抢鲜读︱阿波罗计划:美国如何战胜苏联,实现人类首次登月

吴军

2014-07-17 22:08 来源:澎湃新闻

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       科罗廖夫在进行载人航天的同时,开始了飞出地球的努力,当然离地球最近的月球是人类走向太空的第一个着陆目标。为了登月,需要至少三个人乘坐同一艘飞船,这样飞船的体积和重量就要比先前运载一名宇航员的东方号大很多,再加上登月的距离比环绕地球轨道航行要远得多,因此火箭的推力就必须比先前的R-7大很多。科罗廖夫对R-7的改进工作从1958年就开始了,但是由于前苏联政治动荡,导致经费不足,他的工作遇到不少麻烦。1959年前苏联的第一艘探月飞船探月一号(Luna)的任务是接触到月球,但是最后比预定的轨道偏出了6000公里。好在探月二号获得了成功,成为人类第一个到达月球的飞行器,科罗廖夫又为前苏联争得了一项世界第一。第三艘更进一步,它发回了月球背面的照片。
前苏联航天之父谢尔盖•科罗廖夫

       按照科罗廖夫的规划,前苏联人的登月是早晚的问题,而且应该在美国人之前。为了适应登月的需要,科罗廖夫提出了大型火箭新的设计方案和长远规划,这就是著名的前苏联N1运载火箭。N1还有两个小兄弟N2和N3,它们的尺寸和推力逐次减小,后者用于运载洲际导弹。但是就在N1的设计方案刚出炉,还没有来得及实施,前苏联就陷入了优先发展洲际导弹还是载人火箭的争论。1959年12月,经过主管官员和各级专家的激烈讨论,优先发展导弹的意见占了上风,既然如此,就没有必要制造N1这样的超大型火箭。虽然科罗廖夫也获得了一些经费继续研制登月火箭,但是前苏联的登月计划却暂时搁浅了。
       与此同时,美国白宫迎来了新主人,而美国也进入了他们的新时代。太空竞赛的天平开始向有利于美国的方向倾斜。
       1961年1月20日,白雪覆盖着美国的首都华盛顿。美国有史以来最年轻的总统,只有43岁的约翰•肯尼迪,在白宫前面宣誓就职。几个月前,他在大选中击败了当时的副总统尼克松,而两人在竞选中总是回避不了一个争论的主题—如何在冷战中战胜苏联。美国的努力自艾森豪威尔总统就开始了,而当时任副总统的尼克松做了很多工作。但是,年轻气盛的肯尼迪雄心比他的前任要大得多。在肯尼迪著名的就职演说中,他把探索星际的奥秘作为科学工作的第一位,放在征服沙漠和治疗疾病之前。而且他呼吁美苏在这些领域联起手来。仅仅四个月后,肯尼迪就提出了一个雄伟的航天计划—十年内登月,这个计划以太阳神的名字命名,就是著名的阿波罗计划(Apollo Program)。
       
冯∙布劳恩和肯尼迪总统在一起。

       阿波罗计划是人类探索太空和未知领域最庞大的计划,美国全国上下都动员起来了。有上百家的大学、研究机构和公司,两万多名科学家和40万人直接和间接地参与了这项航天计划。阿波罗计划的关键是登月火箭的研制,众望所归的人选非冯•布劳恩莫属。因此,在该计划即将开始之际,冯•布劳恩和他的团队从陆军转到美国航天局。冯•布劳恩担任了马歇尔太空中心主任,负责研制登月的火箭,项目代号为土星。冯•布劳恩新的工作从1961年开始,他在与苏联那位他不知名的对手在抢时间。
被美国航天局誉为世界航天史上第一人的冯∙布劳恩

       相比科罗廖夫,冯•布劳恩要幸运得多,美国在财力和人力上都比前苏联更有保障,因此美国人追赶的速度很快。1961年,冯•布劳恩的土星一号火箭研制成功,这是美国制造出的第一枚大推力火箭,第一级火箭的推力就达6670千牛,超过R-7全部发动机的推力。总体来讲,土星一号非常成功,它不仅在1964—1965年间,把五艘登月飞船的包括指令舱和服务舱成功送进地球轨道,而且将一些和阿波罗计划有关的人造卫星和地月之间的微波测量船(为后续登月时的通信做准备)送到预定的轨道。
阿波罗11号的三名宇航员重逢在当年的登月舱前。

