兩支團隊馬不停蹄的從圖紙到實際一步步開始鑽研。他們在指令艙中給月壤樣本的儲罐找地方,對CSM與LEM之間的連接隧道進行了仔細的檢查,重新審視了對接系統,參與了隔熱層與服務艙的減重工作,還給服務艙騰出了一個空的扇區好裝一些科研儀器。

然而這樣子的平衡工作實在是不易,MSC的先進飛船技術部主任約翰遜(Caldwell. C. Johnson)在1965年8月即指出,CSM減重的工作是唯一的難點。CSM又要減重又要保持各種裝置的穩定工作,這樣的操作屬實棘手。因此各種各樣的延期就成為不可避免的事情。6月份,在得知CSM I型004-007號測試機需要延期3-6周出廠,CSM II型重構的4000餘份圖紙僅僅完成了526份的時候,謝伊認為CSM的進度已經幾乎處於失控的狀態了。在6月份的時候,他這樣子吐槽:「這個CSM的問題解決了一個,又引入了另一個。」看來不僅僅是火箭發動機,火箭主體,阿波羅計劃的所有部分都遇到了大麻煩。迫不得已,謝伊在隨後一段時間內表示,CSM沒必要改的地方就不要改了,不改可能還行,一改可能就又出事。

CSM相比於LEM的難點在於高度復雜的內部結構,這也是由CSM的重要性所決定的,而尤以指令艙為甚。多家公司為指令艙生產不同的組件,這些組件都匯集在這麼一個狹小錐形空間內。這也意味着,各個組件的相互關系將是「牽一發而動全身」的事情。為了不讓管理出現混亂,一個「界面控制文檔」便得到了應用。一旦有承包商,比如MIT提出要求想給飛航系統分一點內部空間,北美航空公司就會提出響應以確定這個模塊可不可以安裝,安裝在哪裡比較合適。這個時候管理學就顯示出其巨大價值——不僅是工業技術上的管理,各個承包商的進度管理也是很重要的,MSC為此特別設置了管理辦公室,有45名工作人員負責推進載人飛船的研製進度。這項史無前例巨大工程的管理經驗一直到今天都還是各個企業、高校與科研團體研究的重要內容。

S波段信號將與NASA構建的地面跟蹤系統進行天地通訊,林林總總的地面站以及測控船遍布全世界,而其中最重要的部分則是位於美國加州的金石測控站,位於西班牙的馬德里測控站,以及位於澳大利亞的堪培拉測控站。這些測控站之間的經度差約為120°,裝備的26米直徑天線可以保證實現地月全天候無死角通訊。

而指令艙內部別的部分,我們將在接下去的文章中分別進行介紹(挖坑不填預定)。

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 108
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 109
發生火災的CM-012

那麼自然地,高空逃逸測試也在這里進行。

指令艙所有的隔熱材料均充填在一個蜂窩狀的骨架中,這種設計方法很好地兼顧了隔熱需求、外尺寸厚度以及重量需求,唯一的不足就是蜂窩的數量何其多,需要專業人員花數個小時才能填充完畢。在「土星五號」運載火箭上,這樣的隔熱措施也得到了使用。直到今天,宇宙飛船也好,航天飛機也好,深空探測器也好,這些航天器隔熱層都是這麼設計的。(你也要用半個世紀?)

而再入返回則是一個大頭,地球上能扛得住2700+℃高溫的材料屬實不多。反正材料扛不住,那我們就索性讓這些材料燒掉。我們都知道,一種物質在汽化的時候會吸收掉大量的熱量,如果選取合適的材料作為燒蝕層,就可以硬扛過去。

當然這些分塊是獨立的面板,因為裡面有非常多種多樣的部件。以及其配套的線纜、電氣組件之類。在CSM中,宇航員需要吃喝拉撒,誰也不希望自己在上廁所的時候把飛船系統給整短路了。因此這些面板除了起到了分區的作用之外,更重要的作用是保護內部的電氣組件,以及配套的各種小配件。因此當我們把外面的面板去掉之後,畫風是這樣的——

