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2019-07-11 18:45
飘上月球的不朽之船前传

本文来自微信公众号:haibaraemily_planets(ID:haibaraemily_planets),作者:天才琪露诺,编辑:haibaraemily,头图来自:东方IC


上回说到,土星五号SA-501飞行测试的圆满成功让火箭工程师们松了口气,毕竟火箭这种东西就是一锤子买卖,在时长8-9天的登月任务中,火箭部分满打满算不会超过8个小时。之后随着S-IVB关机,指令/服务舱(Command&Service Module,CSM)将登月舱(Lunar Excursion Module,LM/LEM)从整流罩内缓缓抽出之后,火箭工程师们就能开香槟庆祝了。


而苦逼的飞船工程师们却不得不紧张兮兮地等到任务结束,带着降落伞的返回舱溅落在海面上,潜水员把宇航员们跟海豹一样从舱中拖出来的时候,才能在任务中心点燃一根雪茄。


别看这一级二级三级让无数工程师们掉光了头发,它们都会在火箭发射后的几个小时里依次扔掉的,最终飞向月球的阿波罗飞船,其实只有一点点大


土星五号的大小和结构。来源:National Air and Space Museum和NASA,改编:haibaraemily


从这集开始,我们将介绍登月的真正主角——阿波罗飞船部分。这里再多说一句,我们在定义阿波罗计划的火箭部分与飞船部分时,往往以S-IVB上部的裙环为界限,下面是火箭,上面是飞船。


正在吊运中的阿波罗6号飞船部分。来源:NASA


不过,别看这部分相比于整个土星五号只有一点点大,但事实上这个组合体的高度已经逼近红石火箭-水星飞船组合体了,而后者开启了美国的载人航天时代

 

一、载人登月项目缘起


虽然在1961年第一个进入太空的美国人艾伦·谢泼德没能入轨,甚至被赫鲁晓夫揶揄为“跳蚤的一跃”,但时过境迁,仅仅8年之后,美国人就实现了载人登月,不得不说是十分梦幻的历程。如果让笔者选择一个年代穿越的话,我大概会选择穿越到上世纪60年代的美国,去亲眼见证他们在航天事业上的奇迹。(蒙酱按:而且还能怀有一种“下一个十年我们准能登陆火星”的美好幻想)


和其他航天计划一样,美国的载人登月项目也可以追溯到一个比较早的时期,甚至可以直接追溯到1958年NASA正式开业的时候。当时冯·布劳恩(已经是我们系列文章的老朋友了)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)直接参与了项目工作。


这两位助手是跟着冯·布劳恩一起被从德国拐来的,弃暗投明之后在美国航天界也是大显身手,前一位直接参与了土星一号火箭的设计,而后一位比起他在航天上的非凡成就,更让他出名的则是他给赞比亚修女玛丽·尤肯达写了封信,这封信已经成为了回击“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索太阳系,今后还要实现载人太阳系内的探索。而要想实现载人太阳系的探索,就要先实现载人登月


在次年(1959年)的《未来10年航天发展》(The Next Ten Years in Space)报告中可以看到,NASA原本是把绕月飞行作为“水星计划”在未来十年发展的最终目标的,然而即使是这样都很多人觉得不太现实,因为有太多太多的问题需要解决了。不过最后这份报告还是通过表决,送到了时任总统艾森豪威尔的办公桌上。


这份报告一口气提出了四种火箭的计划:织女星(Vega)、半人马(Centaur)、土星(Saturn)和新星(Nova)。前两个是上面级,后两个就是运载火箭。


1960年9月8日,艾森豪威尔总统出席了马歇尔太空飞行中心的落成典礼,与时任NASA局长格伦南以及冯·布劳恩合影留念,看总统笑得这么开心,批示肯定是过了。


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


1959年,NASA成立了载人航天研究领导小组,以哈利·戈特(Harry Goett,时任Ames研究中心主任,同年9月转戈达德航天中心主任)为首,共有10人,称为戈特小组。而戈特小组很快在NASA领导层的要求下召开了第一次会议,确立了载人航天的九步走路线:


1、尽早开展载人航天研究(即水星计划)


2、人造卫星及返回式卫星;


3、带有生命保障系统的卫星;