       美国航天局原本计划在1965—1966年间使用土星一号再进行四次载人航天,但是后来发现该火箭的推力稍显不足,于是冯•布劳恩在1963年又研制出了推力更强劲的土星一B火箭,它的一级火箭推力比土星一号提高了百分之十左右,而二级火箭的推力更是增加了一倍不止(890千牛对400千牛),至此,美国在火箭技术上已经超过了前苏联,在其他登月的准备上也遥遥领先。除了火箭技术外,登月需要的尖端技术非常多,让我们来看看在几项最关键的技术上,美国人做的准备工作。
       首先是着陆和离开月球的技术。让宇航员安全着陆月球并不是一件容易的事情。在地球上,因为有大气和海洋的帮助,可以通过降落伞给即将着陆的太空舱减速,为了防止太空舱和地面撞击,还可以降落在海洋上。月球和地球不同,既没有大气,也没有海洋,因此在地球上着陆的这些办法在月球都用不上,唯一的办法就是用反推火箭让登月舱减速,缓缓落下,就像我们在电影《星球大战》和各种科幻片中看到的那样。但是在现实中,这么做非常困难,火箭喷速和角度都必须控制得非常好。
       当然,宇航员既不是嫦娥,也不是吴刚,无法在月球上长期生活,还需要离开月球返回地球。在阿波罗计划一开始,美国宇航局就提出了四种返回方案。
       第一种方案是随登陆舱一起带一枚大火箭美国最小。
       第四种方案是发射两枚火箭到月球上,一枚运载登月舱,另一枚运载从月球返回地球的火箭,然后在月球上组装。这种办法的缺点是如果两枚火箭的轨迹出现一点偏差,登月舱和返航火箭的着陆点就会差出百八十公里甚至更多,宇航员就回不来了。
       大部分专家倾向于第一种方案,因为它简单。当时大多数专家对于空中对接都没有把握。事实上冯•布劳恩也是支持这个方案的,并且已经打算设计一种比土星五号更大的新星火箭(Nova)来完成这个使命。但是,有一个叫约翰•侯博尔特(John Houbolt,1919—)的科学家坚持认为登月设备的总重量越轻越好,并想方设法说服了大多数人,于是,包括冯•布劳恩领导的马歇尔空间中心的专家们接受了第三种方案。阿波罗计划最终采用了这种方案并获得成功。美国历史学家认为,如果不是因为美国航天局最终采用了少数人的意见,就不可能在上个世纪60年代末登月,虽然最终美国人能够登月。
       当然这个计划的难点之一是对接,为此阿波罗9号在环地球轨道进行了对接试验,试验获得了成功,美国人这才继续往前走。
       其次是登月飞船的技术登月的飞船包括指令和服务舱(Command and Service Module,简称CSM)和登月舱(Lunar Module,简称LM)。如下图所示:
阿波罗11号的三个部分,从左到右分别为服务舱、指令舱和登月舱。