經過修改後的CSM II型原定在8月份接受專家組們的審查,但因為各種咕咕咕的原因,130人的專家團隊直到9月29日才再次光臨。專家組們對106個指標再次進行了考察,結果67個指標通過,23個指標尚待評估,不通過的指標達到了16個。

在服務艙的頂端則有一個放射狀的承接機構,這6根寬度約為5厘米的鋁合金支撐柱將牢牢地托住指令艙,同時其表面又有圓盤狀的壓縮墊以幫助指令艙的隔熱大底抵禦發射與飛行時的震動。且可以保證在再入大氣層之前,指令艙與服務艙分離時,服務艙不會有構件破壞隔熱大底表面,導致事故的發生。

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 110
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 111
內部細致結構1(左手部分以及背面部分)

服務艙的直徑與指令艙的底部直徑一致,均為4米,但全高則達到了7.3米,全重則為25噸,其中結構質量約5噸。內部分為了6個扇區,同樣具有一個核心筒。其中扇區1與4的張角為50°,扇區3與6的張角為60°,扇區2與5的張角為70°。這樣不規則設計的很大一部分原因是燃料貯箱的尺寸以及配件所決定的。

但就算是這些飛船上的裝置的確定,也經歷了一個比較曲折的過程。

1968年12月21日,隨着土星五號(SA-503)將弗蘭克·博爾曼(Frank F Borman)、吉姆·洛威爾(James ‘Jim’ Arthur Lovell)、威廉·安德森(William Alison Anders)送到了月球軌道。美國人在這場曠日持久的航天競賽中,首次實現了超過蘇聯人。在月球軌道的時候時值聖誕節,全美國的所有人都見證了這一時刻——一輪藍色的星球,從月球的地平線上緩緩升起。這一刻載入史冊。

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 112
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 113
「獵戶座」飛船的高空逃逸測試,如同KSP生涯模式中捏的第一個載具

也許是在上一章以及上上一章黑北美航空公司有點太過了,在這里正式開講CSM之前,講講這家公司的一些事情,順便吹一波。在前傳中我們講到,北美航空跟NASA一直走得都很近。北美航空公司的產品線非常豐富,也不乏各種大名鼎鼎的劃時代產物,除了在之前介紹的之外,二戰期間的產品包括中國人民的老朋友,反法西斯事業的見證者,活塞式發動機戰斗機的典範P-51野馬戰斗機;以及日本人民的老朋友,+20轟炸的彩皮,陸基轟炸機當海基使的B-25轟炸機等等;在60年代還有X-70B「女武神」轟炸機這種劃時代神作,其優異的航空事業履歷自然讓人難以忘懷。而帶領北美航空公司走向成熟的代表,正是我們在「合金之軀」一章中,因為S-II出了大問題而哭鼻子的斯托姆斯先生(Harrison A. Storms),他除了是太空信息中心(S&ID)的主任以外,還有一個職位,就是北美航空公司的副總裁,S&ID只是北美航空公司的一個分部門罷了。

於是波普召集了人手確定I型飛船與II型飛船存在的共同點,並希望能夠盡快落實一些比較容易確定的部分。在這段時間中,波普團隊主要確定了逃逸塔以及降落方式的問題。這兩個部分一旦確定,就能盡早開展應急逃逸與濺落實驗。

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 114
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 115
從左至右分別為斯托姆斯、波普、菲爾茲(照片攝於取得了CSM的訂單之後)

正如格魯曼公司製造LEM一般,北美航空公司也不可能對CSM的方方面面都能實現兼顧。於是在簽訂合同之後沒過多久,北美航空公司也委託了其他公司參與部分裝置的設計製造工作。柯林斯無線電公司負責通訊系統,蓋瑞特·艾雷賽奇公司負責環境控制,霍尼韋爾公司負責姿態及穩定控制,諾斯羅普公司負責降落傘以及着陸附件。

