APP下载

探月先锋

2014-01-21老虎

航空知识 2014年1期
关键词:阿波罗登月月球

老虎

1959年1月2日,苏联哈萨克共和国拜科努尔航天发射场,一枚运载火箭腾空而起,把月球1号无人探测器送入太空。月球1号到达离月球只有5 995千米的地方后与月球擦肩而过。它获得了地月磁场、宇宙射线强度、太阳辐射、星际分子等重要数据,并发现月球的磁场几乎为零。最终月球1号进入日心轨道,成为第一颗人造行星。尽管苏联人的本意是让这颗探测器撞击月球,实验只做成了一半,但其发射成功仍然震惊世界,这可是第一颗脱离地球轨道的人造天体!

1957年10月4日,苏联发射了人类第一颗人造地球卫星,开启了人类航天时代的大门,现在又开始进军月球。西方百姓惊掉了下巴。大多数人并不知道,早在1945年6月,已被美军俘获的德国火箭专家冯·布劳恩已经发表过一篇论文,提出人类星际旅行的可能性,第一站就是月球。月球探测器实际是为人类最终登陆月球派出的侦察兵。美国在这方面着手也不晚,从发射月球探测器的时间上看,甚至略早于苏联,只是最初发射那几次没有成功而已。

苏联取得巨大航天成就,最敏感的是美国媒体。苏联发射第一颗人造卫星之后,美国报纸上就流行过这样一首讽刺小诗:

“噢,小小的卫星高高飞翔,莫斯科造的广播在上安装,你告诉我们这是共产主义的蓝天,你告诉世界山姆大叔睡得正香。”

冷战时期,自己的任何进步,都能用来证明自身制度的优越性,反之,任何失败都可能惨遭对手挖苦。美国觉得如芒在背,自然不能落伍。这样,美苏你追我赶,造就了人类探月活动的第一个高潮期。

人类最终的进步,其最初常与血腥的征服有关。与“上疆场彼此弯弓月”的重口味相比,美苏围绕探月相互矫情,以高科技竞争的形式很“文明”地开启了人类航天时代的大幕,并最终催生了信息时代。

探月领域,美苏各有千秋,但最后截然不同的结果足以令后人慨叹不已。

红月亮

1959年9月14日,苏联的月球2号探测器终于如愿以偿,撞上月球,撞击速度3.3千米/秒,成为第一个踏足月球的人造天体。月球2号发射以后仅过3周,1959年10月4日,苏联成功发射月球3号探测器,将人类从来无缘见到的月球背面拍了照片,并传回地球。

月球3号上使用了太阳能电池,携带两台焦距不同的光学相机,采用压缩气体控制探测器的指向。月球3号飞经月球背面时,最近距离月球6 200千米。两台相机共拍摄照片29张,其中17张底片在飞行途中完成自动冲印,通过电视扫描转化成电视信号,然后通过无线电装置将信号传回地面。地面解码,还原出照片。虽然照片分辨率不太高,也仅仅拍到了月球背面7成的区域,但这是人类第一次看到月亮的另一面。苏联对发射时间和飞行轨迹都进行了精确的计算,月球3号经过月球背面时,月球恰好位于地球和太阳之间。这样,太阳光可以照亮月球的背面,让相机可以更清晰地拍到画面。

从1959年至1960年,苏联先后进行了9次月球探测器的发射,发射探测器为月球1~3号,质量361~435千克。后人习惯将这一批探测器称为第一代探测器,它们的任务相对简单,就是从月亮旁边飞过,成为一名观察者,或者以“硬着陆”的方式直接撞击在月球上,成为一名造访者。所用运载火箭均为“月球”号。

接下来,从1963年1月至1968年4月,苏联用推力更大的“闪电”号系列火箭(在“月球”号上加装第三级)又进行了22次发射。这些发射任务中的月球探测器质量都在1 420千克至1 660千克之间,是第一代探测器的三四倍,也就是月球4~14号。这一代月球探测器先被发射到距离地球200千米左右的地球停泊轨道,然后再次点火奔月,途中可以修正轨迹,最终实现精确抵达。其中1966年用“闪电”M火箭发射的月球9号,首次实现人造天体月球“软着陆”。同年3月31日用同样火箭发射的月球10号则首次实现了绕月飞行。

