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飄上月球的不朽之船前傳

雷鋒空島 2019-07-12 11:41:05


本文來自微信公眾號:haibaraemily_planets(ID:haibaraemily_planets),作者:天才琪露諾,編輯:haibaraemily,頭圖來自:東方IC


上回說到,土星五號SA-501飛行測試的圓滿成功讓火箭工程師們松了口氣,畢竟火箭這種東西就是一錘子買賣,在時長8-9天的登月任務中,火箭部分滿打滿算不會超過8個小時。之后隨著S-IVB關機,指令/服務艙(Command&Service Module,CSM)將登月艙(Lunar Excursion Module,LM/LEM)從整流罩內緩緩抽出之后,火箭工程師們就能開香檳慶祝了。


而苦逼的飛船工程師們卻不得不緊張兮兮地等到任務結束,帶著降落傘的返回艙濺落在海面上,潛水員把宇航員們跟海豹一樣從艙中拖出來的時候,才能在任務中心點燃一根雪茄。


別看這一級二級三級讓無數工程師們掉光了頭發,它們都會在火箭發射后的幾個小時里依次扔掉的,最終飛向月球的阿波羅飛船,其實只有一點點大


土星五號的大小和結構。來源:National Air and Space Museum和NASA,改編:haibaraemily


從這集開始,我們將介紹登月的真正主角——阿波羅飛船部分。這里再多說一句,我們在定義阿波羅計劃的火箭部分與飛船部分時,往往以S-IVB上部的裙環為界限,下面是火箭,上面是飛船。


正在吊運中的阿波羅6號飛船部分。來源:NASA


不過,別看這部分相比于整個土星五號只有一點點大,但事實上這個組合體的高度已經逼近紅石火箭-水星飛船組合體了,而后者開啟了美國的載人航天時代。

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一、載人登月項目緣起


雖然在1961年第一個進入太空的美國人艾倫·謝潑德沒能入軌,甚至被赫魯曉夫揶揄為“跳蚤的一躍”,但時過境遷,僅僅8年之后,美國人就實現了載人登月,不得不說是十分夢幻的歷程。如果讓筆者選擇一個年代穿越的話,我大概會選擇穿越到上世紀60年代的美國,去親眼見證他們在航天事業上的奇跡。(蒙醬按:而且還能懷有一種“下一個十年我們準能登陸火星”的美好幻想)


和其他航天計劃一樣,美國的載人登月項目也可以追溯到一個比較早的時期,甚至可以直接追溯到1958年NASA正式開業的時候。當時馮·布勞恩(已經是我們系列文章的老朋友了)以及他的兩個助手海因茨·赫爾曼·科勒(Heinz-Hermann Koelle)和恩斯特·施圖林格(Ernst Stuhlinger)直接參與了項目工作。


這兩位助手是跟著馮·布勞恩一起被從德國拐來的,棄暗投明之后在美國航天界也是大顯身手,前一位直接參與了土星一號火箭的設計,而后一位比起他在航天上的非凡成就,更讓他出名的則是他給贊比亞修女瑪麗·尤肯達寫了封信,這封信已經成為了回擊“航天無用,不如拿來搞民生”的范本。


正是這三個德國人提出要探索太陽系,今后還要實現載人太陽系內的探索。而要想實現載人太陽系的探索,就要先實現載人登月。


在次年(1959年)的《未來10年航天發展》(The Next Ten Years in Space)報告中可以看到,NASA原本是把繞月飛行作為“水星計劃”在未來十年發展的最終目標的,然而即使是這樣都很多人覺得不太現實,因為有太多太多的問題需要解決了。不過最后這份報告還是通過表決,送到了時任總統艾森豪威爾的辦公桌上。