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 116
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 117
正在量產的隔熱大底
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 118
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 119
指令艙的結構圖
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 120
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 121
你看人家小喬多萌
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 122
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 123
CSM的主發動機結構
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 124
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 125
指令艙-服務艙之間的線纜通過臍帶接口連接
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 126
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 127
可以看到逃逸塔自帶了一個隔熱罩,這個隔熱罩也有整流作用

到了1964年3月,MSC與北美航空達成了CSM I型設計的共識,北美航空公司也很快拿出了一個樣機。與LEM的套路一樣,一個專家小組很快在4月底就來到了唐尼市的組裝中心內。他們對CSM的走線、子系統的布置與對應的剖面示意圖、降落傘的包裝、以及電氣元件進行了非常細致的檢查。

算了,這就給你個答案吧。當我們把座椅放下去的時候,我們會發現——

而就算是布局成這副樣子,參加過「水星計劃」的宇航員還是紛紛落淚,表示「唉呀媽呀這阿波羅飛船的地方真是大。」,可想而知早期的「水星飛船」的空間得有多小,看來「水星七子」吐槽「水星飛船就是穿在身上的」這句話也並不夸張。

1968年4月4日,「阿波羅6號」成功發射,完成了最大高度22200千米的亞軌道飛行,服務艙的發動機工作了約442秒,模擬了月球任務的工作時長。再入大氣層的速度達到了10km/s,僅僅比設想的要低1.2km/s。

嗯?這個逃逸塔這麼大動干戈的嗎?

2、大量易燃材料的使用;

這個S波段高增益定向天線是由4個直徑約78厘米的拋物面天線,以及1個大小約為28厘米*28厘米的寬波束天線組成的,並且可以根據飛行需求自動/手動切換寬波束/中波束/窄波束工作模式。

燃料電池作為整個飛行過程中飛船的主能源提供者,是宇航員的命根子。在「阿波羅13號」飛行任務中,由於服務艙的燃料電池發生爆炸,導致了飛船能源不足,宇航員因此不得不極度節約用電,在又冷又暗的環境中挨了近一周才回家。

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 128
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 129
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 130
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 131
白沙導彈靶場以其白色的沙灘而得名

下周二,7月16日,是「阿波羅11號」乘員組出發50周年紀念日。

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 132
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 133
無關性別,無關膚色,無關年齡,人人出力
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 134
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 135
親愛的觀眾朋友,你猜對了嗎?
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 136
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 137
阿波羅計劃的測控網絡

3、承載電流的線纜質量不佳;

「小喬2號」的工作就是把「阿波羅」飛船送到61公里的高空中,再啟動逃逸塔。而前不久開展的「獵戶座」飛船逃逸系統的高空測試中,也有一個這麼萌萌噠的火箭將飛船送到高空再進行測試,它大約是「小喬2號」的精神傳人「小喬3號」吧。

但善後的事宜還是要繼續。這場事故給整個阿波羅計劃蒙上了一層陰影,所有人的工作重心都放在了事故調查以及解決方案上。MSC針對艙內的易燃材料進行了更換工作:它要求全國3000家實驗室開展新材料選擇工作,最後從500種材料中選擇了特氟龍、玻璃鋼等材料來替換易燃的尼龍;航天器中再也不灌注純氧,以比較安全的混合空氣取而代之;雙層艙門的設計改成了單層,為宇航員逃生提供方便;涉及艙內線纜管道的材質全部被重新審查,有問題就更換……原先計劃的1968年底前登月的目標顯然是完不成了。

這些逃逸測試中,第二種情形是最為重要的,因為它兼顧了低空以及低速的狀況,對逃逸塔啟動時機以及逃逸距離都是不小的考驗。逃逸測試的要求早在1961年中旬即得到提出,在1962年春天選定白沙導彈靶場作為逃逸測試的場地。這個白沙導彈靶場是美國知名的火箭發射場,論資排輩算下來,卡納維拉爾角得叫他一聲哥,因為美國人第一次火箭發射就是在這里進行的,雖然用的是德國造V-2;而世界上第一張從太空中拍攝到的地球照片,也是由從白沙發射的探空火箭完成,當然,用的也是德國造V-2。

