美国登月:举国体制,政治挂帅,技术大跃进…… | 科技袁人

美国登月:举国体制,政治挂帅,技术大跃进…… | 科技袁人
2019年08月22日 18:40 新浪网 作者 中科大胡不归

提升思维层次导读

这个国家在60年代搞起了:举国体制,政治挂帅,技术大跃进……

没错,它正是美利坚合众国。为了成功登月,总统肯尼迪一声令下,美国耗费巨资投入了载人登月计划,甚至为了能够在预计时间内完成目标,美国直接启用了没有太多实践经验的大胆技术方案,甚至连首次登月的宇航员都做好了牺牲的准备……好吧,但幸亏火箭没有等一等美国的人民,才让人类终于在1969年首次实现了登上其它星球的伟大壮举。袁老师在这一期节目中为我们揭露了更多登月的技术细节,其中就有对很多同学关心的“宇航员如何返航”的科普。

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这个国家在60年代搞起了:举国体制,政治挂帅,技术大跃进……没错,它正是美利坚合众国。为了成功登月,总统肯尼迪一声令下,美国耗费巨资投入了载人登月计划,甚至为了能够在预计时间内完成目标,美国直接启用了没有太多实践经验的大胆技术方案,甚至连首次登月的宇航员都做好了牺牲的准备……好吧,但幸亏火箭没有等一等美国的人民,才让人类终于在1969年首次实现了登上其它星球的伟大壮举。袁老师在这一期节目中为我们揭露了更多登月的技术细节,其中就有对很多同学关心的“宇航员如何返航”的科普。下次节目我们将迎来登月系列最后一期,在这一期中袁老师也将会把话题进一步展开和把视角拉到当下——啊,等了好久,终于又轮到我们阿中的戏份了。美国登月50周年系列

【第一集】:美国登月造假的说法,被黑最惨的其实是苏联和中国…… | 科技袁人

【第二集】:是时候了解下火箭是怎么上天的了!| 科技袁人

视频链接:

哔哩哔哩:

https://www.bilibili.com/video/av64009491

部分评论:

ViperBlack-NF2:

几个登月阴谋论和回答:

1)登月舱如何起飞,如何校准平地:下降段可以调整,发射后也可以调整方向,这并不需要消耗多少能量。月球没有空气干扰,起飞方向不会受大气产生变化。月球引力较小同时无空气阻力,起飞所需能量比地球小很多。从月面起飞并进入轨道理论值只需要1.9kms/DV,而登月舱的发动机可以提供2.2kms/DV,绰绰有余。而抬升轨道与服务舱会合的所需能量更低,通常只要发动机点火几秒钟。

2)登月舱如何返回地球:登月舱不需要返回地球,直接丢弃在月球上。指令舱和服务舱返回。

3)返回舱如何返回地球,如何对抗高温:由于是从月球轨道返回,返回速度比第二宇宙速度略低,阿波罗飞船返回用的是半弹道,即控制好返回再入角度,用大气进行摩擦减速,在阿波罗13号由于主发动机故障无法在近地点减速,采用的是桑格尔弹道返回——俗称打水漂(有人声称只有中国才会打水漂弹道是错误的),我们的嫦娥5号T1飞行器以同样的轨道返回并成功,也验证了阿波罗13号的轨道是正确的。

4)返回舱烧蚀材料能否对抗热量:足够,烧蚀材料是通过烧蚀并改变自身化学形态并分解带走多余热量,其对抗热量的能力(时间和最高热量)都是主要以烧蚀材料厚度(量),只要量足够,就可以带走足够的热量,对于阿波罗飞船来说,其烧蚀底层比一般的载人飞船要厚实的多。

5)宇航员返回地球直立行走:阿波罗飞船登月总任务时长10天不到,并不能和国际空间站等长达几个月任务相比,对人影响较小,返回后直接被直升机接走,并脱掉了重大几十斤的航天服,在直升机转运过程中航天员有足够的休息适应时间。这与神舟飞船在现场就让航天员出来是两个不同的条件,没有可比性。

1kusa:

很多人觉得政治挂帅很虚伪,航天竞争就为了争面子,但是不要忘了真正投入到航天工程中的人是真正想要拥抱太空,拓展人类可能的人们。而且宇航事业为现代生活带来了诸多便利,发展远超战争带来的技术升级,无论原委,航天事业是人类伟大而且值得的壮举。

le钟灵毓秀:

民科是不可能被科普说服的,因为他们的眼光永远只会关注于一篇科普还没有覆盖到的“石锤”。比如在连什么是USB雷达和香农公式都搞不清楚的时候就张口必称什么“直播不可能”←_←

精彩呈现:我们应该如何纪念登月(三)带我去月球 | 袁岚峰

在上一期(我们应该如何纪念登月(二)航天的基本原理| 袁岚峰)中,我们了解了航天的基本原理,为什么要用火箭,火箭的最高速度是由什么决定的,火箭为什么要分级等等。现在,我们终于可以来正面介绍阿波罗计划登月的技术细节了。

首先要确定的是,登月采用什么流程?

