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阿波罗13号,揭露阿波罗13号安全返航原因


2015/6/3  编辑:admin 来源:本站整理

阿波罗13号

阿波罗13号是美国(美利坚和众国)阿波罗计划中的第三次载人登月任务, 1970年4月11日美国用土星5号运载火箭将阿波罗13号飞船发射升空, 就在升空后接近56个小时的时候, 阿波罗13号飞船2号贮氧箱发生爆炸, 在经过地面指挥中心的抢救之后, 阿波罗13号上的3名宇航员在与各种恶劣环境斗争之后, 成功的于1970年4月17日顺利降落。

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当时阿波罗13号飞船的情况究竟是什么样的?究竟是氧气瓶事先就有缺陷还是在飞行过程中操作不当导致爆照?经过了几天的抢救, 阿波罗13号究竟是怎么样安全返回地球的呢?

阿波罗13号登月过程

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1970年4月11日, 美国用土星5号运载火箭将阿波罗13号飞船发射升空, 来进行计划中的第3次登月飞行。 这一次飞行的航天员是洛威尔、海斯和斯威加特。

飞船飞行到46小时40分02秒时, 航天员杰克•斯威格特按指令摇氧气管, 由于接头处胶皮老化, 起火(没被及时发现), 之后发现2号贮氧箱贮量显示超差。

55小时53分时, l号贮氧箱压力偏低, 指令舱报警器报警。

55小时54分53.3秒时, 飞船遥测数据信息丢失1.8秒, 主母线电压下降, 报警系统system报警。

差不多就在这个时刻, "砰"的一声, 服务舱中的2号贮氧箱发生爆炸。

飞船的报警灯亮了, 报警器响了, 主电压继续下降。

斯威加特当即向休斯敦飞控中心报告:"喂!我们我自己这里出事了。 "

海斯从登月舱的通道爬到指令舱, 看到一些系统的电压已降到零, 也立即做了报告。

这些情况都用电视实况转播给了全美国、全世界, 使成千上万的人目瞪口呆。 无数的美国人为他们祷告。 休斯敦飞控中心及时分析, 认为是液氧贮箱爆炸起火, 使得飞船上的氢氧燃料电池损坏。

飞船上的电源出问题, 使得登月已经不有可能, 而且航天员也处于极端危险之中。

经过飞控中心科学家、工程师们艰苦细致的分析, 休斯敦飞控中心果断地决定:中止登月飞行, 利用完好的登月舱, 立即返回地球。

当时飞船离地球已经38万公里, 已经越过地球引力界面, 飞船正在月球引力下往月球飞去。 如果要返航, 就一定要有足够大的火箭推力来克服月球吸引力。 登月舱显然难于胜任。

休斯敦飞控中心科学家们经过周密计算, 并让地面航天员进入登月舱模拟, 最后得出了一个最省燃料的返回轨道:飞船继续飞行, 绕过月球, 再启动登月舱发动机, 以进入返回轨道。

由于氢氧燃料电池的贮氧箱还担负着飞船生命保障系统氧气和水的供应, 因此航天员面临着电能不足、供水供氧困难、环境温度下降的处境。 但3名航天员在地面飞控中心的指挥下, 以顽强的意志和毅力, 强烈的求生欲望, 战胜了恐惧、寒冷、黑暗、疲劳等困难, 和地面飞控中心人员密切配合, 积极稳妥地实施着地面制定的救生方案。

飞船在茫茫的太空中继续往月球飞去。 当飞船距离月球27.6公里时, 航天员启动登月舱下降发动机, 工作了30.7秒。 飞船进入了环月轨道。 在飞船转过月球后, 再启动登月舱发动机4.5分钟。 飞船进入了返回地球的轨道。 登月舱的氧气、水、电越来越少, 航天员由于疲劳和恐惧变得越来越烦躁不安。 飞控中心指挥员会一直不断和他们保持一直着联系, 鼓励他们, 并提醒他们吞服镇静剂。