1969年3月3日,「阿波羅9號」搭載在土星五號(SA-504)上發射。宇航員詹姆斯·麥可迪維特(James McDivitt)、大衛·斯科特(David Scott)、拉塞爾·史維考特(Russell Schweickart)在近地軌道上實現了CSM與LEM的正式對接,同時開展了出艙活動,測試了登月服的生命保障系統。

Reference:


德雷珀老爺子與他主持研製的阿波羅飛船飛航控制系統模型

一個燃料電池內部有31個反應室,使氫氧混合物在其中反應生成水,下部的大號鋁合金盒子裡頭就裝着反應室、氫貯箱、氧貯箱。一個燃料電池裡頭能裝下145千克的液氧以及12.7千克的液氫。而每0.35千克的氫氧混合燃料就能產生1千瓦時的電,可見「阿波羅」飛船的電能供給相對而言還算寬裕。

CSM News Referencehistory.nasa.gov

雖然第一次飛行成功了,但它暴露了很多問題:1、主發動機在工作80秒後推力驟降30%;2、再入大氣層後,飛船由於控制問題發生了滾轉;3、有一些飛行器件由於短路發生了故障。

雖然分包了各種各樣的任務,但北美航空公司還是兢兢業業地完成CSM,特別是指令艙的生產任務。在前傳中我們知道1962年上半年登月方式還沒確定,不過這並不能改變CSM的進度——在這段稍顯空閒的日子裡,北美航空公司的工程師們從大本營唐尼市飛赴Ames研究中心,利用里頭的大號風洞給CSM的模型吹吹風。除此之外,由於Ames研究中心負責宇航員部分,包括了訓練宇航員,地面測試包括宇航服、束縛帶等配件,確定工作安排表,模擬隔離環境等等內容,因此也需要與北美航空開展深度的交流合作,充分發揮各自領域的優勢,將宇航員與載人飛船有機結合起來,促進載人登月任務的順利進行。

1968年10月11日,在事故一年半之後,「阿波羅7號」帶着3名宇航員踏上了新征程。宇航員瓦爾特·施艾拉(Walter Schirra)、唐·埃斯利(Donn F. Eisele)、瓦爾特·科寧漢姆(Walter Cunningham)承載着美國人的希望,進入了飛船。雖然乘坐的載具為土星-1B運載火箭(SA-205),但宇航員們還是完成了模擬對接的任務,並開始了第一次電視直播。雖然在天上有一些不愉快的事情發生(施艾拉感冒了,所有宇航員對持續11天的失重略感不適應),但任務還是成功完成。

再後來就是本系列文章夢開始的地方了——「阿波羅10號」。1969年5月18日,宇航員托馬斯·斯坦福(Thomas Stafford)、約翰·楊(John Young)、尤金·塞爾南(Eugene Cernan)踏上了奔月的道路,在持續了192小時的任務中,他們完成了登月前的彩排。

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 138
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 139
正在吊裝的錐形鋁合金外殼

5、乘員因為一些阻礙無法順利逃生;

有風洞的單位不止Ames一家。蘭利研究中心有一個4.8米直徑的跨聲速風洞,它被安排用來測試CSM上的姿態控制系統以及逃逸塔系統,同時其產生的高速氣流也可以與測試樣機摩擦產生高溫,因此也被用來分析飛船的熱傳導與熱負荷。愛德華空軍基地還有個風洞,這個風洞則用來測試指令艙的降落傘。

在這些次級裝備以及中部的隔熱層准備完畢後,就可以把指令艙的錐形鋁合金殼給安排上了。

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 140
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 141
內部主要結構1(左手部分以及背面部分)

飛船的熱防護是航天器設計的一個重要組成部分。一般的,載人飛船將會在3種不同的情形下面對不同的溫度:1、飛船發射時,會與大氣摩擦產生約600℃的溫度;2、在太空飛行狀況下,飛船會面對冷至-200℃左右,熱至200℃左右的宇宙空間溫度;3、再入返回時,飛船高速再入產生的激波將會導致飛船周邊溫度達到約2700℃的極端溫度,這也是最為凶險的狀況。