這份報告一口氣提出了四種火箭的計劃:織女星(Vega)、半人馬(Centaur)、土星(Saturn)和新星(Nova)。前兩個是上面級,后兩個就是運載火箭。


1960年9月8日,艾森豪威爾總統出席了馬歇爾太空飛行中心的落成典禮,與時任NASA局長格倫南以及馮·布勞恩合影留念,看總統笑得這么開心,批示肯定是過了。


左二為格倫南,左四為艾森豪威爾,右三為馮·布勞恩(他終于出現了)。來源:NASA


1959年,NASA成立了載人航天研究領導小組,以哈利·戈特(Harry Goett,時任Ames研究中心主任,同年9月轉戈達德航天中心主任)為首,共有10人,稱為戈特小組。而戈特小組很快在NASA領導層的要求下召開了第一次會議,確立了載人航天的九步走路線:


1、盡早開展載人航天研究(即水星計劃);


2、人造衛星及返回式衛星;


3、帶有生命保障系統的衛星;


4、可控載人衛星(載人宇宙飛船);


5、載人空間實驗室;


6、月面探測;


7、載人登月;


8、火星、金星探測;


9、載人登火、登金星。


這九步走戰略,每前進一步,都將面臨著大量的問題。而我們今天回望時,居然能夠驚異地發現,阿波羅計劃幾乎就是按照這條路徑按部就班實行的。


為了解決這些問題,戈特小組于同年6月25-27日在Ames研究中心開展了第二次會議,比較了直接往返與交會對接方案,二者各有優劣:


直接往返需要一枚總質量4500-5000噸的運載火箭(即“新星”火箭);


而交會對接對于運載工具的要求略低,但是需要比較復雜的交會對接系統。


不過,這兩種登月方案都需要一些共性的技術:可調登月下降火箭,可長期貯存的燃料,低溫防護以及能源系統問題等等。


1959年底,戈特小組開始了第三次會議,討論了再入返回、航天器軌道組裝、傘降系統、輻射防護以及載人空間實驗室的必要性問題,同時會議指出,絕大多數的技術將需要靠一個雙人14天的飛行任務進行驗證解決,這個設想變成了后來的“雙子星”計劃。



由雙人完成的“雙子星8號”任務,發射于1966年3月16日。執行任務的尼爾·阿姆斯特朗和大衛·斯科特…前者參與了后來的阿波羅11號任務并成為了首個登上月球的人類,后者參與了后來的阿波羅9號和15號任務。來源:電影《登月第一人》


而在之后的一年,NASA就飛行時間、推進系統、軌道規劃、月球重力影響等關鍵技術問題開展了討論,并確定了載人飛船將由1-2個主要組件組成?;?個主要組件的飛船設計計劃還涉及到交會對接問題,因此NASA還在1960年5月召開了關于交會對接技術的座談會,確定了交會對接將是未來一個需要解決的重要技術。這些努力為后續的載人繞月方案給出了思路,這也是“阿波羅”系列宇宙飛船的設計雛形。


1961年4月創作的“阿波羅”飛船藝術想象圖。來源:NASA

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二、開放競爭,百家爭鳴


在大方向確定了之后,就是開展飛船系統可行性驗證工作了。NASA于1960年9月12日開始招標可行性方案研究合同,很快便有88家企業響應,但僅有63家企業通過了審查。


而同年10月9日,NASA收到了14份標書——多家企業為了能接下單子,組成了聯合投標團。不過NASA告知即使沒中標也沒關系,“阿波羅”飛船的蛋糕大得很,做不了主要的也能做一些次要的工作。


次日,NASA將任務分解為五個方面:軌道規劃、飛航控制、生命保障及輻射控制、機載系統和系統集成。


在半個月之后的10月25日,來自圣地亞哥的康維爾公司、來自費城的通用電氣公司以及來自巴爾的摩的馬丁公司贏得了合同,每家公司均獲得了25萬美元的研究經費。


這個可行性研究主要還是為了回答NASA在之前提出的五個問題:“1、飛船能趕上土星運載火箭的進度嗎?2、飛船的重量能不能控制在土星運載火箭的運力范圍內?3、相關技術進展的時間節點有嗎?4、空間輻射是否對宇航員在奔月途中有影響?5、這個項目要花多少錢?”