4、可控载人卫星(载人宇宙飞船)


5、载人空间实验室;


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,每前进一步,都将面临着大量的问题。而我们今天回望时,居然能够惊异地发现,阿波罗计划几乎就是按照这条路径按部就班实行的。


为了解决这些问题,戈特小组于同年6月25-27日在Ames研究中心开展了第二次会议,比较了直接往返与交会对接方案,二者各有优劣:


直接往返需要一枚总质量4500-5000吨的运载火箭(即“新星”火箭)


而交会对接对于运载工具的要求略低,但是需要比较复杂的交会对接系统。


不过,这两种登月方案都需要一些共性的技术:可调登月下降火箭,可长期贮存的燃料,低温防护以及能源系统问题等等。


1959年底,戈特小组开始了第三次会议,讨论了再入返回、航天器轨道组装、伞降系统、辐射防护以及载人空间实验室的必要性问题,同时会议指出,绝大多数的技术将需要靠一个双人14天的飞行任务进行验证解决,这个设想变成了后来的“双子星”计划。



由双人完成的“双子星8号”任务,发射于1966年3月16日。执行任务的尼尔·阿姆斯特朗和大卫·斯科特…前者参与了后来的阿波罗11号任务并成为了首个登上月球的人类,后者参与了后来的阿波罗9号和15号任务。来源:电影《登月第一人》


而在之后的一年,NASA就飞行时间、推进系统、轨道规划、月球重力影响等关键技术问题开展了讨论,并确定了载人飞船将由1-2个主要组件组成。基于2个主要组件的飞船设计计划还涉及到交会对接问题,因此NASA还在1960年5月召开了关于交会对接技术的座谈会,确定了交会对接将是未来一个需要解决的重要技术。这些努力为后续的载人绕月方案给出了思路,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。来源:NASA

 

二、开放竞争,百家争鸣


在大方向确定了之后,就是开展飞船系统可行性验证工作了。NASA于1960年9月12日开始招标可行性方案研究合同,很快便有88家企业响应,但仅有63家企业通过了审查。


而同年10月9日,NASA收到了14份标书——多家企业为了能接下单子,组成了联合投标团。不过NASA告知即使没中标也没关系,“阿波罗”飞船的蛋糕大得很,做不了主要的也能做一些次要的工作。


次日,NASA将任务分解为五个方面:轨道规划、飞航控制、生命保障及辐射控制、机载系统和系统集成。


在半个月之后的10月25日,来自圣地亚哥的康维尔公司、来自费城的通用电气公司以及来自巴尔的摩的马丁公司赢得了合同,每家公司均获得了25万美元的研究经费。


这个可行性研究主要还是为了回答NASA在之前提出的五个问题:“1、飞船能赶上土星运载火箭的进度吗?2、飞船的重量能不能控制在土星运载火箭的运力范围内?3、相关技术进展的时间节点有吗?4、空间辐射是否对宇航员在奔月途中有影响?5、这个项目要花多少钱?”


这五个问题真是直击灵魂,特别是最后一个问题。不过毕竟是可行性调研,就是在短时间内花点小钱试个水,以防项目正式启动后发生问题造成巨额损失。


经过了一段时间的通力合作后,NASA的委员会在1961年初分别依据这些公司的成果,回答了这些问题:总体比较乐观,奔月的载人飞船在技术上是可行的,不过问题在于运载火箭至少需要将27.2吨至36.3吨的载荷投送至地月转移轨道(而实际上阿波罗飞船会在此后不断地吃胖),计划中的C-2运载火箭只能勉强将其送入地球轨道,这也直接导致了后来C-2的取消。


当然这只是一个初步的结果,第一份正式报告则稍后在5月份公布:


康维尔公司设计了一个具有三个模块的航天器,包括了指令舱,推进舱以及任务舱。同时其也指出,飞船系统的制造将在未来6年之内花费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,并且设计了舱室内部保护层以防止微流星的破坏导致气体泄漏,这两个设计花了两倍于康维尔的钱——200万美元,不过完成度比较高,几乎可以进行试飞了。


马丁公司做的研究非常深入,除了按照要求进行设计之外,它的工程师们在飞船的多能性、灵活性、安全性、可升级等等这些只有最终绕月或者登月才能涉及到的细节上进行了大量研究。