我們不見不散。

從1958年到1969年,「阿波羅」飛船的任務自NASA建立開始就貫穿期間。11年的篳路藍縷,11年的堅持奮斗。在這期間有成果,有失敗,甚至還有生命的代價。但人類的冒險精神是不會泯滅的,人類克服困難的恆心是不會泯滅的。

SA-203任務比SA-202要早,因為SA-203不攜帶飛船,只是用來觀察S-IVB在失重狀態下的再啟動。因此在1967年舉行的SA-204任務接在了SA-202後面。

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 142
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 143
SA-201任務

與LEM相同,CSM的主動力來源也是由混肼50/四氧化二氮所組成的「毒發」體系,且由於四氧化二氮的密度略高於混肼50,因此氧化劑貯箱要比還原劑貯箱要小一點。同樣由於配平的需要,四個液體貯箱分別兩兩對置,安裝在了扇區2與5(燃料貯箱)以及扇區3與6(氧化劑貯箱)內,且均由鈦合金製成。4號扇區則裝載了3組氫-氧燃料電池,由普惠公司出品。1號扇區什麼也沒裝,作為備用組件區域;若是沒有新的裝置安裝的話,在發射前,1號扇區將裝上壓艙物以配平。中央的核心筒安裝有氦氣罐,用來給推進劑加壓。

在6月,載人飛行中心(MSC)跟北美航空公司的工程師們一起在MIT開了個會,主要內容為宇航員如何操作這套系統。會議中的討論包括了宇航員如何利用六分儀來實現對飛航系統的控制。過了沒多久,這些MIT的專家就被邀請去休斯頓穿上宇航服來試運行。這些專家去沒去不知道,但至少後來這個系統變得更適於宇航員操作了。

細心的人可以注意到,核心筒到外殼還有一部分空間。這部分空間裝載了指令艙的姿態控制系統、水箱與廢物箱、以及氦氣罐、臍帶接口等附件。

從外觀上看,指令艙是一個圓錐形,其底部直徑為4米,高3.2米。但如果我們將其進行分解,則會發現它是分具有不同的分層。內部的核心組件並不是一個完全的圓錐形,而是一個類似梯台的金屬核心筒。外部的圓錐形結構是其隔熱層,包括了前端(頂端)隔熱,中部隔熱,後端(底部)隔熱三個隔熱區。

飛航控制系統也是CSM的一個重要內容。不同於人們的想象以及科普書上的插圖,地球與月球之間的距離還是比較遠的。做個簡單的實驗就可以展示這樣的距離:如果我們把一個高爾夫球看做月球,把一個16厘米直徑地球儀看做地球的話,這二者之間的距離則是4.8米。若是導航系統出了岔子,那宇航員就可能很難回家了。借着上世紀50年代計算機技術發展的東風,電子計算機應用於科學研究、工程技術以及商業領域。自然的,NASA也打算用它來設計地月轉移的軌道。麻省理工學院儀器實驗室(MIT’s Instrumentation Laboratory,MITIL)出了一個計算機科學領域的大佬,也是實驗室的主任查爾斯·斯塔克·德雷珀。他長期致力於慣性導航系統以及自動飛行系統的研究,被稱為「慣性導航之父」,前一段時間還成功幫軍方搞定了「北極星」洲際導彈的一部分問題,選他再合適不過了。順帶一提,以他的名字命名的查爾斯·斯塔克·德雷珀獎也是美國工程界的最高獎項之一,自1989年設立以來的獲獎者也是十分知名,包括光纖發明者高錕,萬維網發明者蒂姆·博納斯·李,卡爾曼濾波的提出者魯道夫·卡爾曼等。

