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阿波罗13号太空事故深度揭秘
2015-04-20 10:57:59  来源:新浪科技  作者:佚名  关注:  点评:0点击收藏
龙媒网(www.longmeicn.com):

  很多美国航天业内人士对于导演朗·霍华德(Ron Howard)拍摄的电影《阿波罗13号》常常怀有一种又爱又恨的矛盾心理。这部电影对美国宇航局的阿波罗计划进行了可说是极为精准的描述,并且大体上对 阿波罗13号意外事件的处理进行了正面的展现。同时在这部影片中也表现了美国宇航局当年在处理阿波罗13号危机的7天时间里在救援工程方面所做的海量工 作,并将这一危机事件的应对提升到了接近“神话”的高度。
 

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很多美国航天业内人士对于导演朗·霍华德(Ron Howard)拍摄的电影《阿波罗13号》常常怀有一种又爱又恨的矛盾心理

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分离后即将坠落大气层的阿波罗13号服务舱,可以看到由于液氧罐发生爆炸导致的严重破损

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阿波罗13号的三名宇航员:登月舱驾驶员弗雷德·海思(Fred Haise),指令舱驾驶员杰克·斯威格特(Jack Swigert)以及任务指令长吉姆·罗威尔(Jim Lovell)

 但在另一方面,《阿波罗13号》这部电影毕竟仍然逃不过好莱坞的那一套——无限制地聚焦和放大各个角色人物之间的关系话题。当飞船处于月球背面时,宇航员吉姆·罗威尔(Jim Lovell),杰克·斯威格特(Jack Swigert)以及弗雷德·海思(Fred Haise)互相之间实际上从未大声说话甚至相互吼叫,没有任何人怀疑过斯威格特的驾驶技巧。而同样的,在地面上的替补宇航员肯·马丁里(Ken Mattingly)也从未像影片中表现的那样将自己锁在一个模拟仓中亲自为阿波罗13号的动力故障设计排障方案。

  在影片中,人类的第三次登月行动已经显得非常平淡无奇:1960年代肯尼迪总统提出的要将一个美国人送上月球并安全送回来的非凡挑战已经达成,而公众对于登月的壮举也已经开始逐渐失去最初的那种兴奋,甚至电视台也已经不再对登月进行直播。但就在此次任务执行到第三天的时候——1970年4月13日,一件意外事件的发生,重新将全世界人们关注的目光吸引到了这艘小小的飞船和它上面3名美国宇航员的身上——一次常规的检查程序却导致了飞船氧气舱的爆炸。突然之间,这三名宇航员的安危变得命悬一线。

  那么,如果说这部几乎在20年前拍摄的影片并未展现这次事件的全部景象,那么当时阿波罗13号事件的实际情况又究竟如何呢?氧气罐究竟为何会发生爆炸?而如果说这儿氧气罐本身就有缺陷,那么一开始它是怎么会被安装到飞船上去的?但最重要的一点还在于,在哪个仍然主要依赖算尺和极度原始计算机设备的年代,在45年前,在经历了那样严重的故障之后,阿波罗13号究竟是如何竟能安全返回地球的?

  阿波罗飞行控制员Sy Liebergot是回答这些问题的权威专家,他曾经单位诸多项目的EECOM(“电力,环境和通信系统”)操作员,其中就包括阿波罗13号项目,他对涉及阿波罗13号事件的一些问题进行了解答:

  当时地面上到底发生了什么?

  在从地球飞往月球的过程中,阿波罗飞船实际上是由3个(其实也可以说是4个)主要的部分组成的:粗短的阿波罗飞船指令仓是宇航员所在的舱段,柱状的阿波罗服务舱里则主要用来安放飞船的电子和环境维持设备,另外还有外观略显笨拙的登月舱,而登月舱本身则也可以再分为两个部分——上升段以及下降段。

  阿波罗飞船使用一套复杂的电池以及三台大型燃料电池为其所有设备提供电力供应,其中燃料电池会承担飞行阶段的大部分电力供应任务。这种燃料电池的工作原理是将氢和氧进行反应,从而产生1.4kW的30V直流电,并在过程中产生少量水。这样产生的电力将用于驱动飞船各大系统,而产生的水则将被用于飞船系统冷却,以及宇航员的日常饮用,卫生用水,脱水的食物加水以及其他各种用途。

