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“阿波罗8号”,NASA的惊人一跃

www.e2girlgames.com2019-07-22
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  许多人都知道“阿波罗”是上世纪美苏太空竞赛时,美国登月项目的代号。也记得“阿波罗11号”是人类第一次登上月球,“阿波罗13号”是不幸中的万幸。不过“阿波罗8号”的故事似乎没有多少人知道,这有点可惜。

  要知道,在“到达月球”之前,必须先“离开地球”,而人类首次离开地球轨道(不是地球)飞向其他天体的记录,就是“阿波罗8号”开创的。不可思议的是,这惊人的一跃,竟然是为了应对太空竞赛的节奏的匆忙之举。即便是尊重科学和工程的NASA,也不能豁免政治的压力。

  不过,NASA终于做到了,而且安全、成功做到了。他们是怎么做的?如果你对这个故事有兴趣,欢迎阅读。

  1968年8月8日,正在卡纳维拉尔角训练的宇航员Frank Borman忽然接到休斯顿的电话。打电话的人是George Low,当时是阿波罗飞船项目办公室(Apollo Spacecraft Program Office, ASPO)的经理。在电话中,Low让Borman火速赶回肯尼迪航天中心,有重要事情要商量。

  “莫非又有事故发生了?”

  之前,Borman已经有过一次这样的经历,那是1967年1月27日“阿波罗1号”的火灾悲剧(可以参考我之前写的《加班越狠,出成绩就越多吗?在NASA,这叫做Go Fever》)。5分钟内,3名宇航员全部死亡,此事震动的不仅是整个NASA,而是整个国家。三名宇航员中,Borman最熟悉的是Ed White,美国太空行走第一人(如今我们还不时可以看到Ed White太空行走的录影)。

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  Ed White的太空行走

  后来Borman得知,政府打算为三名宇航员举行隆重的葬礼,把他们安葬在阿灵顿国家公墓“这是华盛顿的决定”。但是Borman不同意:

  我才不管是哪个该死的做的决定,Ed告诉过我,如果他不幸死去,他希望被安葬在西点军校。如果你们不这么做,我要去找约翰逊总统。你们这帮家伙最好别自找麻烦。

  结果四天之后,Ed White如愿被安葬在西点军校。

  第一,恭喜你,你们小组被选中执行本年底的“阿波罗8号”任务;第二,中情局的情报显示,俄国人的登月计划正在紧张进行,他们计划在今年底之前完成绕月球飞行。所以,我们打算改变“阿波罗8号”的原定飞行计划,从绕地球飞行变为去月球;Borman,你打算去月球吗?

就很难说好坏了。NASA确实有自己的登月计划,而且NASA的工作一贯是步步为营的。即便距离肯尼迪的著名许诺“在十年内把人类送上月球,再带回来”越来越近,NASA的计划也是细致谨慎的,不怕发射次数多,就怕冒进出事故。

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  NASA原本的登月计划

  但是现在,NASA似乎想搞一次大跃进了。

  “大跃进”似乎不是个好词,但是登月也不是单纯的科学任务,它离不开“太空竞赛”的大背景(不然,NASA的大笔预算哪里来呢?)。如果俄国人要抢先登月,那么“哪种社会制度更好”的答案就很分明。所以,谨慎如NASA,也不得不来一次“大跃进”,三步并作一步走。而大跃进的执行者,就是Frank Borman。

  Frank Borman是个特别的人,他对于世俗的东西,比如美女、金钱、名声都没有什么感觉。Borman并不是NASA的第一批宇航员,等他入选宇航员的时候,“宇航员”已经成了社会瞩目的天之骄子,《时代》杂志之类也会花大价钱请他们拍封面照,更有无数女性为他们痴迷有人已经深陷其中无法自拔,考虑和结发妻子离婚(可以参考我之前写的《try SCE to AUX,挽救登月的传奇指令【修订版】》)。

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  Frank NASA

  但Borman不一样,他只是纯粹执着喜欢飞行,同时强烈地爱着自己的国家。Borman曾在西德驻扎,期间他参观了震惊世界的达豪集中营,亲眼见证了法西斯暴行的证据,因此对专制制度恨之入骨。虽然Borman热爱和平,但是他绝不能容忍有人冒犯自己的国家,而且他也保持着简单纯粹的信念军人以执行命令为天职。

  不过,“三步并作一步走”并不是有勇气和意愿就可以完成的,航天任务要能顺利完成,离不开头脑和智慧来确认。Borman不知道的是,Low在跟他谈之前,已经和飞行指挥中心(Mission Control,也译为“任务控制”,可以理解为,负责航天任务中地面发射之外的所有部分)的总指挥Chris Kraft确认过了(我们在之前的文章里讲过Chris Kraft的故事,飞行指挥中心就是他一手打造的)。

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  Chris NASA

  那是在Low得知中情局情报的第二天,Low找来Kraft问他:

  如果我们要改变计划,让阿波罗8号飞去月球,你觉得能行吗?