時間到了1965年,在1月15日,菲利普將軍召開了會議,要求評估CSM的進度,並且設立各種時間節點,希望能夠把CSM的研究進度撥回到正常軌道上來。

一開始CSM的姿態控制發動機都由馬夸特公司提供,但後續的測試工作表明,常規方法布局的姿態發動機很快就會在再入大氣層的時候燒毀。為了防止燒毀的發動機對CSM產生不利影響,NASA在1962年8月要求北美航空將馬夸特公司的發動機安裝在服務艙上,反正再入之前服務艙都要被扔掉。而指令艙上的發動機要求參考「雙子星」飛船上將要使用的那種可燒蝕發動機,於是指令艙上的姿態控制發動機就由洛克達因公司提供(恭喜洛克達因公司實現發動機全滿貫)。比起LEM以及服務艙的那種外置發動機,指令艙的發動機做成了半埋的樣子,就漏出個噴嘴,這個噴嘴還是使用的可燒蝕材料。由於指令艙的姿態控制要求相對次要,因此指令艙的姿態控制發動機只需要實現3000次啟動,累計工作200秒即可。燃料依舊使用的是混肼50/四氧化二氮體系。姿態控制發動機按照飛船的6個方向分別進行了對稱布置,且又准備了一套系統實現互為備份,這樣就有12台發動機,4個推進劑貯箱以及4個配套的氦氣加壓儲罐。推進劑貯箱由貝爾航空航天公司製造,氦氣罐由米納斯克公司製造,它們都使用了鈦合金材質。

飛船設計緊張進行,配套的設施也要上馬。在同時期建造的第一個新建築則是一個46米高的鞦韆,底下挖了個大水池,坐在鞦韆上的則是准備測試的指令艙——這是用來進行指令艙的濺落測試,好檢測其能耐受的最大沖擊。要是最終濺落的時候給宇航員磕着碰着,或者是讓整體的結構發生變形損壞的話,那整個項目也都白瞎了。

到了5月,隨着對接任務的提出,北美航空公司的工程師們需要研究對接系統。對接的方式包括了首選的「軟對接」(一步步接近目標飛行器,以便在途中進行修正);備用的「硬對接」(跨過中間的層次遞進對接步驟,直接對接);以及緊急狀況下的「出艙」。

不過自信歸自信,這些MIT的學者們還得把東西做出來,是騾子是馬還需要遛遛。1962年初,飛航控制系統的重要組件——陀螺儀與加速度計的進展很大(畢竟有「北極星」導彈打底),而計算機系統則進展相對緩慢。於是NASA指派了一些公司協助MIT開展飛航系統產品的研發製造工作,其中,通用汽車公司負責生產慣性平台,雷聲公司負責生產計算機,柯爾斯曼儀表公司負責生產光學系統,在5月份這些安排都妥當了。

要想進行高空逃逸測試,就需要用一台火箭將它送上高空(這不是廢話麼),當然這個火箭不需要太大,又不需要入軌。眾所周知入軌的速度增量大頭來自於橫向的加速,如果只需要克服地心引力的話,那就很簡單了。於是在1962年5月,NASA指定了康維爾公司來設計這麼一個逃逸測試專用火箭,定名為「小喬2號」,別想多了,人家的英文名字就叫Little Joe II。而小喬1號則正是用來測試「水星」飛船逃逸系統的火箭。介於「水星」與「阿波羅」的「雙子星」飛船沒有逃逸塔,人家把宇航員彈射出去。


指令艙的濺落測試

位於堪培拉的一個26米天線

2、最大動態壓力測試——模擬火箭剛離架時即發生偏航時的逃逸狀況;

The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 144
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 145
服務艙的上頂面
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 146
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 147
阿波羅飛船的核心筒
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 148
The first step on the moon——飘上月球,不朽之船:地月摆渡 149
月球軌道的對接

© 2019, 亞洲新聞時間. All rights reserved.

亞洲新聞時間 | 專注亞洲新聞及提供實用資訊供參考,內容涵蓋金融投資、房產信息、國際時事新聞、亞洲區域資訊。 | Newsphere by AF themes.