飘上月球的不朽之船前传
2019-07-11 18:45

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本文来自微信大众号:haibaraemily_planets(ID:haibaraemily_planets),著作人:天赋琪露诺,编辑:haibaraemily,头图来自:西方IC


上回说到,土星五号SA-501飞行测试的圆满乐成让火箭工程师们松了口吻,终究火箭这种工具便是一锤子交易,在时长8-9天的登月义务中,火箭局部满打满算不会超越8个小时。之后随着S-IVB关机,指令/效劳舱(Command&Service Module,CSM)将登月舱(Lunar Excursion Module,LM/LEM)从整流罩内慢慢抽出之后,火箭工程师们就能开香槟庆贺了。


而苦逼的飞船工程师们却不得不告急兮兮地比及义务完毕,带着下降伞的前往舱溅落在海面上,潜水员把宇航员们跟海豹一样从舱中拖出来的时分,才干在义务中央扑灭一根雪茄。


别看这一级二级三级让有数工程师们失光了头发,它们都市在火箭发射后的几个小时里顺次抛弃的,终极飞向月球的阿波罗飞船,实在只要一点点大


土星五号的巨细和构造。来路:National Air and Space Museum和NASA,改编:haibaraemily


从这集开端,我们将引见登月的真正配角——阿波罗飞船局部。这里再多说一句,我们在界说阿波罗方案的火箭局部与飞船局部时,每每以S-IVB上部的裙环为界线,上面是火箭,下面是飞船。


正在吊运中的阿波罗6号飞船局部。来路:NASA


不外,别看这局部相比于整个土星五号只要一点点大,但现实上这个组合体的高度曾经迫近红石火箭-水星飞船组合体了,而后者开启了美国的载人航地利代

 

一、载人登月项目缘起


固然在1961年第一个进入太空的美国人艾伦·谢泼德没能入轨,乃至被赫鲁晓夫揶揄为“跳蚤的一跃”,但明日黄花,仅仅8年之后,美国人就完成了载人登月,不得不说是非常梦境的进程。假如让笔者选择一个年月穿越的话,我大约会选择穿越到上世纪60年月的美国,去亲眼见证他们在航天奇迹上的奇观。(蒙酱按:并且还能怀有一种“下一个十年我们准能登岸火星”的美妙幻想)


和其他航天方案一样,美国的载人登月项目也可以追溯到一个比拟早的时期,乃至可以间接追溯到1958年NASA正式停业的时分。事先冯·布劳恩(曾经是我们系列文章的老冤家了)以及他的两个助手海因茨·赫尔曼·科勒(Heinz-Hermann Koelle)和恩斯特·施图林格(Ernst Stuhlinger)间接到场了项目任务。


这两位助手是随着冯·布劳恩一同被从德国拐来的,改邪归正之后在美国航天界也是大显神通,前一位间接到场了土星一号火箭的设计,然后一位比起他在航天上的特殊成绩,更让他知名的则是他给赞比亚修女玛丽·尤肯达写了封信,这封信曾经成为了回手“航天无用,不如拿来搞民生”的范本。


正是这三个德国人提出要探究太阳系,以后还要完成载人太阳系内的探究。而要想完成载人太阳系的探究,就要先完成载人登月


在次年(1959年)的《将来10年航天开展》(The Next Ten Years in Space)陈诉中可以看到,NASA本来是把绕月飞行作为“水星方案”在将来十年开展的终极目的的,但是即便是如许都许多人以为不太理想,由于有太多太多的题目需求处理了。不外最初这份陈诉照旧经过表决,送到了时任总统艾森豪威尔的办公桌上。


