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阿波羅13號,揭露阿波羅13號安全返航原因

文章作者:外星探索網 | 2015-06-02
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阿波羅13號

阿波羅13號是美國阿波羅計劃中的第三次載人登月任務,1970年4月11日美國用土星5號運載火箭將阿波羅13號飛船發射升空,在升空后接近56個小時的時候,阿波羅13號飛船2號貯氧箱發生爆炸,在經過地面指揮中心的搶救之后,阿波羅13號上的3名宇航員在與各種惡劣環境斗爭之后,成功的于1970年4月17日順利降落。

阿波羅13號

當時阿波羅13號飛船的情況究竟是什么樣的?究竟是氧氣瓶事先就有缺陷還是在飛行過程中操作不當導致爆照?經過了幾天的搶救,阿波羅13號究竟是怎么樣安全返回地球的呢?

阿波羅13號登月過程

阿波羅13號

1970年4月11日,美國用土星5號運載火箭將阿波羅13號飛船發射升空,進行計劃中的第3次登月飛行。這次飛行的航天員是洛威爾、海斯和斯威加特。

飛船飛行到46小時40分02秒時,航天員杰克•斯威格特按指令搖氧氣管,由于接頭處膠皮老化,起火(沒被及時發現),然后發現2號貯氧箱貯量顯示超差。

55小時53分時,l號貯氧箱壓力偏低,指令艙報警器報警。

55小時54分53.3秒時,飛船遙測數據丟失1.8秒,主母線電壓下降,報警系統報警。

差不多就在這個時刻,"砰"的一聲,服務艙中的2號貯氧箱發生爆炸。

飛船的報警燈亮了,報警器響了,主電壓繼續下降。

斯威加特當即向休斯敦飛控中心報告:"喂!我們這里出事了。"

海斯從登月艙的通道爬到指令艙,看到一些系統的電壓已降到零,也立即做了報告。

這些情況都用電視實況轉播給了全美國、全世界,使成千上萬的人目瞪口呆。無數的美國人為他們禱告。休斯敦飛控中心及時分析,認為是液氧貯箱爆炸起火,使得飛船上的氫氧燃料電池損壞。

飛船上的電源出問題,使得登月已經不可能,而且航天員也處于極端危險之中。

經過飛控中心科學家、工程師們艱苦細致的分析,休斯敦飛控中心果斷地決定:中止登月飛行,利用完好的登月艙,立即返回地球。

當時飛船離地球已經38萬公里,已經越過地球引力界面,飛船正在月球引力下往月球飛去。如果要返航,必須有足夠大的火箭推力來克服月球吸引力。登月艙顯然難于勝任。

休斯敦飛控中心科學家們經過周密計算,并讓地面航天員進入登月艙模擬,最后得出了一個最省燃料的返回軌道:飛船繼續飛行,繞過月球,再啟動登月艙發動機,以進入返回軌道。

由于氫氧燃料電池的貯氧箱還擔負著飛船生命保障系統氧氣和水的供應,因此航天員面臨著電能不足、供水供氧困難、環境溫度下降的處境。但3名航天員在地面飛控中心的指揮下,以頑強的意志和毅力,強烈的求生欲望,戰勝了恐懼、寒冷、黑暗、疲勞等困難,和地面飛控中心人員密切配合,積極穩妥地實施著地面制定的救生方案。

飛船在茫茫的太空中繼續往月球飛去。當飛船距離月球27.6公里時,航天員啟動登月艙下降發動機,工作了30.7秒。飛船進入了環月軌道。在飛船轉過月球后,再啟動登月艙發動機4.5分鐘。飛船進入了返回地球的軌道。登月艙的氧氣、水、電越來越少,航天員由于疲勞和恐懼變得越來越煩躁不安。飛控中心指揮員一直和他們保持著聯系,鼓勵他們,并提醒他們吞服鎮靜劑。

美國將阿波羅13號未能登月的消息,及時通報給了全世界各國家,并緊急請求有關國家給予救援。包括前蘇聯在內的13個國家提供了救援艦船和飛機,布在美國軍艦未能顧及的海域內等候。

飛船進入了返回地球大氣層的軌道。在進入大氣層前,航天員啟動4個姿態控制火箭,使登月艙推著服務艙向前加速飛行。隨后,點燃分離爆炸螺栓,將服務艙分離。緊接著又啟動反推火箭,使登月艙離開服務艙一段距離。