  Kraft的头脑异常清楚。回答这个问题也确实需要清醒的头脑,而不只是亢奋的精神。

  到当时为止,人类所到达的最大高度是1966年“双子星11”创下的记录,大约1372千米。但是,地球到月球的距离是38.4万千米,两者相差280倍。

  这还只是直线距离的差异,更麻烦的是,在太空中,地球、月球都在高速运动,如何能到达月球,继而返回,需要大量的计算和试验。然而目前,登月需要的各种装备都还在紧张准备之中……

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  2018年电影《登月第一人》中的画面,左侧是地球,右侧是月球

  不过,Kraft的反应出乎Low的意料,他的答案不是“行”或者“不行”,而是“怎么做(How)?”

  Kraft判断,对计划做这么大的改动,尤其是各项工程的预期完工时间已经排在进度表上,人的意志再顽强,也不能违背科学规律。

  Low早已想好了:

  改变计划,不带登月舱。

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NASA

  这里解释一下,我们通常看到的登月照片是上面这样的。月球上,宇航员旁边的就是登月舱。但光靠登月舱是不能从地球飞到月球去的,整个“阿波罗”飞船包含三部分:指令舱(Command Module)、服务舱(Service Module)、登月舱(Lunar Module)。

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NASA

  指令舱是宇航员栖身的场所;服务舱存储了液氢、液氧等等必须的资源,并有一台(相对)巨大的发动机和喷嘴;登月舱只用来登月,非常轻量,因为太空没有空气,也不需要什么坚固的防护。服务舱和指令舱绝大多数时候都是结合在一起的,合称CSM(Command Service Module)。

  在发射的时候,指令舱在最上,下面是服务舱,再下面是登月舱。进入太空之后,首先CSM和登月舱脱离,再调转头来,将登月舱从整流罩中“拉”出来。然后,三者共同飞向月球。

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  这是CSM“调头”调头之后对接了登月舱的样子

  进入月球轨道之后,登月舱与指令舱、服务舱分离,下降到月球,完成任务之后,登月舱上半部分再发射升空,将宇航员送回指令舱;然后服务舱和指令舱一起飞回地球,最后指令舱脱离服务舱,单独落入地球,任务完成。

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  发射时,指令舱在最上面,登月舱在最下面。

  Low的这个“奇思妙想”堪称天才。不带登月舱,就等于减去了很大一部分不确定因素。虽然按照思维定势,按照之前的计划,谁都没想过“去月球不带登月舱”,但是坐下来仔细分析,这完全是可能的!

  但这毕竟事关重大,Kraft不敢贸然答应。他只能说:

  让我多考虑一天,再给你确切答复。

  Kraft知道,即便不带登月舱,仍然还有不少困难需要克服。他能想到的两大困难包括:

  第一,登月需要的“土星5”火箭仍然不能完全放心,即将要发射的“阿波罗7号”只是在近地轨道验证CSM,所以使用的是“土星IB”火箭。如果“阿波罗8”要去月球,那么为登月准备的“土星5”火箭不但需要克服目前的技术困难,而且第一次执行载人航天任务就要前往月球,风险巨大。

  第二,不带登月舱虽然降低了复杂性,但也降低了可靠性。按照设计,登月舱在紧急情况下可以扮演“备份服务舱”的角色在后来著名的“阿波罗13号”飞行中,服务舱意外爆炸,三名宇航员正是把登月舱作为临时的栖身场所才得以安全返回。不带登月舱,也就意味着全程只能依靠服务舱这根“独苗苗”了。

  第二天,Kraft给出了更惊人的答案,升级版的“阿波罗8号”:

  既然要去月球,干脆不要只是“去一趟”,最好能进入月球轨道,被月球引力捕获,环绕月球多飞几圈。

  Kraft的考虑是,既然冒着巨大的风险到月球了,为什么不多转几圈,收集各种数据?最重要的,还可以近距离看清楚后续任务的陆场,更可以看清月亮背面是什么样子。要知道,月球绕地球旋转的角速度和地球自转的角速度相同,也就是说,月球对着地球的那一面永远对着地球,所以从来也没有人看到过月球背面是什么样子。