1969年12月至1974年10月,苏联用推力更大的“质子”号系列火箭进行了15次月球发射,其中主要是月球15~24号以及“探测器”系列。这一代探测器质量5 600~5 800千克。月球16号首次取回了101克月球土壤样品。1970年11月10日,“质子”K运载火箭发射月球17号获得成功,月球17号携带了人类首辆月球探测车——月球车1号,这辆月球车在月球上生存了301个地球日,耗尽同位素燃料后寿终正寝。月球19号则是苏联成功发射的第一颗重型环月飞行探测器。

美国逆袭

1959年9月15日至27日,苏联领导人赫鲁晓夫访美,期间毫不掩饰地说“月球2号已经把苏联的勋章挂在了月球上”,并真的赠送给艾森豪威尔总统一枚勋章。在美国舆论看来,赫鲁晓夫简直是一脸的“小人得志”,有点上门叫板的意思了。

1961年,苏联航天员尤里·加加林驾驶“东方”号载人飞船遨游太空,成为首度进入外层空间的人类英雄。面对苏联咄咄逼人的进展,新继任的美国总统肯尼迪宣布,10年内,美国要把人类送上月球。“阿波罗”登月计划开始启动。

人要上去,东西就要先上去看个究竟。1958年8月到12月,美国先后发射了4颗“先驱者”月球探测器(编号从0到3),都没有成功,但没成功并不等于没成果。“先驱者”1号第一次测量到范·艾伦辐射带的范围,并获得了太空磁场的第一批数据。

1961年以后,美国无人月球探测器的规划是非常严谨的,目标只有一个,为“阿波罗”登月计划做准备。用“徘徊者”探测器对月球表面进行初步观测;用“勘探者”探测器考察月面的力学特征;用月球探测器对月面实施测绘,并选择适合人类着陆的登陆场。

1961年至1965年,美国先后发射9颗“徘徊者”探测器。“徘徊者”依靠“硬着陆”登陆月球,但前6次发射均告失败,其中“徘徊者”4号和6号撞上了月球,但没有发回任何数据。到了1964年7月28日发射的“徘徊者”7号,转折开始出现。在撞击月球之前,“徘徊者”7号发回照片4 316张高清晰度的月球画面,拍到最后一幅画面时距离月面仅有426米,这些分辨率在0.4米左右,能清晰显示出直径小于1米的月坑及几块不到25厘米宽的岩石。之后的“徘徊者”8号和9号也非常成功,传回照片12 000张,它们为选定“阿波罗”登月点做出了出色贡献。尽管“徘徊者”系列探测器质量只有300~370千克,还不如苏联第一代月球探测器重,但美国电子工业的高度集成的技术水平此时终于显现威力,传递图片的清晰度和数量超过了苏联。

苏联成功发射月球9号后不到4个月,美国“勘察者”1号探测器就于1966年6月2日成功在月球上实现了软着陆。这实际上已经反映出美国登月技术已经赶了上来。“勘察者”1号传回照片11 240幅,几乎全部是高清晰度彩色照片。它着陆后没有发现很深的松软土壤层,这证明月面土壤硬度足够,如果人类和月球探测车登月,应该不会陷进去。此后,美国连续发射了6个“勘察者”探测器,成功的有4个。其中1967年9月8日发射的“勘察者”5号成功降落在月球静海一座环形山的内坡上,分析了月表岩石的化学成分,提出了其与地球玄武岩成分近似的结论。“勘察者”5号和后续的6号在完成“软着陆”任务后,还进行了发动机瞬间点火试验。它们发现月面受到的侵蚀并不大,也就是说对“阿波罗”飞船的影响应该不大。