然后,登月艙的兩名航天員回到指令艙,關閉兩艙通道,點燃分離爆炸螺栓,將登月艙拋掉。

3名航天員乘坐指令艙返回了地球,平安地降落到太平洋洋面上。

阿波羅13號

美國總統隨硫磺島號軍艦前去歡迎了3名航天員的歸來。

阿波羅13號飛船登月雖然失敗了,但依靠人類的智慧和毅力,卻奇跡般地將航天員營救回來。所以,航天界稱這次飛行是“一次成功的失敗”。

事后,美國政府成立了事故調查組,查明了事故原因。安在服務艙液氧貯箱中加熱系統的兩個恒溫器開關,由于過載產生電弧放電作用,將其連成通路,使加熱管路溫度高達500度,烤焦了附近的導線,最后引起氧氣爆炸。

安全返航全過程

登月飛行前地面發生了什么

阿波羅13號遭遇的問題主要是圍繞第二個液氧罐,即所謂“二號罐”而發生的。這個圓形的液氧罐是在多年前由Beech Aircraft公司根據與North American Rockwell公司之前簽署的合同制造的,其最初的制造目的是安裝在1969年發射升空的阿波羅10號上。但就在阿波羅10號發射之前,這個液氧罐卻被拆卸了下來進行維護和改裝,并曾在這一過程中發生過掉落事件——這個罐子曾經從大約2英寸(約合6厘米)的高度上摔落下來。

最終,這個可能遭受了損壞的液氧罐沒有被再裝回到阿波羅10號上,而是另外再制造了一個新的液氧罐。但與此同時,這個掉落的液氧罐經過了檢查,結果并未發現有損壞的情況。然而,這種外部檢查卻發生了一項致命的疏忽:其內部有一根管線遭受了輕微的破損。

于是美國宇航局便將這個似乎沒有遭受損壞的液氧罐分配給了阿波羅13號的服務艙繼續使用。在發射前,技術人員再次對各項部件進行了嚴格檢查,在其中一次檢查中,這個液氧罐被發現無法正確地排空液氧(其原理是將氣態的氧氣充入液氧罐,將液氧全部擠壓出來,但由于一道管路損壞,無法做到完全的排出)。最終測試組決定通過加熱的手段排空液氧罐。

這時,他們犯下了一項嚴重的錯誤:液氧罐本身帶有加熱裝置,其設計目的是通過適當加熱,幫助氧氣在管路系統中的流動。根據設計,該加熱裝置應當通過飛船的28V直流電力系統供電,但測試組卻將它與65V的地面線路連接了長達8小時之久。過高的電壓導致的大電流導致加熱器開關被燒化,固定在了關閉位置上,這就讓它無法及時在情況異常時啟動自動關閉程序,于是液氧罐內的溫度持續升高,一直到了超過1000華氏度(約合537.7攝氏度),而安裝在液氧罐內部的溫度計設定的最高溫標才80華氏度(約合26.6攝氏度)。但從外部觀察,看不出任何異常情況。

這次持續了整整一晚上的加熱的確清空了液氧罐,但也對其內部造成了難以估計的損壞。美國宇航局后來的調查報告中提到:“液氧罐內部管路使用的特氟龍絕緣層遭受了嚴重的損壞”。

登月過程中在太空發生了什么

類似液氧這類的液態冷凍液體在微重力環境下會傾向于“分層”,也就是說,在缺乏重力作用的情況下,它們會傾向于形成不同的分層并在其所處的空間內向周圍擴 散。而當這一空間就是液氧罐的內部體積的時候,這種分層效應就會讓測量液氧罐內部的液體量變得十分困難。因此阿波羅飛船的服務艙液氧罐中還安裝了一套內部 渦扇,就像小型船槳一般的葉輪,用于液氧罐內容物的攪拌,目的是使其更加均勻,以便對其內部液體的量更好的進行測量工作。

在每一次啊阿波羅任務飛行期間,都會進行這樣的例行攪拌操作。但沒有人知道的是,對于阿波羅13號而言,每一次這樣的攪拌都將可能引發一場潛在的巨大災難——每一次啟動二號罐的攪拌葉片,電流都將會通過受損的線路。

在任務進行到第56個小時之后,指令倉飛行員杰克•斯威格特進行了例行的攪拌操作。根據推測,這次操作產生了幾顆火星,點燃了二號罐內的特氟龍材料。在液氧環境下,特氟龍材料的燃燒十分迅速,在液氧罐內瞬間產生極高壓強(超過41 MPa)。這樣的壓強不但超過了液氧罐閥門的承受極限,也超出了液氧罐結構強度的極限,于是,液氧罐發生了爆炸。