  长期以来,关于月球背面有各种说法在电影《变形金刚》里,月球背面是变形金刚建立的秘密基地既然谁也没去过,当然谁都可以猜想。当然,去月球背面也会增加风险,最主要的就是LOS(Lost Of Signal,无信号),因为月球会阻挡无线电波的传播,在月球背面,“阿波罗”飞船与地面控制中心是完全无法通讯的(如今中国的登月计划就很聪明,借助“鹊桥”中继卫星解决了月球背面通讯的问题)。

可行路线,这个安排基本是有把握的。

  但关键点不在路线,而是如何按照这些路线来飞行,其中有几个关键节点特别重要。

  如果要绕月球轨道,则接近月球之后,“阿波罗”飞船先要减到足够低的速度,被月球引力捕获(这个动作叫LOI,Lunar Orbit Insection),才能绕月球轨道飞行。之后,飞船还要依靠自身发动机点火加速摆脱月球轨道,飞回地球(这个动作叫TEI,Trans-Earth Injection)。

  这两步说起来很容易理解,关键的问题在于,“阿波罗”飞船自身的推进系统SPS(Service Propulsion System)这时候还没有实际测试过。无论是LOI还是TEI,都是“差之毫厘,谬以千里”的操作。如果SPS不可靠,无论是不能按时点火,还是点火时间超过预期,任务都会失败,要么一头撞上地球或月球,要么飞向深空,永远不能回家。

  当然如果你逻辑足够好,或者观察下图足够仔细,会知道在摆脱地球轨道,飞向月球的时候,也有一个类似的节点TLI(Trans-Lunar Injection)。不过与LOI和TEI不同,TLI发生的时候,“阿波罗”飞船还和“土星5号”火箭的第三级联结在一起,动力是由第三级上的J-2发动机提供的。在1968年4月的“阿波罗6号”任务中,虽然中途出了一点状况,但J-2发动机表现不错,通过控制系统的补救,最终飞船仍然被送入了轨道。

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  “阿波罗8号”的飞行路线

  而且在“绕月球飞行高度”的问题上,Kraft希望足够近,这样才能为后续的月球登陆真正做好准备。但其他人提出了不同意见,认为这个计划已经很冒险了,没有必要继续增大风险。最终大家达成一致,月球轨道的高度应该是112千米。

  到现在,虽然Kraft和Low都觉得可行了,但事关重大,他们还不能自行决定,还必须征得多方同意:亨茨维尔的马歇尔航天中心,卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心,还有华盛顿。

  通常,把这些人凑到一起需要两三周的时间,但是现在只需要一天。Low和Kraft一直等到下午2:30,拿到确定消息之后,只吃了点三明治,就搭上飞机匆匆赶往亨茨维尔。

  参会的人里最重要的是冯布劳恩,之前纳粹的V-2导弹就是他设计的,在火箭方面积累了丰富的经验。二战后期,美军的“回形针”计划把冯布劳恩和他的团队悉数带回美国,很长的时间里,NASA的航天任务都离不开冯布劳恩和他的德国工程师。现在,冯布劳恩担任登月所需的“土星5”火箭的总设计师。如果火箭不能按时就绪,“阿波罗8号”的计划就是空谈。

  所幸,冯布劳恩点头了,所有参会者都同意了。唯一的缺憾是,NASA的大老板James Webb在维也纳出差,没有参会。大家决定,再花五天时间做好各种准备,之后去找James Webb。

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  月球车驾照,编号001,颁发给James Wikimedia

  在宇航员这边,做决定的是Deke Slayton,他之前是“水星七人”之一,但没有上天,后来专门负责培训和挑选宇航员。本来,“阿波罗8号”的首选成员是James McDivitt的三人小组。但是Slayton考虑到,McDivitt的团队更熟悉登月舱,但本次任务不会携带登月舱,所以决定选择Borman的小组,这才有本文开始的一幕。

  不过,Borman还需要和他的组员聊一聊,他的团队里还有Jim Lovell和William Anders。Borman和Jim都是40岁,也曾经一起执行过“双子星7号”任务,已经很有默契。对Jim来说,能执行“阿波罗8号”任务已经求之不得了,能去月球那就更是喜出望外了。

  与Borman那种强烈的使命感不同,Jim一直是乐观开朗、勇于探索的,他从小就热爱航天,中学时候自己做过一枚火箭飞上天,后来成为了海军试飞员。Jim是最早一批报名宇航员的试飞员,但因为体检不合格被刷下来,虽然Jim认为这是医生弄错了数据“你们还不知道火箭是什么的时候,我做的火箭就上天了”。

