50年前,谁炸掉了阿波罗13号飞船?| 迈向太空

作者: 鸑鷟鹓鶵, Steed

来源: 果壳

发布日期: 2020-04-15

1970年4月11日,阿波罗13号发射升空,原本是一次寻常的登月任务,却意外遭遇了人类历史上最遥远的一次事故。在断电、断WiFi通信和缺气、缺水的多重挑战下,3名宇航员上演了载人航天史上最著名的一次自救。通过关闭指令舱和服务舱的系统,利用登月舱的推力和月球的引力弹弓,最终克服重重困难,实现了自救,返回了地球。

50年前,也就是1970年4月11日,阿波罗13号发射升空。这次飞行,原本只是一次寻常的登月任务,不应该如此知名。然而,阿波罗13号的宇航员,却意外遇到了人类历史上最遥远的一次事故。在断电、断WiFi通信和缺气、缺水的多重挑战下,3名宇航员上演了载人航天史上最著名的一次自救。

格林尼治标准时间1970年4月11日19点13分,美国佛罗里达当地时间凌晨2点13分,阿波罗13号发射升空。

这是一段看起来和阿波罗8/10/11/12号都差不多的旅程,尤其对于指令长(小)詹姆斯·洛威尔而言。上一次,他驾驶的是阿波罗8号,那是人类历史上首次载人绕月飞行。于是,他成为历史上第一位第二次前往月球的宇航员。连续两天的飞行,似乎非常平淡,只有一些不起眼的小毛病。这点小插曲,对于类似阿波罗工程这样庞大的系统而言,根本就是家常便饭。

比如上一次的阿波罗12号,刚发射升空没多久,就被闪电击中了…… 还连劈了两次,瞬间警铃大作!但这一次,却是风暴来临前的寂静。

发射后55小时52分,格林尼治标准时间4月14日3点09分,阿波罗13号的乘员刚刚结束例行检查,准备进入休息状态。突然,指令舱的主警报响彻飞船。警报显示:1号气罐压力过低!难道是气罐漏气了?更可怕的还在后面!2分钟后,宇航员听到了“砰”的一声爆炸!

与此同时,飞船与地面失联1.8秒!在这危急关头,指令长洛威尔沉着冷静地向地面说了一句话,日后成为一句经典:——休斯顿,我们有麻烦了。事后我们知道,这声巨响来自于2号氧气罐的爆裂。爆裂直接损坏了服务舱的外壳,产生的碎片击中了指令舱的高增益天线,使得通信瞬间中断!通信链路随即自动切换到了备用天线上。

氧气罐发生的泄露,不仅使得飞船内的氧气面临危机,还导致了电池组的罢工。而事发现场的宇航员并不知道这些。

他们能看到的故障显示,是:1号氧气罐破裂并漏气,压力迅速减小;2号氧气罐无法正常工作。1号电池组和3号电池组相继罢工。爆炸!停气!停电!停Wifi通信!整个阿波罗13号的指令舱已经沦为一个大型灾难现场。危急关头,登月就不用想了。可怜的指令长洛威尔,成为了目前唯一一位,两次前往月球,眼见月球近在咫尺,却都没能登陆的宇航员。这个记录,可能会保持很久吧……

可是,问题到底出在哪里呢?

从阿波罗13号近距离看月球 | NASA潘多拉魔盒想要找到问题之所在,我们需要回到发射之前。在飞船发射前,需要例行进行模拟倒计时测试。倒计时测试分为加注各种液体、气体的“湿测试阶段”和不加燃料的“干测试阶段”。“湿测试阶段”需要加注的液体,就包括液氧。液氧需要保存在-183℃的液氧罐内,在加注的时候非常容易从连接的缝隙中挥发。通常来说,由于有风,挥发的液氧不会聚集在液氧罐周围。

但是,测试当天风平浪静,液氧罐周边氧气浓度超级高。更要命的是,液氧罐旁边停着3辆巡逻车。巡逻车事故现场,后面大写着“禁止吸烟”,却没有“禁止开车” | NASA当巡逻车要发动的时候,汽油发动机启动了电火花塞……而在氧气浓度高的地方,哪怕只是一个小小的火花,后果就只有一个。3辆巡逻车无一幸免,焚毁殆尽。事发现场离火箭只有330米的距离。