       指令舱是往返途中宇航员的栖身之所。它不仅要把宇航员从地球上送到月球轨道,并且接回,而且也是唯一重返大气层将宇航员送到地表的部分,因此阿波罗计划中对它所做的试验最多。这个模块的直径大约三米半,近四米高,有5.5吨重。服务舱(SM)和指令舱(CM,新闻中有时也称之为太空舱)相连,直径也和指令舱差不多,但是长度却达七米。它运输登月所需的各种物资,包括液态燃料和各种设备,重达24吨。服务舱和指令舱相连,一同飞往月球,但是在飞船重返地球大气层时会被抛掉。大部分时候服务舱和指令舱的试验一起进行。登月部分包括登月时降落所需的反推火箭和离开月球的火箭,以及登月舱。尽管设计时已经尽可能地降低这部分的重量,但是仍重达15吨。
       再接下来是控制技术。这里面最关键的一项技术就是自动控制中的卡尔曼滤波。这种滤波方法由美籍匈牙利数学家鲁道夫•卡尔曼(Rudolph E. Kalman,1930—)等人发明。在卡尔曼提出这种控制理论之初,它的实用性颇受怀疑,以至于他没有在电子工程和自动控制的杂志上发表这个成果,而是将它发表在数学期刊上。1960年的一天,卡尔曼去拜访在美国航天局工作的斯坦利•施密特(Stanley Schmidt,1944—),发现他的方法对于解决阿波罗计划中轨道预测的难题很有用,于是就将它传授给施密特。
       最后还有地月之间通信的难题。月球距我们的地球有38万公里,是地球周长的近10倍。这么长距离的双向通信,以前人类没有进行过。信号的衰减是否会让通信中断?另外无线电波往返地球和月球之间一次也需要两秒多钟,如何消除该延时对控制的影响?这里面有诸多问题需要一一试验才能确定。为此,美国发射了一些航天器,专门测试地月之间的通信情况。最后,由摩托罗拉公司提供了月球和地球之间的对讲设备。遗憾的是,这家伟大的公司今天已不再独立存在了。
       在登月竞赛中,前苏联除了火箭技术和美国略有一比,其余关键技术都远远落后于美国。
       当然,最后一切都要回到火箭上,因为整个登月飞船几部分加起来重量超过45吨,这使得制造大推力火箭又成了整个计划的瓶颈。冯•布劳恩的团队需要设计推力比土星一B大得多的火箭。之前的十几次各种发射试验,无疑为他们后来研制新火箭提供了丰富的技术积累。1967年,冯•布劳恩的杰作土星五号诞生了。
       但是1967年1月,阿波罗一号还没有发射就出事了,在一次地面的试验中,氧气舱爆炸,飞船着火,三名宇航员全部罹难。这次事故没有动摇美国人的决心,反而帮助美国人发现了很多问题,做了大量改进,大到飞船的设计、小到宇航服。其中有些改进,让后来的阿波罗13号受益匪浅,避免了新的悲剧。虽然阿波罗计划因此稍有延迟,但是到了11月,阿波罗四号(为了纪念罹难的三名宇航员,阿波罗1,2,3号空缺)成功发射,这是土星五号火箭的第一次试验。在之后的半年里,美国又进行了两次试验,在无人状态下把登月所需的各个环节测试了一遍。又经过了半年的准备,从1968年的10月起,美国开始使用载人飞船(阿波罗七号)进行模拟实验。在短短的7个月里,美国进行了多达四次试验,有12名宇航员进入太空。其中阿波罗八号首次载人进入月球轨道,三名宇航员围绕月球转了10圈,阿波罗十号测试了飞船到月球的降落过程,降落到离月球表面只有15000米的高度,这个高度只比现在商用飞机的巡航高度略高。
       接下来的任务就是要降落在月球上,并让宇航员们踏上月球的表面。对于人类首次登月之旅,美国宇航局做了充分的准备。前期多次实验发射,把能想到的都试验了一遍。余下的就是确定执行首次登月任务的人选了,经过多重考虑,最后确定了由尼尔•阿姆斯特朗(Neil A. Armstrong,1930—2012)、巴兹•奥尔德林(Edwin E. Aldrin,1930—)和迈克尔•科林斯(Michael Collins,1930—)三人执行这次具有历史意义的任务。当然,为了保险起见,美国航天局还准备了一套对应的后备团队。即使选定了三人团队后,谁将第一个踏上月球又成了几个宇航员争执的焦点。在训练时是由奥尔德林先爬出舱门,最后才改成阿姆斯特朗,完全是因为舱门的设计更方便他而不是奥尔德林先出去。关于阿波罗登月的内幕细节,读者可以参看《阿波罗—月球远征》一书。
       很快,人类历史上辉煌的一刻到来了。1969年7月16日,在佛罗里达卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心,阿姆斯特朗等人登上了高高耸立的阿波罗11号宇宙飞船,即将开始人类登月之旅。这次阿波罗登月,美国向全世界进行了电视转播,时任总统的尼克松也在白宫的椭圆办公室中通过电视观看实况。我想,每一位读者如果能回到那一天,一定也会坐在电视机前观看的。所幸的是,30多年后,在肯尼迪航天中心的指挥室里,我在模拟现场看到了阿波罗登11号登月任务的指挥情况和登月的录像。
       好了,现在请读者们随我来到指挥中心。上午9时32分(美国东部夏令时间),火箭发射进入了最后的倒计时。宇航员和火箭的状态良好。或许是出于兴奋抑或紧张,阿姆斯特朗在火箭发射时的心跳达到了每分钟110次,这在以前是不曾有过的。在控制台上各种仪器的显示屏和显示灯不停地闪烁着,墙上的计时器开始倒计时—10、9、8…3、2、1,这时背景响起了“发射”的声音。大屏幕上,土星五号点火成功,橙色的火焰推着110米高的庞然大物徐徐升起,速度越来越快,直到火箭消失在屏幕上。第四天,也就是7月19日,火箭进入月球轨道;第五天,7月20日,阿波罗11号准备着陆月球。镜头切换到阿波罗11号着陆月球表面的影像,在登月舱的下方有一个摄像机,将模糊不清的月球表面图像传回地球。只见登月舱离月球表面越来越近,终于停在了那里。这段影像在美国航天局的网站上可以看到。在登月舱安全地降落在月球表面后,指挥长阿姆斯特朗传回了人类在月球上说的第一句话:“休斯敦,这里是静海基地。鹰着陆成功。”
       接下来,阿姆斯特朗和奥尔德林按照事先设定的行程,应该先睡五个小时的觉,因为他们在飞行途中没怎么合眼。但是他们俩兴奋得谁也睡不着,在征求了总部的同意后,他们提前踏上了月球的表面。在控制室的屏幕上出现了阿姆斯特朗走下登月舱,踏上月球大地的影像,他的动作非常缓慢。由于距离遥远以及通信技术远不如今天发达,传回的影像和声音断断续续,但是还是能分辨出阿姆斯特朗那句著名的话,“这是一个人的一小步,却是人类的一大步。”这几秒钟的录音在互联网上可以听到。
       