这份陈诉一口吻提出了四种火箭的方案:织女星(Vega)、半人马(Centaur)、土星(Saturn)和新星(Nova)。前两个是下面级,后两个便是运载火箭。


1960年9月8日,艾森豪威尔总统列席了马歇尔太空飞行中央的完工仪式,与时任NASA局长格伦南以及冯·布劳恩合影纪念,看总统笑得这么开心,指示一定是过了。


左二为格伦南,左四为艾森豪威尔,右三为冯·布劳恩(他终于呈现了)。来路:NASA


1959年,NASA建立了载人航天研讨向导小组,以哈利·戈特(Harry Goett,时任Ames研讨中央主任,同年9月转戈达德航天中央主任)为首,共有10人,称为戈特小组。而戈特小组很快在NASA向导层的要求下召开了第一次集会,建立了载人航天的九步走道路:


1、尽早展开载人航天研讨(即水星方案)


2、天然卫星及前往式卫星;


3、带有生命保证条理的卫星;


4、可控载人卫星(载人宇宙飞船)


5、载人空间实行室;


6、月面探测;


7、载人登月;


8、火星、金星探测;


9、载人登火、登金星。


这九步走战略,每行进一步,都将面对着少量的题目。而我们明天回望时,竟然可以惊奇地发明,阿波罗方案简直便是依照这条途径墨守成规实验的。


为理解决这些题目,戈特小组于同年6月25-27日在Ames研讨中央展开了第二次集会,比拟了间接往复与交会对接方案,二者各有优劣:


间接往复需求一枚总质量4500-5000吨的运载火箭(即“新星”火箭)


而交会对接关于运载东西的要求略低,但是需求比拟庞大的交会对接条理。


不外,这两种登月方案都需求一些个性的技能:可调登月降落火箭,可临时储存的燃料,高温防护以及动力条理题目等等。


1959年末,戈特小组开端了第三次集会,讨论了再入前往、航天器轨道组装、伞降条理、辐射防护以及载人空间实行室的须要性题目,同时集会指出,绝大少数的技能将需求靠一个双人14天的飞行义务停止验证处理,这个想象酿成了厥后的“双子星”方案。



由双人完成的“双子星8号”义务,发射于1966年3月16日。实行义务的尼尔·阿姆斯特朗和大卫·斯科特…前者到场了厥后的阿波罗11号义务并成为了首个登上月球的人类,后者到场了厥后的阿波罗9号和15号义务。来路:影戏《登月第一人》


而在之后的一年,NASA就飞行日期、推进条理、轨道计划、月球重力影响等要害技能题目展开了讨论,并确定了载人飞船将由1-2个次要组件构成。基于2个次要组件的飞船设计方案还触及到交会对接题目,因而NASA还在1960年5月召开了关于交会对接技能的漫谈会,确定了交会对接将是将来一个需求处理的紧张技能。这些高兴为后续的载人绕月方案给出了思绪,这也是“阿波罗”系列宇宙飞船的设计雏形。


1961年4月创作的“阿波罗”飞船艺术想象图。来路:NASA

 

二、开放竞争,百花怒放


在小气向确定了之后,便是展开飞船条理可行性验证任务了。NASA于1960年9月12日开端投标可行性方案研讨条约,很快便有88家企业呼应,但仅有63家企业经过了检察。


而同年10月9日,NASA收到了14份标书——多家企业为了能接下票据,构成了结合招标团。不外NASA见告即便没中标也不要紧,“阿波罗”飞船的蛋糕大得很,做不了次要的也能做一些主要的任务。


越日,NASA将义务剖析为五个方面:轨道计划、飞航控制、生命保证及辐射控制、机载条理和条理集成。


在半个月之后的10月25日,来自圣地亚哥的康维尔公司、来公费城的通用电气公司以及来自巴尔的摩的马丁公司博得了条约,每家公司均取得了25万美元的研讨经费。


这个可行性研讨次要照旧为了答复NASA在之条件出的五个题目:“1、飞船能遇上土星运载火箭的进度吗?2、飞船的分量能不克不及控制在土星运载火箭的运力范畴内?3、相干技能停顿的日期节点有吗?4、空间辐射能否对宇航员在奔月途中有影响?5、这个项目要花几多钱?”