所幸,这段插曲没有波及到火箭本身。

反倒是这次“湿测试”之后出现的一个问题,指向了阿波罗13号服务舱2号氧气罐上可能存在的隐患。这个氧气罐已经有年头了,原本是给阿波罗10号准备的。可是,在拆出来改装的过程中,这个气罐从大约5厘米高度意外跌落。谨慎起见,工程师给阿波罗10号换了一个新气罐,而把跌落的这个拿去作了检测。外部检测发现并无异样后,它被装在了阿波罗13号飞船上。没有人知道,这个气罐的内部进气管线,可能已经轻微破损了。

直到那次烧毁了3辆巡逻车的“湿测试”之后,工程师例行要排空氧气,才发现这个氧气罐只能排出8%的氧气。事后来看,这大概是阿波罗13号存在隐患的第一个征兆。如果当时工程师仔细追究问题原因的话,说不定有机会察觉氧气罐内遗留的问题。可惜,并没有。

相反,为了排空气罐内的氧气,工程师大费了一番周章。他们决定,给气罐内的加热器通电,把排不出来的氧气逼出来。

这本身倒是常规操作,却遇到了另一个历史遗留问题——电压。28伏,是阿波罗飞船上指令舱和服务舱的电源电压,也是气罐最初设计时采用的电压标准。而肯尼迪航天中心地面的直流电源,电压是65伏。为了方便地面测试,这个气罐经过了重新设计,所有部件进行了升级,能够兼容地面的65伏电压,却单单遗漏了加热器的温控开关。这个疏漏,当时无人察觉。温控开关的作用,是在气罐内部温度达到80℉(约26.7℃)时关闭加热器。

这也是气罐上的温度计所能指示的最高温度。相对于氧气罐内通常在-300℉(约-184℃)到-100℉(-73℃)的“常温”而言,80℉已经足够高了。于是,当工程师给加热器接通65伏电源时,温控开关很可能在一瞬间就被击穿了。随后长达8小时的通电里,气罐内部的温度一路飙升到了1000℉(约537℃)以上。过高的温度排空了气罐内的氧气,也严重损坏了气罐内风扇供电线上的绝缘材料。

然而,由于气罐上的温度计最高只显示到80℉,仍然没有人察觉到任何的异样。加上之前摔坏的部分,2号氧气罐成为一个“潘多拉魔盒”,留在了阿波罗13号上,等待宇航员的开启。

还原事故瞬间现在,让我们回到发射当天。装着这个氧气罐的阿波罗13号飞船,离开了地球,踏上了奔月之旅。接下来的两天时间里,阿波罗13号看起来平安无事。但是,按耐不住的潘多拉魔盒,在悄悄等待着被打开的那一刻。

升空后46小时40分,格林尼治标准时间4月13日17点15分,宇航员按照流程开启了2号氧气罐的风扇。一瞬间,氧气罐的读数表超过了最大量程。咦!不太对头,似乎是哪里短路了……宇航员立刻关掉了开关。这是“魔盒”第一次蠢蠢欲动,小试了一把身手。接下来的9小时里,除了2号氧气罐的风扇仍然故障之外,一切似乎都风平浪静。

直到升空后55小时53分,格林尼治标准时间4月15日3点06分,宇航员按地面指示第三次“搅动”氧气罐,2号氧气罐内的风扇再次被接通电源。在那一瞬间,高达11.1安培的电流通过了电路。相当于我们只是打开了家用电风扇,却等同于一下子启动了好几台空调!“魔盒”终于被打开了。受损而裸露在外的电线引发了大规模短路,产生的热量点燃了原本就被高温破坏过的绝缘塑料。而氧气罐内部,是极其易燃易爆的纯氧环境。

火焰沿着电线迅速蔓延,加热并提升了氧气罐内的压强。不到2分钟,2号氧气罐便爆裂开来,顺带炸开了阿波罗13号服务舱的外壳。3名宇航员危在旦夕。

真实版太空救援追究问题出在哪里,是事后的我们才会考虑的事情。对于阿波罗13号上的宇航员来说,当时的目标只有一个,就是活着返回地球。按照正常的计划,飞船往返地月之间的燃料和电力本完全由服务舱提供。而此时,服务舱已经严重损坏了。