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  Tom Hanks在《阿波罗13号》中饰演的人物原型就是Jim Lovell,俩人还真有点像

  功夫不负有心人,后来Jim终于成功入选宇航员。在“双子星7号”任务期间,还发生了一件趣事。

  当时,Jim与Borman在太空与“双子星6A”对接,“双子星6A”的成员Walter M. Schirra和Thomas P. 灯光信号“打倒陆军”,Jim一看就狂笑不止Schirra, Stafford, Jim都是海军出身,只有Borman是陆军出身。Borman虽然觉得无聊甚至有点恼火,但也只能按通信规定回复“收到”。

  唯一有迟疑的是Anders,34岁的Anders一直是作为登月舱驾驶员来训练的,如今飞行任务并不携带登月舱,意味着他只能呆在指令舱,与登月无缘了,而且,这还是一趟充满危险的旅程。

:We F**k Your Sisters。,整个过程竟然要三个月。

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  William Anders,比其他两人年轻6岁。

款简直就是为他量身打造的一般。他报名了,而且入选了。

  Anders的妻子是Valerie,自结婚以来,Anders已经多次执行危险任务,Valerie也习惯了时常有人发生意外的情况。她总是相信:Anders会有好运的,他与众不同。这一次,Valerie给了Anders一个吻,告诉他,自己相信NASA,相信这次任务一定能完成,更相信他的丈夫。

  当然,Borman还要面对自己的妻子Susan。Susan是一位坚强的女性,小时候她父亲突发病重,母亲让她赶紧去叫医生带养起来,等Susan赶回来她父亲已经去世了,“你来晚了,你爸爸是被你杀死的”。从此她变得坚强,什么打击都可以承受,也正是这点吸引了Borman。之前,无论遇到什么危险,Susan总是告诉Borman:“我们俩是一起的,我不会成为你的负担”。但是这一次,Susan确实非常,非常担心Borman。

  有天Susan遇到Low,对于“阿波罗8号”即将面临的危险,大家心照不宣,只聊了聊其它话题。后来Susan想:“Low得是一个多么坚强的人,才能够负担得起这样的任务啊”。

  后来在一次聚会上Susan又问Kraft,“你觉得成功的几率有多大?” Kraft想了想说,“大概五五开吧。” 这个消息让Susan如释重负,因为Borman曾经告诉她,生还的几率只有1/3。其实当时,Kraft说的“成功”是任务目标全部达成后来他回忆说,如果早知道Susan问的“成功”是活着回来,他应该给个更高的数字。

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  Lovell永远是一副笑脸,而Borman的脑袋明显比其他俩人要大他的头盔需要单独定制,NASA

  万事俱备之后,大家给身在维也纳的大老板Webb打了电话,告诉他准备更改“阿波罗8号”的任务计划。Webb的第一反应是“什么,你们疯了吗?”

  单纯为了争个第一,去冒这么大的风险,在Webb看来很难理解。如果更改计划,“阿波罗8号”接近月球的日期正好是圣诞节,“万一出了意外,以后每一年的圣诞节,不只是航天的人,所有人都会记得NASA的事故,我们会遗臭万年的”。

  对Webb来说,给更改的计划开绿灯对他来说没有任何好处,尤其是他早已打算过几个月辞职。不过Webb始终没有说过“不行”。最后,Webb给出了他的意见:如果一切准备妥当,如果之前的“阿波罗7号”任务顺利,他就许可。

  但是选择Borman不能光是Slayton说了算,Kraft也需要和Borman聊聊,看他们是否愿意再进一步,不只是去月球“看一看”,还要绕月球飞行若干圈。

  Borman不反对环绕月球,但对于飞行圈数有不同意见。Kraft希望他们绕上12圈,这样降落地球的时候正好是白天,方便观察和回收,但Borman反对,而且他的理由很充分:“阿波罗8号”的任务本来已经冒了巨大的风险,少飞几圈,回来的安全系数就高一些,“凌晨安全降落”总好过“白天悲剧降落”吧。

  最后大家商定,“阿波罗8号”应当绕月球飞行10圈。

  看起来各项目标都确定了,只等开展工作。现在是1968年8月,距离发射还有4个月时间。

  未完待续……

  参考资料:

  Digital Apollo: Human and Machine in Spaceflight by David A. Mindell

  Rocket Men: The Daring Odyssey of Apollo 8 and the Astronauts Who Made Man's First Journey to the Moon by Robert Kurson

  Failure Is Not an Option: Mission Control from Mercury to Apollo 13 and Beyond by Gene Kranz

  Apollo 8: The Thrilling Story of the First Mission to the Moon by Jeffrey Kluger

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