其飞船设计由五个模块组成:一个整流罩,其顶部有一个逃逸火箭;整流罩后面是指令舱,其使用铝合金加压外壳保证气密性,底部有一个复合材料组成的隔热大底,2名航天员肩并肩坐在前排,而第3位航天员坐在他们后面;一个推进舱为飞船提供动力;一个可抛弃的任务舱,其可单独作为一个太阳风实验室;一个底座,就是留在月球上的一部分,它甚至可以作为一个小型实验室继续工作!这样诚意满满的设计让笔者不由得想起了我国“神舟”系列载人飞船,在返回舱再入之后,轨道舱依旧能作为一个小型空间实验室继续工作。


这样完善的设计让马丁公司的300名工程师奋斗了6个月,花费了300万美元。而最终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“东方号”完成了人类首次载人飞行,甚至一发入轨之后,美国航天人的“史泼尼克危机”又加了码。


NASA因为苏联人又抢先了,在4月14日的时候提出“如果想在登月事业上超过苏联人的话,未来十年需要200亿到400亿美元的预算,加急还要收加急费。”而今天我们统计登月项目整个的花销大约也在250亿美元左右,估计得还算是准确。


同年5月25日国会的《国家面临的当务之急》中,肯尼迪总统提出“尽快实现载人登月”。报告获得了国会全体成员一致通过。在此之前,总统先生已经在3月感觉到了端倪,提出了加大航天事业的投入力度方针,因此当NASA的预算呈上去的时候,他大手一挥,在艾森豪威尔总统的111亿美元基础上,将1962年度对NASA于的拨款增加到了125亿美元。


现在钱袋子的问题差不多解决了,那就应该大建了。


1961年初,NASA就提出了登月飞船的承包商招标方案——我们得敞开竞争,谁家的飞船做得好就让谁家上。特别是登月飞船这种大单更是要精益求精,要知道NASA的订单只要超过100万美元,就需要对承包商进行细致的审查,超过500万美元的订单,就需要高层签字。


于是在同年7月,NASA正式招标,立刻就有14家企业报名;8月14日,NASA把所有有意向的公司负责人召集起来开了个小会,会上各界代表共提出了400多个细节性问题并一一得到解答,最后生成的指导手册则是所有承包商形成设计方案及投标材料的指南。而在10月9日的截止日前,最终有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立刻组织专家组开展了数周的评估,最终结果在11月24日公布,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。来源:NASA


不过专家组也表示,如果马丁公司没能最终获选,那么北美航空公司将是下一个合适的承包商,多年的飞机制造经验让北美航空公司研制出了X-15超高音速验证机、F-100“超级佩刀”第一代超音速战斗机、F-86第一代喷气式战斗机,可谓是功勋卓著。


这个意向因为未知原因很快泄露了。马丁公司的员工们在得知了这一喜讯之后,都在消息正式公布的前一天(11月26日)翘首盼望着这个历史性的时刻——经历了两年的艰苦奋斗以及五周的焦急等待之后,他们的努力终于得到了回报……


……吗?


第二天,消息传来——北美航空拿下了登月飞船的制造订单。这家自NACA起就与NASA合作紧密的伙伴还是得到了NASA的青睐。那一天,有多少人欢呼,又有多少人垂泪。但竞争就是这么残酷,明明高了0.3分,但并没有什么用


不过就算登月飞船的承包商已经确定了,此时的NASA还依旧在为用什么方式实现登月而吵得不可开交!

 

三、如何登月:直接往返 vs 交会对接?


在“土星五号”系列中,有一段内容刻意没有提及,那就是实际上“新星”运载火箭的研究工作是与“土星”运载火箭的工作同步进行的。


本质上,“新星”使用的发动机技术与“土星”一致,唯一的区别就是主体结构的大小。上一集中的罗森就是一个坚定不移的“巨大型RPG主义者”,他一直坚持用“新星”运载火箭发射,在1960年的讨论中也顺手也给C-5的S-IC级加了一台F-1发动机。


而在1961年11月,罗森、霍姆斯等人又在亨茨维尔开了两个礼拜的会,会上的一个内容不仅是确定了“土星”系列火箭的S-IC级要有5台发动机的政策不可动摇,更重要的内容是要确定月球怎么上,是交会对接还是直接往返。