这五个题目真是直击魂魄,特殊是最初一个题目。不外终究是可行性调研,便是在短日期内花点小钱试个水,以防项目正式启动后发作题目形成巨额丧失。


颠末了一段日期的共同努力后,NASA的委员会在1961年终辨别根据这些公司的效果,答复了这些题目:总体比拟悲观,奔月的载人飞船在技能上是可行的,不外题目在于运载火箭至多需求将27.2吨至36.3吨的载荷投送至地月转移轨道(而实践上阿波罗飞船会在尔后不时地吃胖),方案中的C-2运载火箭只能委曲将其送上天球轨道,这也间接招致了厥后C-2的取消。


固然这只是一个开端的后果,第一份正式陈诉则稍后在5月份发布:


康维尔公司设计了一个具有三个模块的航天器,包罗了指令舱,推进舱以及义务舱。同时其也指出,飞船条理的制造将在将来6年之内破费125亿美元。整个设计流程让康维尔公司烧了100万美元,是给定预算的4倍!


通用电气公司则设计了一个半弹道再入的钝体再入器,而且设计了舱室外部维护层以避免微流星的毁坏招致气体走漏,这两个设计花了两倍于康维尔的钱——200万美元,不外完成度比拟高,简直可以停止试飞了。


马丁公司做的研讨十分深化,除了依照要求停止设计之外,它的工程师们在飞船的多能性、灵敏性、平安性、可晋级等等这些只要终极绕月或许登月才干触及到的细节上停止了少量研讨。


其飞船设计由五个模块构成:一个整流罩,其顶部有一个逃逸火箭;整流罩前面是指令舱,其运用铝合金加压外壳包管气密性,底部有一个复合资料构成的隔热大底,2名航天员肩并肩坐在前排,而第3位航天员坐在他们前面;一个推进舱为飞船提供动力;一个可丢弃的义务舱,其可独自作为一个太阳风实行室;一个底座,便是留在月球上的一局部,它乃至可以作为一个小型实行室持续任务!如许至心满满的设计让笔者忍不住想起了我国“神舟”系列载人飞船,在前往舱再入之后,轨道舱照旧能作为一个小型空间实行室持续任务。


如许美满的设计让马丁公司的300名工程师斗争了6个月,破费了300万美元。而终极排名第一的评分也完全与这份佳作相称。


随着苏联的尤里·加加林在4月12日乘坐“西方号”完成了人类初次载人飞行,乃至一发入轨之后,美国航天人的“史泼尼克危急”又加了码。


NASA由于苏联人又争先了,在4月14日的时分提出“假如想在登月奇迹上超越苏联人的话,将来十年需求200亿到400亿美元的预算,加急还要收加急费。”现在天我们统计登月项目整个的花销约莫也在250亿美元左右,估量得还算是精确。


同年5月25日国会的《国度面对确当务之急》中,肯尼迪总统提出“尽快完成载人登月”。陈诉取得了国会全体成员分歧经过。在此之前,总统老师曾经在3月觉得到了眉目,提出了加大航天奇迹的投入力度目标,因而当NASA的预算呈上去的时分,他大手一挥,在艾森豪威尔总统的111亿美元根底上,将1962年度对NASA于的拨款添加到了125亿美元。


如今荷包子的题目差未几处理了,那就应该大建了。


1961年终,NASA就提出了登月飞船的承包商投标方案——我们得关闭竞争,谁家的飞船做得好就让谁家上。特殊是登月飞船这种大单更是要锦上添花,要晓得NASA的订单只需超越100万美元,就需求对承包商停止过细的检察,超越500万美元的订单,就需求高层具名。