拯救行動全過程

阿波羅13號

阿波羅13號在經歷貯氧瓶爆炸之后,最關鍵的就是氧氣的缺乏以及電力的損失。

整個服務艙的結構就像一個葡萄柚,或者說像是一塊被切成一塊一塊的派,不同的部分被組合在一起,每個部分擁有不同的功能。一直到阿波羅13號之前(也包括阿波羅13號),所有的阿波羅飛船上的兩臺液氧罐都是被放置在同一個模塊內的。Sy Liebergot表示:“所有的東西都被放置在一個架子上,包括那些用于向一號罐和二號罐輸送氧氣的細小管路。因此很容易理解,發生在二號罐的爆炸也將影響一號罐,因為它們都擠在一起。”這也正是阿波羅13號所遭遇的處境——盡管從外部看一號罐并未遭受嚴重破壞,但其與二號罐之間的連接管路發生了破損,導致阿波羅13號上剩余的氧氣也開始不斷向太空泄露。

Liebergot笑道:“有人大概會問‘為什么我們不把這兩個罐子分開放呢?’好吧。答案是那樣做生產起來不太方便。”從阿波羅14號開始,飛船的服務艙內安裝了一塊額外的燃料電池,并在兩個主要液氧罐安裝位置的另外一端安裝了一個額外的備用液氧罐,這個備用罐與飛船燃料電池完全隔離,專用于在緊急狀態下為飛船的乘員提供維持生命所需的氧氣。

而當所有這些事發生時,地面上的控制員們仍然不甚清楚究竟飛船上發生了什么事,他們指令宇航員關閉通一號燃料電池,隨后又指令關閉了二號燃料電池。這項操作 的目的是想阻斷氧氣的流動并確保至少一塊燃料電池能夠繼續使用。但這樣一來就等于放棄了登陸月球的企圖,因為根據設計,要想登陸月球表面,飛船必須確保至 少有兩塊燃料電池是處于工作狀態的——而此時剩下的那塊燃料電池開始從阿波羅飛船指令倉中那個較小的儲備液氧罐中汲取氧氣

。這個液氧罐被稱為“緩沖罐”, 因為其設置的目的之一便是保持艙內氧氣壓力的穩定。此時地面控制員終于意識到,現在他們面臨的已經不是宇航員還能不能登陸月球的問題,而是能不能將這些宇 航員安全送回地球的問題。

美國宇航局的飛行控制中心組成了一個精英團隊來負責此次危機以及后續事件的應對,Liebergot也是其中的成員之一,負責EECOM(電力,環境和通信系統)崗位操作。由于EECOM團隊的主要職責是飛船的電力以及環境維持系統,Liebergot肩上的擔子很重。

地面控制中心此時正面臨著一系列極端復雜也極端艱難的選擇需要去做,他們必須決定接下來要采取哪些措施以便確保宇航員生命的安全。盡管在美國公眾的印象中,美國宇航局似乎是一個效率低下的官僚機構,但在此次危機應對中,美國宇航局行動迅速——在短短6個小時內,地面控制中心便做出了一系列后來看來是至關重要的操作決策,為成功挽救太空中宇航員的生命發揮了關鍵作用。隨后是差不多長達4天的煎熬和等待,等待阿波羅13號飛船繞過月球并朝著地球飛來。

在爆炸發生后的最初40分鐘內,根據地面指令,宇航員們開始為登月艙加電,試圖將其變為他們的“生命之舟”——這種危機處理方式此前在阿波羅10號任務訓練期間曾經或多或少做過探討,但后來這種做法卻被舍棄了,美國宇航局給出的原因是認為這樣做“不現實”。但根據慣例,美國宇航局的工程師和飛行控制員們會在這樣的模擬操作中制作出操作流程手冊并保存下來。爆炸發生后,這些操作流程手冊被迅速找了出來投入使用。

當爆炸發生時,地面控制員與宇航員們有兩項任務需要去做。首先是確保指令倉內自己的備用液氧罐完好無損,因為其中的氧氣將可以被用于返航時所需。而盡管服務艙內安裝有飛船上的主要液氧罐,但指令倉內也安裝有一個“緩沖罐”以及三個更小的液氧罐。在判明最后一臺燃料電池正在從中吸收氧氣用于自身發電的情況之后,Liebergot果斷關閉了所有這些液氧罐。