這五個問題真是直擊靈魂,特別是最后一個問題。不過畢竟是可行性調研,就是在短時間內花點小錢試個水,以防項目正式啟動后發生問題造成巨額損失。


經過了一段時間的通力合作后,NASA的委員會在1961年初分別依據這些公司的成果,回答了這些問題:總體比較樂觀,奔月的載人飛船在技術上是可行的,不過問題在于運載火箭至少需要將27.2噸至36.3噸的載荷投送至地月轉移軌道(而實際上阿波羅飛船會在此后不斷地吃胖),計劃中的C-2運載火箭只能勉強將其送入地球軌道,這也直接導致了后來C-2的取消。


當然這只是一個初步的結果,第一份正式報告則稍后在5月份公布:


康維爾公司設計了一個具有三個模塊的航天器,包括了指令艙,推進艙以及任務艙。同時其也指出,飛船系統的制造將在未來6年之內花費125億美元。整個設計流程讓康維爾公司燒了100萬美元,是給定預算的4倍!


通用電氣公司則設計了一個半彈道再入的鈍體再入器,并且設計了艙室內部保護層以防止微流星的破壞導致氣體泄漏,這兩個設計花了兩倍于康維爾的錢——200萬美元,不過完成度比較高,幾乎可以進行試飛了。


馬丁公司做的研究非常深入,除了按照要求進行設計之外,它的工程師們在飛船的多能性、靈活性、安全性、可升級等等這些只有最終繞月或者登月才能涉及到的細節上進行了大量研究。


其飛船設計由五個模塊組成:一個整流罩,其頂部有一個逃逸火箭;整流罩后面是指令艙,其使用鋁合金加壓外殼保證氣密性,底部有一個復合材料組成的隔熱大底,2名航天員肩并肩坐在前排,而第3位航天員坐在他們后面;一個推進艙為飛船提供動力;一個可拋棄的任務艙,其可單獨作為一個太陽風實驗室;一個底座,就是留在月球上的一部分,它甚至可以作為一個小型實驗室繼續工作!這樣誠意滿滿的設計讓筆者不由得想起了我國“神舟”系列載人飛船,在返回艙再入之后,軌道艙依舊能作為一個小型空間實驗室繼續工作。


這樣完善的設計讓馬丁公司的300名工程師奮斗了6個月,花費了300萬美元。而最終排名第一的評分也完全與這份佳作相稱。


隨著蘇聯的尤里·加加林在4月12日乘坐“東方號”完成了人類首次載人飛行,甚至一發入軌之后,美國航天人的“史潑尼克危機”又加了碼。


NASA因為蘇聯人又搶先了,在4月14日的時候提出“如果想在登月事業上超過蘇聯人的話,未來十年需要200億到400億美元的預算,加急還要收加急費?!倍裉煳覀兘y計登月項目整個的花銷大約也在250億美元左右,估計得還算是準確。


同年5月25日國會的《國家面臨的當務之急》中,肯尼迪總統提出“盡快實現載人登月”。報告獲得了國會全體成員一致通過。在此之前,總統先生已經在3月感覺到了端倪,提出了加大航天事業的投入力度方針,因此當NASA的預算呈上去的時候,他大手一揮,在艾森豪威爾總統的111億美元基礎上,將1962年度對NASA于的撥款增加到了125億美元。


現在錢袋子的問題差不多解決了,那就應該大建了。


1961年初,NASA就提出了登月飛船的承包商招標方案——我們得敞開競爭,誰家的飛船做得好就讓誰家上。特別是登月飛船這種大單更是要精益求精,要知道NASA的訂單只要超過100萬美元,就需要對承包商進行細致的審查,超過500萬美元的訂單,就需要高層簽字。