1966年8月10日,美国月球轨道器1号发射成功。“阿波罗”登月前哨战进入第三个阶段。月球轨道器1号有4块太阳能电池板供电,顶部有火箭发动机,可用于飞行轨迹的修正,另外还可以用气体喷射推力器的方式修正其轨道姿态。结合前两个阶段的探测成果,月球轨道器1号对“阿波罗”登月的16个备选登陆场(其中主选登陆场9个,其他为次选)进行了大量的测绘。紧接着,美国从1966年11月到1967年8月,分别发射了月球轨道器2~5号,全部获得成功。其中尤为戏剧性的是,月球轨道器3号还在无数个月坑之间发现了已经光荣完成使命的“勘察者”1号。

月球轨道器上有两组摄像镜头:焦长80毫米的镜头拍摄中分辨率影像,焦长660毫米的拍摄高分辨率影像。拍摄到画面后,信号传回地球,解码后还原到胶片上。通常是3张胶片显影后,依次拼接,形成一张大照片,全面显示某一地区内的地形地貌。NASA集中了大量的人力物力,仅在月球轨道器一项上,就花费了2亿美金。

这时,距离“阿波罗”登月计划仅有两年。美国已经基本获得了计划所需的月表环境数据,完成所有这些复杂的技术准备、产品衔接、工程管理、资源调配等,仅用了4年。即便以今日标准看,美国人做得也非常棒。

胜负之道

向月球发射探测器,至少要具备两个条件,首先让它能达到11.2千米/秒的第二宇宙速度,脱离地球轨道;其次就是准确计算并控制探测器飞行轨迹,让它尽可能接近或者撞上月球。

当年,向月球发射无人探测器最大的问题是没有足够可靠的运载火箭。苏联1958年连续用“月球”号火箭分别发射了3颗月球探测器(月球1958A/B/C),都没有成功。但是相比同期执行类似任务的美国火箭,“月球”火箭还是有明显的可靠性优势,这使得在最初阶段苏联人跑到了美国人前头。

冷战开始后,苏联发现自己非常缺乏像美国B-29那样的远程战略轰炸机,仿制B-29的图-4此时还没有生产出来。米亚西舍夫设计局推出的米亚-4远程轰炸机的航程只能保证飞到美国,然后就飞不回来了。所以苏联非常重视洲际导弹的研发,这也就为后来将洲际导弹改装成为运载火箭奠定了基础。

用于发射第一代苏联月球探测器的“月球”火箭,本身就是由R-7A洲际弹道导弹改装的。R-7A洲际弹道导弹在设计中就考虑了它的适应性和通用性,没有着眼于大幅度提高单台发动机的推力,而是采用了相对简单的多燃烧室方案;在助推器和火箭主级连接上,采用了尽量减少耦合的思想,即使火箭在某几个燃烧室工作失常的情况下,也能完成预定任务;避开了火箭发动机高空点火的困难,采用主级和助推级同时地面点火的方案,火箭结构相对简单,可靠性较高。改进而成的“月球”号火箭第一级捆绑了4台助推器,主级和捆绑助推器一共有20个燃烧室,还有12个控制飞行姿态和方向的游动发动机。

而同期的美国运载火箭则暴露出推力不足、可靠性欠佳的问题。 如“先驱者”月球探测器的发射,前3次用的是“雷神-艾布尔”火箭,第四次用的是“朱诺”,所有试验均告失败,原因都是火箭太不给力了。“先驱者”0号命运最惨,升空至16千米后火箭爆炸,粉身碎骨。后几个则是未能达到第二宇宙速度,最后都掉了下来。

和苏联一样,美国早期的运载火箭也是在弹道导弹基础上改进而来,但不同的是,苏联改进的基础是射程8 000千米以上的洲际导弹,而美国改进的基础是中程导弹。用于发射“先驱者”0号至2号月球探测器的美国“雷神-艾布尔”火箭是一种3级运载火箭,第一级是在“雷神”中程弹道导弹基础上改进的,第二级是派生自“先锋”火箭的“艾布尔”火箭,增加“牛郎星”火箭发动机部分作为第三级。“朱诺”运载火箭往上追溯,是“丘比特”C火箭,“丘比特”C火箭再往上追溯,就是美国陆军第一代中程弹道导弹“红石”。“丘比特”C火箭有3级,而“朱诺”又在它的基础上加了一枚“小上士”固体火箭,成为4级火箭。美国这么做,实出无奈,显然是想以拼接的方式保证火箭推力,但火箭先天不足,如此复杂的结构无疑也增大了发射风险。