于是在同年7月,NASA正式投标,立即就有14家企业报名;8月14日,NASA把一切故意向的公司担任人调集起来开了个小会,会上各界代表共提出了400多个细节性题目并逐个失掉解答,最初天生的指点手册则是一切承包商构成设计方案及招标资料的指南。而在10月9日的停止日前,终极有5家公司(马丁公司、通用动力、北美航空、通用电气和麦克唐纳)投递了标书,NASA立即构造专家组展开了数周的评价,终极后果在11月24日发布,马丁公司排名第一。


总分上,马丁公司6.9分,通用动力与北美航空均6.6分,通用电气与麦克唐纳均6.4分。来路:NASA


不外专家组也表现,假如马丁公司没能终极获选,那么北美航空公司将是下一个适宜的承包商,多年的飞机制造经历让北美航空公司研制出了X-15超低音速验证机、F-100“超等佩刀”第一代超音速战役机、F-86第一代喷气式战役机,可谓是勋绩卓著。


这个意向由于未知缘由很快泄漏了。马丁公司的员工们在得知了这一喜信之后,都在音讯正式发布的前一天(11月26日)翘首渴望着这个汗青性的时辰——阅历了两年的艰辛斗争以及五周的着急等候之后,他们的高兴终于失掉了报答……


……吗?


第二天,音讯传来——北美航空拿下了登月飞船的制造订单。这家自NACA起就与NASA协作严密的同伴照旧失掉了NASA的喜爱。那一天,有几多人喝彩,又有几多人垂泪。但竞争便是这么严酷,明显高了0.3分,但并没有什么用


不外就算登月飞船的承包商曾经确定了,此时的NASA还照旧在为用什么方法完成登月而吵得不亦乐乎!

 

三、怎样登月:间接往复 vs 交会对接?


在“土星五号”系列中,有一段内容刻意没有提及,那便是实践上“新星”运载火箭的研讨任务是与“土星”运载火箭的任务同步停止的。


实质上,“新星”运用的发起机技能与“土星”分歧,独一的区别便是主体构造的巨细。上一会合的罗森便是一个坚持不懈的“宏大型RPG主义者”,他不断对峙用“新星”运载火箭发射,在1960年的讨论中也随手也给C-5的S-IC级加了一台F-1发起机。


而在1961年11月,罗森、霍姆斯等人又在亨茨维尔开了两个星期的会,会上的一个内容不只是确定了“土星”系列火箭的S-IC级要有5台发起机的政策见异思迁,更紧张的内容是要确定月球怎样上,是交会对接照旧间接往复。


三种登月方法:间接往复、地球轨道交会和月球轨道交会。来路:NASA


普通来说,登月的方法无外乎间接往复(Direct),地球轨道交会(EOR)和月球轨道交会(LOR)。间接往复很复杂,一发大的火箭,把大的飞船间接送过来再送返来;EOR需求两发不那么大的火箭,把一艘大的飞船,跟一个助推火箭兼并,然后奔赴月球,之后的套路跟间接往复一样,一艘大飞船间接返来;LOR则是一发不那么大的火箭,带着不那么大的飞船到月球,再抛下一个更小的着陆器,着陆器和飞船再在月球轨道对接,最初不那么大的飞船返来。


除此之外,另有月球外表聚集(Lunar Surface Rendezvos,LSR)这种小党派的存在——用两发不那么大的火箭,辨别带着两艘大的飞船落月,但此中一艘是油船,专门给载人飞船加油,让其间接前往。


月球外表聚集方案,终极落月的是由一个载着2名宇航员的飞船和一个装载燃料的飞船。来路:NASA


就算是这种“异端”,也另有更极度的做法,横竖反正都要补给,不如在月球上多待几年返来,大不了多发射几艘补给飞船!不外很快这个方案就吞没在三家大党的和平中了。


这次的集会真的是炸药味不时。支持间接往复的纷繁表现,这个方案最平安了,你要是对接上出个什么闪失就太风险了,EOR对接失败了大不了我们不去月球,LOR要是失败可就真的都交接在月球上了。支持对接的则反驳,你间接往复要的火箭太大,搞小部件的进度一定比搞一台大火箭要快的多,间接往复的话,进度来得及吗?支持间接往复的再反驳,横竖F-1发起机曾经开端做了,你搞得带5台F-1发起机C-5,我就搞不得带8台F-1的“新星”?…