于是在同年7月,NASA正式招標,立刻就有14家企業報名;8月14日,NASA把所有有意向的公司負責人召集起來開了個小會,會上各界代表共提出了400多個細節性問題并一一得到解答,最后生成的指導手冊則是所有承包商形成設計方案及投標材料的指南。而在10月9日的截止日前,最終有5家公司(馬丁公司、通用動力、北美航空、通用電氣和麥克唐納)投遞了標書,NASA立刻組織專家組開展了數周的評估,最終結果在11月24日公布,馬丁公司排名第一。


總分上,馬丁公司6.9分,通用動力與北美航空均6.6分,通用電氣與麥克唐納均6.4分。來源:NASA


不過專家組也表示,如果馬丁公司沒能最終獲選,那么北美航空公司將是下一個合適的承包商,多年的飛機制造經驗讓北美航空公司研制出了X-15超高音速驗證機、F-100“超級佩刀”第一代超音速戰斗機、F-86第一代噴氣式戰斗機,可謂是功勛卓著。


這個意向因為未知原因很快泄露了。馬丁公司的員工們在得知了這一喜訊之后,都在消息正式公布的前一天(11月26日)翹首盼望著這個歷史性的時刻——經歷了兩年的艱苦奮斗以及五周的焦急等待之后,他們的努力終于得到了回報……


……嗎?


第二天,消息傳來——北美航空拿下了登月飛船的制造訂單。這家自NACA起就與NASA合作緊密的伙伴還是得到了NASA的青睞。那一天,有多少人歡呼,又有多少人垂淚。但競爭就是這么殘酷,明明高了0.3分,但并沒有什么用。


不過就算登月飛船的承包商已經確定了,此時的NASA還依舊在為用什么方式實現登月而吵得不可開交!

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三、如何登月:直接往返 vs 交會對接?


在“土星五號”系列中,有一段內容刻意沒有提及,那就是實際上“新星”運載火箭的研究工作是與“土星”運載火箭的工作同步進行的。


本質上,“新星”使用的發動機技術與“土星”一致,唯一的區別就是主體結構的大小。上一集中的羅森就是一個堅定不移的“巨大型RPG主義者”,他一直堅持用“新星”運載火箭發射,在1960年的討論中也順手也給C-5的S-IC級加了一臺F-1發動機。


而在1961年11月,羅森、霍姆斯等人又在亨茨維爾開了兩個禮拜的會,會上的一個內容不僅是確定了“土星”系列火箭的S-IC級要有5臺發動機的政策不可動搖,更重要的內容是要確定月球怎么上,是交會對接還是直接往返。


三種登月方式:直接往返、地球軌道交會和月球軌道交會。來源:NASA


一般來說,登月的方式無外乎直接往返(Direct),地球軌道交會(EOR)和月球軌道交會(LOR)。直接往返很簡單,一發大的火箭,把大的飛船直接送過去再送回來;EOR需要兩發不那么大的火箭,把一艘大的飛船,跟一個助推火箭合并,然后奔赴月球,之后的套路跟直接往返一樣,一艘大飛船直接回來;LOR則是一發不那么大的火箭,帶著不那么大的飛船到月球,再拋下一個更小的著陸器,著陸器和飛船再在月球軌道對接,最后不那么大的飛船回來。


除此之外,還有月球表面集合(Lunar Surface Rendezvos,LSR)這種小黨派的存在——用兩發不那么大的火箭,分別帶著兩艘大的飛船落月,但其中一艘是油船,專門給載人飛船加油,讓其直接返回。


月球表面集合方案,最終落月的是由一個載著2名宇航員的飛船和一個裝載燃料的飛船。來源:NASA


就算是這種“異端”,也還有更極端的做法,反正橫豎都要補給,不如在月球上多待幾年回來,大不了多發射幾艘補給飛船!不過很快這個方案就淹沒在三家大黨的戰爭中了。


這次的會議真的是火藥味不斷。支持直接往返的紛紛表示,這個方案最安全了,你要是對接上出個什么閃失就太危險了,EOR對接失敗了大不了我們不去月球,LOR要是失敗可就真的都交代在月球上了。支持對接的則反駁,你直接往返要的火箭太大,搞小部件的進度肯定比搞一臺大火箭要快的多,直接往返的話,進度來得及嗎?支持直接往返的再反駁,反正F-1發動機已經開始做了,你搞得帶5臺F-1發動機C-5,我就搞不得帶8臺F-1的“新星”?…