  而尽可携带大量氢气和氧气的效率最高的方式便是使它们处于液态的形式,因此在阿波罗飞船的服务舱内安装有两个大型的液态氢罐(每个内部装有13公斤的液氢),另外还有两个液态氧罐(每个内部装有大约148公斤的液氧)。之所以液氧的重量比液氢多出许多,是因为其密度相比液氢要高得多。

  简单来说,阿波罗13号遭遇的问题主要是围绕第二个液氧罐,即所谓“二号灌”而发生的。这个圆形的液氧罐是在多年前由Beech Aircraft公司根据与North American Rockwell公司之前签署的合同制造的,其最初的制造目的是安装在1969年发射升空的阿波罗10号上。但就在阿波罗10号发射之前,这个液氧罐却被拆卸了下来进行维护和改装,并曾在这一过程中发生过掉落事件——这个罐子曾经从大约2英寸(约合6厘米)的高度上摔落下来。

  最终,这个可能遭受了损坏的液氧罐没有被再装回到阿波罗10号上,而是另外再制造了一个新的液氧罐。但与此同时,这个掉落的液氧罐经过了检查,结果并未发现有损坏的情况。然而,这种外部检查却发生了一项致命的疏忽:其内部有一根管线遭受了轻微的破损。

  于是美国宇航局便将这个似乎没有遭受损坏的液氧罐分配给了阿波罗13号的服务舱继续使用。在发射前,技术人员再次对各项部件进行了严格检查,在其中一次检查中,这个液氧罐被发现无法正确地排空液氧(其原理是将气态的氧气充入液氧罐,将液氧全部挤压出来,但由于一道管路损坏,无法做到完全的排出)。最终测试组决定通过加热的手段排空液氧罐。

  这时,他们犯下了一项严重的错误:液氧罐本身带有加热装置,其设计目的是通过适当加热,帮助氧气在管路系统中的流动。根据设计,该加热装置应当通过飞船的28V直流电力系统供电,但测试组却将它与65V的地面线路连接了长达8小时之久。过高的电压导致的大电流导致加热器开关被烧化,固定在了关闭位置上,这就让它无法及时在情况异常时启动自动关闭程序,于是液氧罐内的温度持续升高,一直到了超过1000华氏度(约合537.7摄氏度),而安装在液氧罐内部的温度计设定的最高温标才80华氏度(约合26.6摄氏度)。但从外部观察,看不出任何异常情况。

  这次持续了整整一晚上的加热的确清空了液氧罐,但也对其内部造成了难以估计的损坏。美国宇航局后来的调查报告中提到:“液氧罐内部管路使用的特氟龙绝缘层遭受了严重的损坏”。

  在太空中发生了什么?

  类似液氧这类的液态冷冻液体在微重力环境下会倾向于“分层”,也就是说,在缺乏重力作用的情况下,它们会倾向于形成不同的分层并在其所处的空间内向周围扩 散。而当这一空间就是液氧罐的内部体积的时候,这种分层效应就会让测量液氧罐内部的液体量变得十分困难。因此阿波罗飞船的服务舱液氧罐中还安装了一套内部 涡扇,就像小型船桨一般的叶轮,用于液氧罐内容物的搅拌,目的是使其更加均匀,以便对其内部液体的量更好的进行测量工作。

  在每一次啊阿波罗任务飞行期间,都会进行这样的例行搅拌操作。但没有人知道的是,对于阿波罗13号而言,每一次这样的搅拌都将可能引发一场潜在的巨大灾难——每一次启动二号罐的搅拌叶片,电流都将会通过受损的线路。

  在任务进行到第56个小时之后,指令仓飞行员杰克·斯威格特进行了例行的搅拌操作。根据推测,这次操作产生了几颗火星,点燃了二号罐内的特氟龙材料。在液氧环境下,特氟龙材料的燃烧十分迅速,在液氧罐内瞬间产生极高压强(超过41 MPa)。这样的压强不但超过了液氧罐阀门的承受极限,也超出了液氧罐结构强度的极限,于是,液氧罐发生了爆炸。

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从阿波罗11号上回望地球

  拯救行动

  一艘位于地-月轨道上的脆弱飞船发生爆炸,这可不是一件小事。对于阿波罗13号而言,这样的事件结果将是非常严重的。正如此前提到的那样,飞船上的氧气供应并非仅仅是供应呼吸之用,还要用于与氢气混合以产生电力与水。而在这样一次爆炸之中,阿波罗13号突然之间失去了供电和维系生命的主要物质来源。