奥尔德林在月球表面。

       全球有六亿多观众通过电视观看了人类首次踏上月球的活动。阿姆斯特朗和奥尔德林在月球的表面安放了一些实验仪器,并且采集了20多公斤的月球岩石标本。他们两个人在月球上滞留了大约两个半小时,然后回到登月舱睡觉。虽然奥尔德林不小心搞坏了返回火箭的点火开关,但是有惊无险,他们用一支笔打开了开关,火箭将他们先送到月球轨道和控制/服务舱汇合,然后返回地球。7月24日,运载三名宇航员的指令舱落入太平洋。从发射到安全降落到地球表面,整个过程大约是八天零三小时。
       
阿姆斯特朗等三名宇航员从月球返回后,在隔离舱中度过了十几天。当时的美国总统尼克松在第一时间前往隔离舱看望他们并透过玻璃窗向他们表示祝贺。

       阿波罗登月的成功是全人类的胜利,直接和间接参加阿波罗计划的人员多达40万人(尼克松的原话),他们来自世界不同的国家,其中包括很多华裔科学家。在阿波罗计划中,冯•布劳恩的贡献有多大呢?美国航天局是这样评价他的:“毋庸置疑,他是历史上最伟大的火箭科学家。他最大的成就是在担任美国航天局马歇尔太空飞行中心主任时,主持土星五号的研发,成功地在1969年7月首次达成人类登月的伟业。”可以说没有冯•布劳恩就没有土星五号,虽然人类最终还是可以登月,但不会是在肯尼迪设定的期限内—20世纪60年代。
       1966年1月12日,科罗廖夫死于一次外科手术,年仅59岁。很遗憾,他没有看到自己设计的宇宙飞船联盟者号和礼炮号空间站成功对接—那时他已经长眠于地下四年多了。
       科罗廖夫的继任者瓦西里•米申(Vasily Mishin,1917—2001)没有科罗廖夫的影响力和魄力。虽然他在很艰难的情况下完成了N1火箭的研制,但是该火箭四射四败。再加上不断的航天事故,尤其是宇航员的丧生,导致前苏联登月计划的整体失败,并且最终被放弃了。
       最终美国人多次成功登月而前苏联一次也没有,这里面的根本原因不是科罗廖夫的能力不行,而是前苏联输在了综合国力上。
       没有了对手的冯•布劳恩继续在为航天事业奉献着。继阿波罗11号之后,美国又有五次成功登月,完成了人类历史上的一个壮举。1972年,在达到预期目的后,美国终止了阿波罗计划,转而开发可重复使用的太空飞行器—航天飞机。在最后一艘阿波罗飞船登月的五年后,冯•布劳恩也走到了他生命的尽头,1977年他死于癌症。就在去世前不久,他获得了美国科技的最高奖—美国国家科学奖,但是他已经无力去白宫领奖了。
(本文摘自《文明之光》第二册,吴军著,人民邮电出版社2014年版。)
       
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关键词 >> 阿波罗计划,登月,布劳恩,科罗廖夫
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