這樣的爭吵直到會開完了還沒有個定論,支持直接往返的依舊在爭取“新星”火箭的擁躉,支持交會對接的繼續去研究交會對接的技術。


但至少無論如何,吵架對C-5運載火箭的研制計劃沒有任何影響,“新星”可以在C-5的基礎上繼續升級(實際上C-8的指標已經跟“新星”差不太多了),EOR的可以用兩臺C-5發射飛船,LOR的可以只用一臺C-5。于是年底的時候,C-5運載火箭的各個部件就確定了承包商。(跟前面的部分完美對接)


時間到了1962年,是時候做個了斷了。馮·布勞恩團隊年初在仔細審查“新星”的方案之后,說這玩意兒的技術問題太多,在60年代肯定造不出來。也因此,“新星”火箭的計劃在后續事件中逐漸廢止,這臺一級使用8臺F-1的巨無霸,終于消失在了歷史的長河中。


“新星”(Nova)運載火箭的早期設計以及“阿波羅”飛船整體落月/起飛的構想。來源:NASA


?四、交會對接:地球軌道交會 vs 月球軌道交會?


那么接下來就是要分析交會對接的問題了,雖然地球軌道交會EOR和月球軌道交會LOR都需要交會對接,但EOR的最終成品還是一枚巨大型落月飛船。而LOR需要的載荷就小得多,而且還能玩出很多的花樣。


1961年底,NASA的蘭格利研究中心在對LOR方案進行了若干年的分析之后,提出了三種落月返回方案:


1、“簡配型”(shoestring),僅支持一名宇航員在月面駐留2-4小時,重580千克。


2、“經濟適用型”(economy),支持兩名宇航員在月面駐留24小時,重1010千克。


3、“豪華型”(plush),支持兩名宇航員在月面駐留7日,重1790千克。


這個“簡配型”頗有蘇聯人登月之風范——他們的計劃原先也是單人落月,但美國人做得顯然配得上“簡配型”的名稱,因為它是長這樣的:


這是藝術家的想象圖。來源:NASA


不對,是這樣的:


真正的設計圖,源自1961年11月。來源:NASA


看到沒有,看到沒有,椅子登月!你們這群小綠人還是圖樣。


馬歇爾太空飛行中心(MSFC)的專家們偏向于支持EOR,并認為LOR還有很多問題沒解決,實在是太危險,一有閃失就得讓總統先生準備第二份演講稿;不過僅需要一枚C-5的“經濟適用型”方案著實讓人難以無視,而且簡化的登月艙設計可以將容錯率降到最低,更重要的是,它也可以直接套用阿波羅飛船整體落月方案,只需要再加個登月艙就行,不會影響承包商的研制進度。而霍姆斯以及德萊頓飛行研究中心(Dryden Flight Research Center,DFRC)主任謝伊(John R. O'Shea)也正是看中了這一點,對LOR產生了十分濃厚的興趣,盡管他們自己也承認LOR“似乎需要進一步研究”。


兩派在1962年的上半年依舊為到底在哪里對接產生著嚴重的分歧,而時間不等人。要知道第一枚C-1火箭(也就是后來的土星1號)已經在去年發射了,當時就是因為沒有一個合適的飛船模型而不得不搭載富余的“朱諾二號”的頭錐,以及額外的S-V來作為模擬載荷。要是再不作出決定的話,整個項目就會因為頂層設計的猶豫不決而受到拖累,這是牽一發而動全身的事情!