三种登月方式:直接往返、地球轨道交会和月球轨道交会。来源:NASA


一般来说,登月的方式无外乎直接往返(Direct),地球轨道交会(EOR)和月球轨道交会(LOR)。直接往返很简单,一发大的火箭,把大的飞船直接送过去再送回来;EOR需要两发不那么大的火箭,把一艘大的飞船,跟一个助推火箭合并,然后奔赴月球,之后的套路跟直接往返一样,一艘大飞船直接回来;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,最后不那么大的飞船回来。


除此之外,还有月球表面集合(Lunar Surface Rendezvos,LSR)这种小党派的存在——用两发不那么大的火箭,分别带着两艘大的飞船落月,但其中一艘是油船,专门给载人飞船加油,让其直接返回。


月球表面集合方案,最终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。来源:NASA


就算是这种“异端”,也还有更极端的做法,反正横竖都要补给,不如在月球上多待几年回来,大不了多发射几艘补给飞船!不过很快这个方案就淹没在三家大党的战争中了。


这次的会议真的是火药味不断。支持直接往返的纷纷表示,这个方案最安全了,你要是对接上出个什么闪失就太危险了,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代在月球上了。支持对接的则反驳,你直接往返要的火箭太大,搞小部件的进度肯定比搞一台大火箭要快的多,直接往返的话,进度来得及吗?支持直接往返的再反驳,反正F-1发动机已经开始做了,你搞得带5台F-1发动机C-5,我就搞不得带8台F-1的“新星”?…


这样的争吵直到会开完了还没有个定论,支持直接往返的依旧在争取“新星”火箭的拥趸,支持交会对接的继续去研究交会对接的技术。


但至少无论如何,吵架对C-5运载火箭的研制计划没有任何影响,“新星”可以在C-5的基础上继续升级(实际上C-8的指标已经跟“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。于是年底的时候,C-5运载火箭的各个部件就确定了承包商。(跟前面的部分完美对接)


时间到了1962年,是时候做个了断了。冯·布劳恩团队年初在仔细审查“新星”的方案之后,说这玩意儿的技术问题太多,在60年代肯定造不出来。也因此,“新星”火箭的计划在后续事件中逐渐废止,这台一级使用8台F-1的巨无霸,终于消失在了历史的长河中。


“新星”(Nova)运载火箭的早期设计以及“阿波罗”飞船整体落月/起飞的构想。来源:NASA


 四、交会对接:地球轨道交会 vs 月球轨道交会?


那么接下来就是要分析交会对接的问题了,虽然地球轨道交会EOR和月球轨道交会LOR都需要交会对接,但EOR的最终成品还是一枚巨大型落月飞船。而LOR需要的载荷就小得多,而且还能玩出很多的花样。


1961年底,NASA的兰格利研究中心在对LOR方案进行了若干年的分析之后,提出了三种落月返回方案:


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


3、“豪华型”(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范——他们的计划原先也是单人落月,但美国人做得显然配得上“简配型”的名称,因为它是长这样的:


这是艺术家的想象图。来源:NASA


不对,是这样的:


真正的设计图,源自1961年11月。来源:NASA


看到没有,看到没有,椅子登月!你们这群小绿人还是图样。


马歇尔太空飞行中心(MSFC)的专家们偏向于支持EOR,并认为LOR还有很多问题没解决,实在是太危险,一有闪失就得让总统先生准备第二份演讲稿;不过仅需要一枚C-5的“经济适用型”方案着实让人难以无视,而且简化的登月舱设计可以将容错率降到最低,更重要的是,它也可以直接套用阿波罗飞船整体落月方案,只需要再加个登月舱就行,不会影响承包商的研制进度。而霍姆斯以及德莱顿飞行研究中心(Dryden Flight Research Center,DFRC)主任谢伊(John R. O'Shea)也正是看中了这一点,对LOR产生了十分浓厚的兴趣,尽管他们自己也承认LOR“似乎需要进一步研究”。


两派在1962年的上半年依旧为到底在哪里对接产生着严重的分歧,而时间不等人。要知道第一枚C-1火箭(也就是后来的土星1号)已经在去年发射了,当时就是因为没有一个合适的飞船模型而不得不搭载富余的“朱诺二号”的头锥,以及额外的S-V来作为模拟载荷。要是再不作出决定的话,整个项目就会因为顶层设计的犹豫不决而受到拖累,这是牵一发而动全身的事情!