一般人对登月的理解,大概就是从地球发一枚火箭到月球去。这确实是一种直截了当的选择,被NASA称为“直接上升”(direct ascent)。具体而言,火箭是直接在月球上着陆,而不是先进入环绕月球的轨道。

那么航天员怎么回来呢?

这是个好问题!火箭不是把航天员孤零零地甩在月球上,而是同时发射上去一个23吨的返回舱,以及一个51吨的下降推进平台。返回的时候,返回舱以下降推进平台作为底座发射,把后者丢弃在月球上。

因此,地球上发射的火箭需要把高达74吨的总载荷送到月球。这是一个吓死人的数值,直到现在我们都没造出这么强大的火箭。所以,直接上升这条“大力出奇迹”的技术路线是走不通的。

为了完成任务,人们又提出了三种间接的技术路线。

一种流程叫做“地球轨道交会”(Earth Orbit Rendezvous,简称EOR)。它说的是,不是只发射一枚火箭,而是发射多枚火箭,在有些方案中多达15枚。每一枚火箭携带一部分零部件,在地球轨道上交会,组装成一艘飞船。然后把这艘飞船发射到月球轨道。

听起来是不是很有变形金刚组合的感觉?我来组成头部!

另一种流程叫做“月球表面交会”(Lunar Surface Rendezvous,简称LSR)。它说的是,相继发射两枚火箭到月球表面。第一枚火箭不载人,只把返回地球所需的推进剂送上去。然后第二枚火箭把航天员送上去,他们把推进剂加到返回舱里。

简而言之,就是建设一个月球加油站。请加98号油,谢谢。

最后提出来的一种流程叫做“月球轨道交会”(Lunar Orbit Rendezvous,简称LOR)。它说的是……呃,这个比较复杂。

首先,一枚火箭把飞船发射到月球轨道上。这艘飞船分为两部分,指令服务舱和登月舱。

然后,指令服务舱留在月球轨道上,登月舱去着陆。

然后,登月舱把自己的下降级作为底座抛弃在月球上,让上升级发射起飞。

然后,登月舱跟指令服务舱在月球轨道上再次会合,双方对接。这就是为什么这条技术路线叫做月球轨道交会。

最后,把登月舱丢弃,用服务舱中的燃料点火飞回地球。

简而言之,就是走一路,丢一路。灵魂之问:请问你是什么垃圾?

好,你会选择哪一种技术路线呢?

历史上,NASA选择的是最后这条,月球轨道交会。它的好处在于,在每一个环节都尽量减少了载荷。这正跟上次讲的火箭分级的基本思想一样,轻装上阵。

其实NASA一开始倾向于采取的是直接上升,而不是月球轨道交会。因为那时美国连地球轨道交会都没做过,更不用说对接了,所以在月球轨道上交会和对接就更是没谱了。

但是形势比人强。如果按照保守的思路,那么也许美国最终还是能登月,但肯定无法在肯尼迪设定的截止时间即1970年之前完成。因此,一直有一些专家在强烈推销月球轨道交会,最后终于改变了决策层的选择。你看,政治家动动嘴,科学家跑断腿……

所以,登月飞行的流程如下图所示,包含这么多步骤。

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登月飞行流程

首先是火箭发射,把飞船送到一条地球轨道,称为停泊轨道(parking orbit)。这一步需要土星五号三级火箭燃烧11分钟,消耗了前两级以及第三级的一小部分。

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登月流程1:发射

顺便说一句,阿波罗计划的火箭是在美国东南部的卡纳维拉尔角发射的,这正是第二篇中提到的凡尔纳的小说《从地球到月球》中那颗飞向月球的炮弹的发射地。

然后是奔月变轨(translunar injection),即从地球轨道飞向月球。这一步需要第三级火箭燃烧6分钟,消耗完了火箭燃料。

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登月流程2:奔月变轨

然后,指令服务舱与登月舱换位对接(transposition and docking)。这个换位对接又分为两步:第一步是指令服务舱和登月舱暴露出来;第二步是两者对接,然后跟第三级火箭分离,把火箭残骸送入太阳轨道。没错,我们给太阳送了一个礼物。

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登月流程3:换位对接1

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登月流程4:换位对接2

这里有一个有趣的故事。2002年9月3日,业余天文学家、前香港天文学会会长杨光宇(William Kwong Yu Yeung,1960-)发现了一颗疑似在环绕地球的小行星,将其命名为J002E3。光谱分析表明,这颗小行星的表面是白色的二氧化钛,也就是钛白粉。这是怎么回事?

