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“长得像只蜘蛛一样!”为什么登月器长成这个奇怪的样子?

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 Connor Feng • 2019-07-12 10:54:41 来源:前瞻网 E631G0

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阿波罗11号登月舱正在降落到月球表面。(图片:NASA)

没座位?没关系。1969年7月20日,为了让宇航员能够安全地首次登上月球表面,美国国家航空和宇宙航行局(NASA)做出的创新设计之一就是把座椅扔掉。

50年前的7月,尼尔·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)和巴兹·奥尔德林(Buzz Aldrin)搭乘登月舱成功在月球静海着陆。这艘宇宙飞船与任何人见过的都不一样,它没有光滑的侧面,只有凹凸不平的边缘和天线,形状也非常奇怪,以至于阿波罗9号的宇航员称他们的登月舱为“蜘蛛”,因为它伸出的腿让它看起来像一个令人毛骨悚然的爬行动物。

那为什么登月舱的形状这么奇怪?迪克·邓恩(Dick Dunne)指出,这是出于减轻登月舱净重的目的。邓恩最初是格鲁曼飞机工程公司(格鲁曼航空航天公司,现更名为诺斯罗普·格鲁曼公司)的铆工,但在退休前,邓恩已经在该公司的公共事务部门担任高级职位。“就算只减少一盎司,我们也会很高兴,”他说。

虽然这艘宇宙飞船可能会吸引一些奇怪的眼光,但它却超乎人们想象地证明了它自己的价值。在1969年至1972年期间,它曾六次将宇航员安全送到月球表面,并将他们送回主飞船(指挥舱),其间只发生了几次小故障。(最著名的一次故障是阿波罗11号着陆时的两部计算机出现过载错误,但每一次都只是一个警告——“鹰”登月舱确实在熟练飞行员阿姆斯特朗的控制下安全着陆在月球上。)

1970年,这个登月舱还挽救了宇航员的生命,当时,阿波罗13号的指挥舱在一次爆炸中严重受损,在假设指令舱主引擎已经失灵的情况下,格鲁曼公司的工程师和美国宇航局的任务控制中心实施了一项备用计划,利用登月舱作为“救生艇”,把宇航员送了回家。

在阿波罗13号任务期间,这艘“蜘蛛”飞船多次点燃引擎,以使宇航员安全绕月并返回地球。在爆炸后的四天里,宇航员把登月舱当作一只救生艇,使用登月舱的健康氧气和水来补充指挥舱中严重受损的氧气和水。因为电力和暖气使用必须保持在最低供应限度,所以宇航员们感到不舒服,而且很冷,但他们后来都安全回到家了。

发展历史

早在登月舱开发之前,美国宇航局就已经在考虑应该怎样最好地将宇航员送上月球。简单来说,该机构考虑了三种主要方案:建造一枚巨型火箭将宇航员直接送上月球;安排两艘宇宙飞船在地球轨道会合;或者尝试一个更有创意的概念,叫做月球轨道交会方案。最终NASA采取了最后一个方案。

在月球轨道交会方案中,将会有两个飞行器一起前往月球,然后再分离,一个会留在轨道上,而另一个会在月球表面着陆并再次返回轨道飞行器。弗吉尼亚州兰利研究中心的约翰·霍博尔特(John Houbolt)认为,这个过程将会为NASA节省能源和燃料,但他花了两年半时间才说服高层管理人员采取这个方案。他曾在给美国宇航局副局长的一封信中称自己为“荒野中的声音”。与此同时,格鲁曼公司也在研究这一个方案。

当美国宇航局选择使用月球轨道交会方案之后,它需要一种全新的航天器——一种只能在太空中运行的航天器。这在20世纪60年代初的时候是很难想象的——所有迄今为止设计的航天器都被认为能够将宇航员送入太空,并通过地球大气层安全返回地球。这些航天器的形状像光滑的圆锥体,带有钝化的隔热层,能够承受返回地球大气层时受到的热量冲击。

在1962年,格鲁曼公司获得了建造登月舱的合同,该公司不得不迅速创新。这两艘航天器要搭载巨大的土星五号火箭进入轨道,但火箭能够承受的质量只有这么大。

邓恩回忆说,登月舱早期的一个设计看起来像“两个球互相叠在一起”,其中登月舱的上升级有“很多玻璃”。但玻璃很重,座椅和光滑的线条也很重——航天器设计师们过去习惯的所有东西都太重了。

所以他们把这些都扔掉了。经过多次迭代,大玻璃窗演变成小的三角形舷窗。这些座椅也消失了,因为他们认为宇航员在登月的时候只需要短暂地站立;在月球表面的时候,他们会睡在轻便的吊床上。

月球着陆器的外形也发生了变化。他们移除了一个额外的对接口,在某些地方,登月舱的“外壳”被削薄到只剩下几层,因为为太空制造的加压航天器也不需要太多保护。光滑的表面消失了,取而代之的是历史学家和航天迷们现在都非常熟悉的凹凸和实用的外形。

飞行

1968年1月22日,在阿波罗5号任务期间,第一个登月舱在没有载人的情况下飞入太空。这次飞行比所有人预期的都要晚——研制这种新型航天器无法避免也会有一些延误。但除了在下降级的测试中出现的一些问题之外,登月舱在轨道上运行得相当好。美国宇航局曾计划进行第二次无人驾驶测试,但该机构最后决定跳过第二次测试。

然而,登月舱发展的进一步延迟影响了航天飞行的历史。阿波罗8号载人任务原本是要在地球轨道上测试登月舱的,但美国宇航局当时对该航天器并没有信心。而另一方面,面对苏联可能很快就会尝试绕月飞行的传言,美国宇航局最终改变了任务计划,将登月舱测试从飞行任务中移除。在1968年12月下旬,阿波罗8号成功进行了绕月飞行,阿波罗8号任务宇航员也就成为了第一批近距离观察月球表面的人类。

1969年初,载人登月舱终于在阿波罗9号任务中进行了测试,当时登月舱和指令舱成功地在地球轨道上分离和重新对接。随后,登月舱的着陆能力也在阿波罗10号任务中进行了测试,阿波罗10号将登月舱带到离月球表面不到5万英尺的地方。但宇航员把开关拨错了方向,导致登月舱意外地开始“搜索”指令舱,并在月球地面上旋转了几秒钟,不过宇航员很快再次重新控制了登月舱。

阿波罗11号、12号和14号登月舱的安全降落,以及阿波罗13号爆炸后宇航员的获救都证明了登月舱的价值。在阿波罗15号、16号和17号这最后三次任务中,登月舱甚至还带了一部漫游车到月球表面,好让宇航员能够探索更多月球地面。邓恩表示,除了稍微扩大一点货舱以容纳折叠月球车之外,增加月球车并不需要对登月舱进行重大设计更改。他说:“当它到达月球时,他们让(漫游车)从洞穴里出来,然后它就迅速就位了。”

登月舱并不是格鲁曼民用航天工作的结束,也不是美国航空航天局(NASA)最后一次出现严重延误。今天,诺斯罗普·格鲁曼公司正在制造固体火箭助推器,以在2020年左右帮助大规模太空发射系统(SLS)火箭进行首次无人绕月飞行。同时,该公司也是詹姆斯·韦伯太空望远镜的主要承包商,该望远镜计划于2021年发射。

和20世纪60年代末的登月舱一样,SLS和韦伯太空望远镜都落后于预定计划——但也和登月舱一样,SLS和韦伯太空望远镜也依赖于尚未得到证实的新技术,而登月舱的故事向我们表明,有时候新技术确实是值得等一等的。

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