在5月中旬,谢伊找到了冯·布劳恩,他向布劳恩介绍了LOR的优势,希望能得到支持。而另一方面,MSFC也不是唯一担心EOR最终落选的主,刘易斯研究中心(LRC)担心采用了LOR之后,就不会用他们设计的月球撞击器,也在做专家们的工作。在五月底,NASA的气氛陡然变得紧张了起来。


终于到了6月7日。在当天的会议中,冯·布劳恩的团队经过了长达6小时的论证EOR的种种优势,在普遍支持EOR的氛围下,团队领袖冯·布劳恩的15分钟表态不啻于扔下了一枚重磅炸弹:他摘录了会议的内容,认为LOR更加合适。


面对错愕的观众,他说:“我再重申一遍,我们必须要在接下去的几周之内完全确定登月方案,打不得折扣…如果我们再不抓紧作出明确的决定的话,这个十年内登月的机会就很快溜走了…LOR是我们在这个十年内,为了实现登月这一目的,所能做的最可能成功的方案…我们将这两个航天器(即指令舱CSM和登月舱LEM)分成两个独立的模块,能够最大限度简化飞船系统的设计,而且能省下大量的时间。”


他同时指出,采用LOR的方式还可以避免混乱无序的管理问题。由于飞船系统的设计得到了简化,那么太空中心与承包商之间的关系就可以跟着简化——现在已经有太多的承包商来负责整个飞船子系统的设计;同样,LOR对于整个项目其它部分,包括火箭的设计、已确定的结构部分以及厂房等都不会造成很大的影响。


“我们一开始听说要搞LOR的时候,也是比较怀疑的,载人飞船中心(Manned Spacecraft Center,MSC)也这么觉得,但他们经过了一段时间的可行性论证之后,最后也支持了这个方案。”他很诚恳地解释着,同时对支持EOR的人们表达了敬意,“MSFC也好,MSC也好,都为这个项目付出了很多,我由衷地感谢他们…精诚的研究才能诞生真知,相信MSFC的研究结果也将促进MSC向着真理更迈进一步。”


谢伊后来回忆起当时的场景时表示“冯·布劳恩将两家研究所又团结在了一起。”不过当时他正在进一步对比EOR与LOR的优劣,最后发现LOR只需要92亿美元的花费,而EOR则需要106亿美元,而且前者还能节约6-8个月的工期。在技术问题上面,两种方案没有特别明显的区别,毕竟没有什么是氪金+爆肝解决不了的。


1962年7月11日,NASA的高层在新闻发布会上正式公布月球轨道交会LOR为登月方案,同时宣布将开始并加快土星-1B运载火箭以及登月飞船的研制,一切终于尘埃落定。


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,载人飞行部系统主任谢伊。来源:NASA


而7月底,LOR成为了最佳选择的解释文本出炉:EOR被认为是最难以成功,且系统最复杂最多的项目;利用“新星”火箭实现直接往返最稳妥,但“新星”火箭被证明无法短时间内被制造出来;退而求其次的利用C-5实现双人直接往返的缩比飞船则将带来更多的装备以及可靠性问题。


 五、结语

从1959年到1962年,3年的论证,终于确定了阿波罗飞船任务的细节。在这张飞船构型与布置的变迁图中,可以看到飞船系统前期论证是如何地一波三折。


登月飞船构型与布置的变迁图。来源:NASA


作为实现载人登月的核心系统之一,飞船系统的设计论证同样倾注了太多人的心血。诚然,无论是飞船的设计,还是登月方式的选择,有最终获胜的赢家,也有黯然失意的输家——但所有人都是在为实现登月这个共同的伟大目标而拼尽全力。


在这个共同的目标之下,没有输家。


飘上月球的不朽之船,方案已经准备完毕,接下来的工作,就交给工程师们吧。


本文来自微信公众号:haibaraemily_planets(ID:haibaraemily_planets),作者:天才琪露诺,编辑:haibaraemily


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