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杨光宇

解释是,这颗小行星其实是1969年阿波罗12号用的第三级火箭,二氧化钛是土星五号火箭涂层的主要成分。第三级火箭在跟飞船分离后原本应该进入太阳轨道,但燃烧时间太长,使得它仍然在地球和月球附近。

由于引力的扰动,1971年,也就是晃了两年之后,它应该进入了太阳轨道。又过了31年,2002年它又回到了地球轨道上,被杨光宇发现了。2003年6月,这位依依不舍的老朋友再次离开了地球轨道。

让我们回到登月的流程。下一步是月球轨道进入(lunar orbit insertion),即进入月球轨道。这一步的动力来自服务舱的发动机点火。

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登月流程5:月球轨道进入

然后是下降轨道进入(descent orbit insertion),即指令服务舱与登月舱分离,登月舱进入一条靠近月球的轨道。这一步的动力来自登月舱的下降级点火。

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登月流程6:下降轨道进入

阿波罗计划的一次机组包括三名航天员,其中一人作为指令长待在指令服务舱内,两人乘坐登月舱去着陆。在阿波罗11号中,指令长是迈克尔·柯林斯(Michael Collins,1930-)。他没有登上月球,但他的作用也是不可或缺的,我们应该记住他的名字。

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从左至右:阿姆斯特朗、柯林斯、奥尔德林

然后是动力下降(powered descent),即登月舱点火下降,最后手动找到合适的地点着陆。这一步的动力同样来自登月舱下降级。

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登月流程7:动力下降

实际上,阿波罗11号登月时,这一步非常惊险。1969年7月5日,阿波罗11号的航天员们接受了一次媒体采访。当被问到是否会带一些个人纪念物到月球上时,阿姆斯特朗回答说:“如果我有的选,那我会选择多带些燃料。”(http://jandan.net/2019/07/21/apollo-11.html)

事实证明他非常有先见之明。在降落的时候,登月舱的电脑选中的是一块充满巨石的陨石坑。为了避免危险,阿姆斯特朗只得切换到半自动控制,尝试寻找一个安全的地点。奥尔德林给他提供导航数据。

警报声响起,他们只有60秒的时间降落了!否则只能中止行动。然后,30秒的警报响起!幸好,这时他们已经找到了一块平坦的地方。

奥尔德林回忆说:“当时间不足30秒时,我们距离表面还有3米左右。”多亏阿姆斯特朗眼明手快,他们在燃料只剩25秒消耗完的时候降落到了地面。

在降落之后,是舱外活动(extravehicular activity),即两名航天员探索月球表面,收集样品。

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登月流程8:舱外活动

然后,登月舱上升级以下降级作为底座,点火起飞。

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登月流程9:登月舱上升级起飞

这也是充满危险的一步,如果不成功,他们就会被滞留在月球上。阿波罗11号登月时,尼克松为这种可能预先准备了一份讲稿:

“命运注定,这两位来到月球进行和平探索的人将在月球上安息……别人将会跟随他们,而且必定找到回家的路。人类的探索不会停步。然而这些人是第一批,他们将在我们心中永生。在今后的夜晚,每个人仰望月亮的时候都会想到,另一个世界的一角永远属于人类。”

幸好,这份讲稿没有用上。

登月舱上升级起飞后,与指令服务舱在月球轨道上会合对接。在电影《火星救援》中,最激动人心的就是一个类似的情节,马特·达蒙(Matt Damon)在火星上乘坐一艘小飞船起飞,跟回头来接他的飞船双方不顾一切地会合。

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登月流程10:登月舱与指令服务舱会合对接

然后,登月的航天员带着样品回到指令舱,把登月舱抛弃。

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登月流程11:抛弃登月舱

然后是奔地变轨(trans-Earth injection),即服务舱点火,飞回地球。

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登月流程12:奔地变轨

然后在再入大气层之前,服务舱也被抛弃,指令舱就是我们平时说的返回舱。指令舱旋转180度,把钝头对准大气层,用来对抗高温。

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登月流程13:再入大气层

然后,空气的摩擦在给指令舱减速的同时,高温导致气体电离。无线电波不能通过这层电离的空气,因此在几分钟之内指令舱跟外界无法通信,这种现象叫做“黑障”(ionization blackout)。这是航天活动中非常危险的一个阶段。

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登月流程14:黑障

最后,降落伞打开,指令舱溅射到太平洋中。附近的航空母舰把三名航天员救援上来。

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登月流程15:海上降落

真是荡气回肠!人类完成了这样的壮举,从此在宇宙中晋升为了能够登上另一个星球的文明!

在下一期也就是最后一期中,我们来了解登月的火箭,以及各个航天大国的历史、现状和未来。

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中科大胡不归

中科大胡不归

化学博士,科技与战略风云学会会长

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