Liebergot表示:“我從沒想過我們會失去這些宇航員,因此我所做的事便是試圖節約氧氣的消耗,用于他們在返回地球大氣層時使用。”

第二項任務聽上去則似乎與第一項任務相互矛盾,那就是盡可能讓那塊正在吸取儲備液氧罐中珍貴氧氣資源的燃料電池維持久一些的工作時間以便為登月艙完成充電。 通常這一過程是一項極具技巧性,包括長達數小時時間,數百項操作動作的復雜操作過程。必須盡快關閉指令倉的需求產生了類似“先生雞還是先生蛋”的問題困 境,因為首先登月艙必須從指令艙的計算機中獲得關于初始位置和航向的數據,這樣它的推進系統和導航系統才能將宇航員們送回家。Liebergot表示,當他的搭檔John Aaron前來換班時,他立刻意識到了自己所面臨的問題。他說:“當時John走過來,他說我們需要更多時間給登月艙充電,我們不會有氧氣的問題,我們在登月艙中有很多氧氣!”幸運的是,利用一號罐中剩余的氧氣,加上從指令艙電池系統中回收的部分氧氣,加起來足以提供讓登月艙返回地球所需的電力。

登月艙中儲備有遠超3名 宇航員所需的氧氣。其內部擁有大量的氧氣儲備。事實上登月艙儲備的氧氣甚至可以完成多次艙內再加壓,以便滿足宇航員登陸月球之后的艙外活動所需。相反,水 卻成為一個大問題。為了節約重量,登月艙使用的是電池,而不是燃料電池。因此不像服務艙中的情況,燃料電池發電的過程會產生水,在登月艙中質儲備了固定數 量用于引用和設備冷卻的水。地面控制中心不得不盡可能關閉登月艙內的設備以便減少其產生的熱量對儲備水體使用的壓力。

讓情況更加復雜的是,應對團隊接下來還必須設計一種方式,從而可以使用登月艙上的導航計算機來引導阿波羅/登 月艙組合體的飛行。盡管指令艙和登月艙內都安裝了幾乎一樣的阿波羅導航計算機設備,但兩者使用的軟件則完全不同。登月艙軟件使用的飛行參數無法處理指令艙 和服務艙的情況,其中的根本性變化比如飛船質心的改變等等。要想解決這個問題,必須依賴于地面控制中心進行的精密測算并給出新的參數。

另外,登月艙內的環境維持系統也并非是為確保三名宇航員度過數天的時間設計的,因此宇航員們必須借助于指令艙中的二氧化碳過濾裝置來確保登月艙內呼吸的空氣 中二氧化碳濃度不會太高。但在這過程中也出現了一些障礙:指令艙的過濾器接口是方形的,它無法與登月艙圓形的接口兼容。于是地面上的工程師們緊急行動起 來,利用阿波羅13號上現有的物資進行試驗并找到了解決方案。

對于阿波羅13號的最終獲救,最大的原因應該說是地面控制人員和飛船乘組此前所進行了數以百計的反復練習。每一位控制員,包括所有的支持人員都對他們各自領域的專業知識非常了解和熟悉,基本上都到了最細節的地步。而對于阿波羅13號的飛行乘組而言,除了對原定的飛行計劃爛熟于胸之外,他們都是杰出的飛行員,他們所受的訓練讓他們能夠在最危急的情況下保持鎮靜和頭腦冷靜。他們能夠在即便最極端的精神和身體壓力下精確地進行大量極為復雜的操作。

阿波羅13號的宇航員們在最危險的情況下能夠保持冷靜,并且及時解決問題,在經過登月之前不斷的訓練之后,他們對飛船各個系統的極限性能都有很好的掌握,才使得他們在這次飛行中能夠順利的返回地球。更多科學發現詳見外星探索網www.qbeat.tw。

阿波羅13號登月前跡象

1970年4月11日,“阿波羅13號”載著三名美國宇航員升空,踏上了飛往月球的旅程。飛船上的3名宇航員中,42歲的吉姆•洛威爾是任務指揮官,38歲的杰克•斯威格特是指令艙、服務艙的駕駛員,36歲的弗萊德•海斯是登月艙駕駛員。

在洛威爾執行“阿波羅13號”任務前,他的妻子瑪麗蓮心中充滿了焦慮,因為“13”在西方是個不祥的數字。洛威爾回憶說:“我的妻子對我說:‘為什么偏偏是13號?’我說:‘這是科學任務,我們都是工程師、技術員和科學家,我們不能迷信。”

阿波羅13號專題報道

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