  整个服务舱的结构就像一个葡萄柚,或者说像是一块被切成一块一块的派,不同的部分被组合在一起,每个部分拥有不同的功能。一直到阿波罗13号之前(也包括阿波罗13号),所有的阿波罗飞船上的两台液氧罐都是被放置在同一个模块内的。Sy Liebergot表示:“所有的东西都被放置在一个架子上,包括那些用于向一号罐和二号罐输送氧气的细小管路。因此很容易理解,发生在二号罐的爆炸也将影响一号罐,因为它们都挤在一起。”这也正是阿波罗13号所遭遇的处境——尽管从外部看一号罐并未遭受严重破坏,但其与二号罐之间的连接管路发生了破损,导致阿波罗13号上剩余的氧气也开始不断向太空泄露。

  Liebergot笑道:“有人大概会问‘为什么我们不把这两个罐子分开放呢?’好吧。答案是那样做生产起来不太方便。”从阿波罗14号开始,飞船的服务舱内安装了一块额外的燃料电池,并在两个主要液氧罐安装位置的另外一端安装了一个额外的备用液氧罐,这个备用罐与飞船燃料电池完全隔离,专用于在紧急状态下为飞船的乘员提供维持生命所需的氧气。

  而 当所有这些事发生时,地面上的控制员们仍然不甚清楚究竟飞船上发生了什么事,他们指令宇航员关闭通一号燃料电池,随后又指令关闭了二号燃料电池。这项操作 的目的是想阻断氧气的流动并确保至少一块燃料电池能够继续使用。但这样一来就等于放弃了登陆月球的企图,因为根据设计,要想登陆月球表面,飞船必须确保至 少有两块燃料电池是处于工作状态的——而此时剩下的那块燃料电池开始从阿波罗飞船指令仓中那个较小的储备液氧罐中汲取氧气。这个液氧罐被称为“缓冲罐”, 因为其设置的目的之一便是保持舱内氧气压力的稳定。此时地面控制员终于意识到,现在他们面临的已经不是宇航员还能不能登陆月球的问题,而是能不能将这些宇 航员安全送回地球的问题。

  美国宇航局的飞行控制中心组成了一个精英团队来负责此次危机以及后续事件的应对,Liebergot也是其中的成员之一,负责EECOM(电力,环境和通信系统)岗位操作。由于EECOM团队的主要职责是飞船的电力以及环境维持系统,Liebergot肩上的担子很重。

  地面控制中心此时正面临着一系列极端复杂也极端艰难的选择需要去做,他们必须决定接下来要采取哪些措施以便确保宇航员生命的安全。尽管在美国公众的印象中,美国宇航局似乎是一个效率低下的官僚机构,但在此次危机应对中,美国宇航局行动迅速——在短短6个小时内,地面控制中心便做出了一系列后来看来是至关重要的操作决策,为成功挽救太空中宇航员的生命发挥了关键作用。随后是差不多长达4天的煎熬和等待,等待阿波罗13号飞船绕过月球并朝着地球飞来。

  在爆炸发生后的最初40分钟内,根据地面指令,宇航员们开始为登月舱加电,试图将其变为他们的“生命之舟”——这种危机处理方式此前在阿波罗10号任务训练期间曾经或多或少做过探讨,但后来这种做法却被舍弃了,美国宇航局给出的原因是认为这样做“不现实”。但根据惯例,美国宇航局的工程师和飞行控制员们会在这样的模拟操作中制作出操作流程手册并保存下来。爆炸发生后,这些操作流程手册被迅速找了出来投入使用。

  当爆炸发生时,地面控制员与宇航员们有两项任务需要去做。首先是确保指令仓内自己的备用液氧罐完好无损,因为其中的氧气将可以被用于返航时所需。而尽管服务 舱内安装有飞船上的主要液氧罐,但指令仓内也安装有一个“缓冲罐”以及三个更小的液氧罐。在判明最后一台燃料电池正在从中吸收氧气用于自身发电的情况之 后,Liebergot果断关闭了所有这些液氧罐。

  Liebergot表示:“我从没想过我们会失去这些宇航员,因此我所做的事便是试图节约氧气的消耗,用于他们在返回地球大气层时使用。”