预料到服务舱处于崩溃边缘,并很可能连累用于返回地球的指令舱,地面决定,关机保平安,让宇航员关闭指令舱和服务舱的系统。幸运的是,登月舱如同茫茫太空中的一片绿洲,没有受到波及。这成为了他们返回地球的关键。登月舱,顾名思义,原本是登月用的,自带维生系统,可供2名宇航在月面短期逗留。于是,在接下来的大部分时间里,3名宇航员都挤在狭小的登月舱内,维持着生命。

更加幸运的是,为了在登月时减速着陆,登月舱还自带了电池、发动机和燃料。多亏了阿波罗飞船的设计余量足够大,仅仅依靠登月舱的推力,也足够返回地球。只是,他们现在飞行的方向,仍然是月球,跟返回地球背道而驰。如果直接往反方向推进,势必消耗大量燃料。这好比在高速向前行驶时,突然需要高速向后倒车。于是,他们有了一个大胆的想法。看过《流浪地球》的朋友想必对影片里的引力弹弓有印象。

流浪中的地球借助木星引力,改变了运动方向和速度。阿波罗13号也利用了同样的原理,借助月球的引力弹弓,调转方向飞回地球。不过,返回地球的旅程是漫长的,阿波罗13号要从遥远的月球返回,距离是其他低地球轨道载人飞船的1000倍!根据计算,他们需要5.5~6.5天的时间才能返回。时间长的轨道肯定夜长梦多,风险更大。但最快并不意味着最好,因为返回地球的位置,没有船能去接应。

最终,他们选择了一个折中方案,降落在原定降落的太平洋区域,因为舰队已在那里等候多时了。

在漫长的返回途中,最要命的可能还不是氧气,而是缺水。在阿波罗飞船上,水除了饮用之外,还有一些更重要的功能。飞船的氧气-二氧化碳空气循环系统大量使用水。此外,电子及电力系统大量采用水冷散热。这些都占用了大量的水资源,一度使得飞船水资源短缺。为了解决燃眉之急,登月舱的一些非必要系统也关闭了,由此匀出了水冷占用的水。

宇航员还从指令舱拿来了制取氧气的氢氧化锂模块,缓解登月舱的循环用水。克服了重重困难之后,阿波罗13号终于快要接近地球了。在返回地球之前,地面让宇航员抛掉服务舱,好让大家看清受损的服务舱外观。不看不知道,一看吓一跳,服务舱就好像中弹了一样,发生爆裂的一侧十分狼藉。直到抵达地球前70分钟,3名宇航员才从登月舱回到指令舱。整个阿波罗13号飞船,只有指令舱有能力重返地球大气层,带着他们平安返回地面海面。

这也是他们一路上都保持着指令舱关闭状态的原因——只有这样,才有可能保存指令舱内仅有的电力和氧气。而在当时,没有人知道指令舱有没有受损,还能不能闯过重返大气层这一关。然而,也实在没有其他的选择了。所幸,返回舱经受住了重返大气层的“烤验”。升空后142小时54分,格林尼治标准时间1970年4月17日18点07分,返回舱带着3位英勇的宇航员,安全溅落在太平洋上。

这3位英雄分别是:指令长小詹姆斯·洛威尔,当时世界上太空飞行次数和飞行小时最多的宇航员;登月舱驾驶员小弗雷德·海泽尔,阿波罗8号和11号两艘重量级飞船的替补宇航员;指令舱驾驶员杰克·斯威格特,他原本是阿波罗13号的替补指令舱驾驶员,因为首席驾驶员疑似得了风疹而被临时替换上阵。

在爆炸发生后的4天时间里,3名宇航员表现出了极大的智慧和勇气,地面工作人员提供了充分的技术支持,阿波罗飞船也提供了充足的余量。最终,他们克服重重困难,在服务舱几乎处于瘫痪的情况下,实现了自救,返回了地球!NASA高度评价了阿波罗13号的飞行,称之为“一次成功的失败”。如今,整整50年过去了,物是人非。

虽然人类还没能再次重返月球,但包括阿波罗13号在内,这些先辈的事迹,将激励一代又一代人投身航天事业,向着更广袤的宇宙进发!

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