如许的争持直到会开完了还没有个定论,支持间接往复的照旧在夺取“新星”火箭的拥趸,支持交会对接的持续去研讨交会对接的技能。


但至多无论怎样,打骂对C-5运载火箭的研制方案没有任何影响,“新星”可以在C-5的根底上持续晋级(实践上C-8的目标曾经跟“新星”差不太多了),EOR的可以用两台C-5发射飞船,LOR的可以只用一台C-5。于是年末的时分,C-5运载火箭的各个部件就确定了承包商。(跟后面的局部完满对接)


日期到了1962年,是时分做个了断了。冯·布劳恩团队年终在细心检察“新星”的方案之后,说这玩意儿的技能题目太多,在60年月一定造不出来。也因而,“新星”火箭的方案在后续事情中逐步废止,这台一级运用8台F-1的巨无霸,终于消逝在了汗青的长河中。


“新星”(Nova)运载火箭的晚期设计以及“阿波罗”飞船全体落月/降落的设想。来路:NASA


 四、交会对接:地球轨道交会 vs 月球轨道交会?


那么接上去便是要剖析交会对接的题目了,固然地球轨道交会EOR和月球轨道交会LOR都需求交会对接,但EOR的终极制品照旧一枚宏大型落月飞船。而LOR需求的载荷就小得多,并且还能玩出许多的把戏。


1961年末,NASA的兰格利研讨中央在对LOR方案停止了多少年的剖析之后,提出了三种落月前往方案:


1、“简配型”(shoestring),仅支持一名宇航员在月面驻留2-4小时,重580千克。


2、“经济实用型”(economy),支持两名宇航员在月面驻留24小时,重1010千克。


3、“奢华型”(plush),支持两名宇航员在月面驻留7日,重1790千克。


这个“简配型”颇有苏联人登月之风采——他们的方案原先也是单人落月,但美国人做得显然配得上“简配型”的称号,由于它是长如许的:


这是艺术家的想象图。来路:NASA


不合错误,是如许的:


真正的设计图,源自1961年11月。来路:NASA


看到没有,看到没有,椅子登月!你们这群小绿人照旧图样。


马歇尔太空飞行中央(MSFC)的专家们倾向于支持EOR,并以为LOR另有许多题目没处理,真实是太风险,一有闪失就得让总统老师预备第二份演讲稿;不外仅需求一枚C-5的“经济实用型”方案着实让人难以漠视,并且简化的登月舱设计可以将容错率降到最低,更紧张的是,它也可以间接套用阿波罗飞船全体落月方案,只需求再加个登月舱就行,不会影响承包商的研制进度。而霍姆斯以及德莱顿飞行研讨中央(Dryden Flight Research Center,DFRC)主任谢伊(John R. O'Shea)也正是看中了这一点,对LOR发生了非常浓重的兴味,虽然他们本人也供认LOR“好像需求进一步研讨”。


两派在1962年的上半年照旧为究竟在那边对接发生着严峻的不同,而日期不等人。要晓得第一枚C-1火箭(也便是厥后的土星1号)曾经在客岁发射了,事先便是由于没有一个适宜的飞船模子而不得不搭载充裕的“朱诺二号”的头锥,以及额定的S-V来作为模仿载荷。要是再不作出决议的话,整个项目就会由于顶层设计的优柔寡断而遭到拖累,这是牵一发而动满身的事变!