  第二项任务听上去则似乎与第一项任务相互矛盾,那就是尽可能让那块正在吸取储备液氧罐中珍贵氧气资源的燃料电池维持久一些的工作时间以便为登月舱完成充电。 通常这一过程是一项极具技巧性,包括长达数小时时间,数百项操作动作的复杂操作过程。必须尽快关闭指令仓的需求产生了类似“先生鸡还是先生蛋”的问题困 境,因为首先登月舱必须从指令舱的计算机中获得关于初始位置和航向的数据,这样它的推进系统和导航系统才能将宇航员们送回家。Liebergot表示,当他的搭档John Aaron前来换班时,他立刻意识到了自己所面临的问题。他说:“当时John走过来,他说我们需要更多时间给登月舱充电,我们不会有氧气的问题,我们在登月舱中有很多氧气!”幸运的是,利用一号罐中剩余的氧气,加上从指令舱电池系统中回收的部分氧气,加起来足以提供让登月舱返回地球所需的电力。

  登月舱中储备有远超3名 宇航员所需的氧气。其内部拥有大量的氧气储备。事实上登月舱储备的氧气甚至可以完成多次舱内再加压,以便满足宇航员登陆月球之后的舱外活动所需。相反,水 却成为一个大问题。为了节约重量,登月舱使用的是电池,而不是燃料电池。因此不像服务舱中的情况,燃料电池发电的过程会产生水,在登月舱中质储备了固定数 量用于引用和设备冷却的水。地面控制中心不得不尽可能关闭登月舱内的设备以便减少其产生的热量对储备水体使用的压力。

  让情况更加复杂的是,应对团队接下来还必须设计一种方式,从而可以使用登月舱上的导航计算机来引导阿波罗/登 月舱组合体的飞行。尽管指令舱和登月舱内都安装了几乎一样的阿波罗导航计算机设备,但两者使用的软件则完全不同。登月舱软件使用的飞行参数无法处理指令舱 和服务舱的情况,其中的根本性变化比如飞船质心的改变等等。要想解决这个问题,必须依赖于地面控制中心进行的精密测算并给出新的参数。

  另 外,登月舱内的环境维持系统也并非是为确保三名宇航员度过数天的时间设计的,因此宇航员们必须借助于指令舱中的二氧化碳过滤装置来确保登月舱内呼吸的空气 中二氧化碳浓度不会太高。但在这过程中也出现了一些障碍:指令舱的过滤器接口是方形的,它无法与登月舱圆形的接口兼容。于是地面上的工程师们紧急行动起 来,利用阿波罗13号上现有的物资进行试验并找到了解决方案。

  一次“成功的失败”

  造成阿波罗13号飞船事故的原因是由很多的小小失误逐渐累加形成的——液氧罐的坠落,没有进行必要的液氧罐内部检查,液氧排空操作上的失误以及灾难性的高温烘烤。当所有这些因素累加在一起,导致的结果是惊人的,以至于地面控制人员一开始还难以相信他们所看到的情况。Liebergot指 出,当时的故障报告制度相比今天还显得较为原始。出现故障的系统会在地面控制台上激发相应指示灯闪烁,但当问题过去之后,指示灯将不会再继续保持闪烁。而 要想回放测控数据带则将耗费一定的时间而无法做到实时进行,甚至追踪问题的所在常常还需要借助纸和笔进行最原始的手算。因此在当时的条件下,应对这类多种 原因导致的复杂局面非常棘手。

  而对于阿波罗13号的最终获救,最大的原因应该说是地面控制人员和飞船乘组此前所进行了数以百计的反复练习。每一位控制员,包括所有的支持人员都对他们各自领域的专业知识非常了解和熟悉,基本上都到了最细节的地步。而对于阿波罗13号的飞行乘组而言,除了对原定的飞行计划烂熟于胸之外,他们都是杰出的飞行员,他们所受的训练让他们能够在最危急的情况下保持镇静和头脑冷静。他们能够在即便最极端的精神和身体压力下精确地进行大量极为复杂的操作。

  正是阿波罗13号上的宇航员们能够在最危机的情况下保持冷静,并在问题出现时及时进行解决,才最终让他们能够从这一极端复杂的险恶环境下脱险。美国宇航局的“模拟,模拟,再模拟”思维决策意味着即便出现类似阿波罗13号这样严重的危机事件,永远都可以找出某种形式的应急方案来。另外,此次任务的控制员们在制定应急救援计划时,他们对于飞船各个系统的极限性能都有着非常清楚的了解和把握。

  代号为“水瓶座”(Aquarius)的登月舱拯救了阿波罗13号上三名宇航员的生命,大大超越了它最初设计的功能。当阿波罗13号的宇航员们将指令舱与登月舱分离开时,地面通讯员Joe Kerwin短暂的暂停了与飞船之间的正常通讯。在经过了一阵之后,Kerwin开口了,带着对这台机器的感激之情:“再见,水瓶座,我们感谢你。”
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