在5月中旬,謝伊找到了馮·布勞恩,他向布勞恩介紹了LOR的優勢,希望能得到支持。而另一方面,MSFC也不是唯一擔心EOR最終落選的主,劉易斯研究中心(LRC)擔心采用了LOR之后,就不會用他們設計的月球撞擊器,也在做專家們的工作。在五月底,NASA的氣氛陡然變得緊張了起來。


終于到了6月7日。在當天的會議中,馮·布勞恩的團隊經過了長達6小時的論證EOR的種種優勢,在普遍支持EOR的氛圍下,團隊領袖馮·布勞恩的15分鐘表態不啻于扔下了一枚重磅炸彈:他摘錄了會議的內容,認為LOR更加合適。


面對錯愕的觀眾,他說:“我再重申一遍,我們必須要在接下去的幾周之內完全確定登月方案,打不得折扣…如果我們再不抓緊作出明確的決定的話,這個十年內登月的機會就很快溜走了…LOR是我們在這個十年內,為了實現登月這一目的,所能做的最可能成功的方案…我們將這兩個航天器(即指令艙CSM和登月艙LEM)分成兩個獨立的模塊,能夠最大限度簡化飛船系統的設計,而且能省下大量的時間?!?/p>


他同時指出,采用LOR的方式還可以避免混亂無序的管理問題。由于飛船系統的設計得到了簡化,那么太空中心與承包商之間的關系就可以跟著簡化——現在已經有太多的承包商來負責整個飛船子系統的設計;同樣,LOR對于整個項目其它部分,包括火箭的設計、已確定的結構部分以及廠房等都不會造成很大的影響。


“我們一開始聽說要搞LOR的時候,也是比較懷疑的,載人飛船中心(Manned Spacecraft Center,MSC)也這么覺得,但他們經過了一段時間的可行性論證之后,最后也支持了這個方案?!彼苷\懇地解釋著,同時對支持EOR的人們表達了敬意,“MSFC也好,MSC也好,都為這個項目付出了很多,我由衷地感謝他們…精誠的研究才能誕生真知,相信MSFC的研究結果也將促進MSC向著真理更邁進一步?!?/p>


謝伊后來回憶起當時的場景時表示“馮·布勞恩將兩家研究所又團結在了一起?!辈贿^當時他正在進一步對比EOR與LOR的優劣,最后發現LOR只需要92億美元的花費,而EOR則需要106億美元,而且前者還能節約6-8個月的工期。在技術問題上面,兩種方案沒有特別明顯的區別,畢竟沒有什么是氪金+爆肝解決不了的。


1962年7月11日,NASA的高層在新聞發布會上正式公布月球軌道交會LOR為登月方案,同時宣布將開始并加快土星-1B運載火箭以及登月飛船的研制,一切終于塵埃落定。


從左至右:局長詹姆斯·韋伯,副局長希曼斯,載人飛行部部長霍姆斯,載人飛行部系統主任謝伊。來源:NASA


而7月底,LOR成為了最佳選擇的解釋文本出爐:EOR被認為是最難以成功,且系統最復雜最多的項目;利用“新星”火箭實現直接往返最穩妥,但“新星”火箭被證明無法短時間內被制造出來;退而求其次的利用C-5實現雙人直接往返的縮比飛船則將帶來更多的裝備以及可靠性問題。


?五、結語

從1959年到1962年,3年的論證,終于確定了阿波羅飛船任務的細節。在這張飛船構型與布置的變遷圖中,可以看到飛船系統前期論證是如何地一波三折。


登月飛船構型與布置的變遷圖。來源:NASA


作為實現載人登月的核心系統之一,飛船系統的設計論證同樣傾注了太多人的心血。誠然,無論是飛船的設計,還是登月方式的選擇,有最終獲勝的贏家,也有黯然失意的輸家——但所有人都是在為實現登月這個共同的偉大目標而拼盡全力。


在這個共同的目標之下,沒有輸家。


飄上月球的不朽之船,方案已經準備完畢,接下來的工作,就交給工程師們吧。


本文來自微信公眾號:haibaraemily_planets(ID:haibaraemily_planets),作者:天才琪露諾,編輯:haibaraemily

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