在5月中旬,谢伊找到了冯·布劳恩,他向布劳恩引见了LOR的劣势,盼望能失掉支持。而另一方面,MSFC也不是独一担忧EOR终极落第的主,刘易斯研讨中央(LRC)担忧接纳了LOR之后,就不会用他们设计的月球撞击器,也在做专家们的任务。在五月尾,NASA的氛围蓦地变得告急了起来。


终于到了6月7日。在当天的集会中,冯·布劳恩的团队颠末了长达6小时的论证EOR的种种劣势,在广泛支持EOR的气氛下,团队首领冯·布劳恩的15分钟亮相不啻于扔下了一枚重磅炸弹:他摘录了集会的内容,以为LOR愈加适宜。


面临惊惶的观众,他说:“我再重申一遍,我们必需要在接下去的几周之内完全确定登月方案,打不得扣头…假如我们再不放松作出明白的决议的话,这个十年内登月的时机就很快溜走了…LOR是我们在这个十年内,为了完成登月这一目标,所能做的最能够乐成的方案…我们将这两个航天器(即指令舱CSM和登月舱LEM)分红两个独立的模块,可以最大限制简化飞船条理的设计,并且能省下少量的日期。”


他同时指出,接纳LOR的方法还可以防止杂乱无序的办理题目。由于飞船条理的设计失掉了简化,那么太空中央与承包商之间的干系就可以随着简化——如今曾经有太多的承包商来担任整个飞船子条理的设计;异样,LOR关于整个项目别的局部,包罗火箭的设计、已确定的构造局部以及厂房等都不会形成很大的影响。


“我们一开端听说要搞LOR的时分,也是比拟疑心的,载人飞船中央(Manned Spacecraft Center,MSC)也这么以为,但他们颠末了一段日期的可行性论证之后,最初也支持了这个方案。”他很诚实地表明着,同时对支持EOR的人们表达了敬意,“MSFC也好,MSC也好,都为这个项目支付了许多,我由衷地感激他们…精诚的研讨才干降生真知,置信MSFC的研讨后果也将促进MSC向着真理更迈进一步。”


谢伊厥后回想起事先的场景时表现“冯·布劳恩将两家研讨所又勾结在了一同。”不外事先他正在进一步比照EOR与LOR的优劣,最初发明LOR只需求92亿美元的破费,而EOR则需求106亿美元,并且前者还能浪费6-8个月的工期。在技能题目下面,两种方案没有特殊分明的区别,终究没有什么是氪金+爆肝处理不了的。


1962年7月11日,NASA的高层在讯息公布会上正式发布月球轨道交会LOR为登月方案,同时宣布将开端并放慢土星-1B运载火箭以及登月飞船的研制,统统终于灰尘落定。


从左至右:局长詹姆斯·韦伯,副局长希曼斯,载人飞行部部长霍姆斯,载人飞行部条理主任谢伊。来路:NASA


而7月尾,LOR成为了最佳选择的表明文本出炉:EOR被以为是最难以乐成,且条理最庞大最多的项目;应用“新星”火箭完成间接往复最稳妥,但“新星”火箭被证明无法短日期内被制造出来;退而求其次的应用C-5完成双人间接往复的缩比飞船则将带来更多的配备以及牢靠性题目。


 五、结语

从1959年到1962年,3年的论证,终于确定了阿波罗飞船义务的细节。在这张飞船构型与部署的变迁图中,可以看到飞船条理后期论证是怎样地一波三折。


登月飞船构型与部署的变迁图。来路:NASA


作为完成载人登月的中心条理之一,飞船条理的设计论证异样倾注了太多人的心血。固然,无论是飞船的设计,照旧登月方法的选择,有终极得胜的赢家,也有黯然得志的输家——但一切人都是在为完成登月这个配合的巨大目的而拼尽尽力。


在这个配合的目的之下,没有输家。


飘上月球的不朽之船,方案曾经预备终了,接上去的任务,就交给工程师们吧。


本文来自微信大众号:haibaraemily_planets(ID:haibaraemily_planets),著作人:天赋琪露诺,编辑:haibaraemily

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