美国将阿波罗13号未能登月的消息, 及时通报给了全世界各国家, 并紧急请求有关联国家给予救援。 包括前苏联在内的13个国家提供了救援舰船和飞机, 布在美国军舰未能顾及的海域内等候。

飞船进入了返回地球大气层的轨道。 在进入大气层前, 航天员启动4个姿态控制火箭, 使登月舱推着服务舱向前加速飞行。 随后, 点燃分离爆炸螺栓, 将服务舱分离。 紧接着又启动反推火箭, 使登月舱离开服务舱一段距离。

然后, 登月舱的两名航天员回到指令舱, 关闭两舱通道, 点燃分离爆炸螺栓, 将登月舱抛掉。

3名航天员乘坐指令舱返回了地球, 平安地降落到太平洋洋面上。

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美国总统随硫磺岛号军舰前去欢迎了3名航天员的归来。

阿波罗13号飞船登月虽然失败了, 但依靠人类的智慧和毅力, 却奇迹般地将航天员营救回来。 所以, 航天界称这次飞行是“一次成功的失败”。

事后, 美国政府成立了事故调查组, 查明了事故原因。 安在服务舱液氧贮箱中加热系统的两个恒温器开关, 由于过载产生电弧放电作用, 将其连成通路, 使加热管路温度高达500度, 烤焦了附近的导线, 最后引起氧气爆炸。

安全返航全过程

登月飞行前地面发生了什么

阿波罗13号遭遇的问题主要是围绕第二个液氧罐, 即所谓“二号罐”而发生的。 这个圆形的液氧罐是在多年前由Beech Aircraft公司根据记录与North American Rockwell公司之前签署的合同制造的, 其最先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。

最后, 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。 但与此同一个时间, 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配置给了阿波罗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, 这个液氧罐被发现再也不能够对的地排空液氧(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)。 最后测试组决定可以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design目的是通过适当加热, 协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的地面线路连载了长达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, 固定在了关闭详细位置上, 这就让它无法及时在情况异常时启动全自动关闭程序, 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, 看不出任意一个异常情况。

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”。

登月过程中在太空发生了什么

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, 这种分层效应就一定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, 目的是使其愈加均匀, 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起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。

拯救行动全过程

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阿波罗13号在经历贮氧瓶爆炸之后, 最关键的就是氧气的缺乏以及电力的损失。

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反应影响一号罐, 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号上剩余的氧气也现在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”, 因为其布置设置的目的之一便是保持舱内氧气压力的稳定stable。 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够登陆月球的问题, 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中有请求需要去做, 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。 最先是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能够被用于返航时所需。 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互相一起矛盾, 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, 因为第一步登月舱必须从指令舱的电脑计算机中获得有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, 我们将不会有氧气的问题, 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系列所需。 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。 要想解决处理这个问题, 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去寻找到了解决方案。

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, 可以说是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。

阿波罗13号的宇航员们在最危险的情况下能够保持冷静, 并且及时解决问题, 在经过登月之前不断的训练之后, 他们对飞船各个系统的极限性能都有很好的掌握, 才使得他们在这次飞行中能够顺利的返回地球。

阿波罗13号登月前迹象

1970年4月11日, “阿波罗13号”载着三名美国宇航员升空, 踏上了飞往月球的旅程。 飞船上的3名宇航员中, 42岁的吉姆•洛威尔是任务指挥官, 38岁的杰克•斯威格特是指令舱、服务舱的驾驶员, 36岁的弗莱德•海斯是登月舱驾驶员。

在洛威尔执行“阿波罗13号”任务前, 他的妻子玛丽莲心中充满了焦虑, 因为“13”在西方是个不祥的数字。 洛威尔回忆说:“我的妻子对我说:‘为什么偏偏是13号?’我说:‘这是科学任务, 我们都是工程师、技术员和科学家, 我们不能迷信。 ”

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