布劳恩认为,1955年以前,美国没有重视人造卫星和太空飞行问题。他说:“美国在1945至1951年间没有值得一提的弹道导弹计划,这些年间,俄国人显然为他们巨大的火箭计划奠定了基础,这6年是无可挽回地丧失了……”

美国开始奋起直追,基本是1956年之后的事,为了与苏联载人航天计划竞争,美国空军推出“载人轨道或兼研究系统”计划,催生了“宇宙神”系列运载火箭。1957年,美国陆军弹道导弹局也开始探索新的运载火箭,要求能把9~18吨载荷送入近地轨道,把2.7~5.4吨的探测器加速到第二宇宙速度,这个计划的最终结果是“土星”系列运载火箭的出现。没有它就没有“阿波罗”登月。美国逐渐在太空发射运载工具的选择上上扳回弱势局面。1967年11月9日,第一枚“土星”Ⅴ火箭载着“阿波罗”4号飞船在佛罗里达的卡纳维拉尔角升空,34 020千牛的起飞推力产生强劲的地震波,竟然传到了1 770千米以外的纽约地震台。“土星”Ⅴ火箭最终成为人类历史上使用过的最重、推力最强的运载火箭,高达110.6米,起飞重量3 038吨,总推力达3 400吨左右,可将127吨的有效载荷送上近地轨道。

如果美国没有提出“阿波罗”登月计划,苏联完全可以凭借手中的运载火箭与之周旋下去,在无人探月领域继续保持领先,假以时日,载人绕月或登月也未必就不能实现。但是美国“阿波罗”登月计划严重刺激了苏联的神经,完全打乱了苏联的阵脚。1964年,苏共中央和苏联部长会议推出《关于研究月球及外层空间工作》的决议,提出苏联也要有自己的载人月球计划,而且方案不止一个:由科罗廖夫主导使用N-1运载火箭的登月计划,以及由切洛勉主导使用“质子”号火箭的绕月计划。其中N-1运载火箭计划将95吨的载荷送到近地轨道,起飞质量2 800吨,各项指标均与美国的“土星”Ⅴ火箭相当。但当时苏联并不具备相应的技术研发能力。不过一直声称要“埋葬资本主义”的赫鲁晓夫绝对不能让资本主义抢先,甚至提出要在1967年10月完成航天员绕月飞行,纪念十月革命50周年。同年,赫鲁晓夫被整下台,换上了勃列日涅夫,一切照旧。后者“鞠躬尽瘁”长达18年,在1982年“死而后已”。

1966年,领军人物科罗廖夫去世,苏联航天的主心骨没有了。仓促上马,设计指标一直变来变去的N-1火箭命运多舛,终于在数次意外爆炸后惨淡收场,苏维埃登月计划终成一枕黄粱。

历经挫折的“质子”火箭不负众望,一次次将“探测器”系列发射成功,一直在验证载人绕月的可行性。1968年8月,“探测器”7号发射取得圆满成功,首次证明苏联拥有了载人绕月的能力。同年12月,“阿波罗”8号搭载美国宇航员博尔曼、洛弗尔、安德斯完成了绕月飞行。苏联也就失去了载人绕月的兴趣。

在美国集中全力,用并行工程等现代管理学理论奔着唯一目标而去的时候,苏联开始用有限资源去做两件相互打架的事,计划经济的恶习——部门扯皮、官僚主义再度被激发了出来。

人可能是主观的,规律永远是客观的,谁违反客观规律,不管信仰什么,谁就要付出代价。

责任编辑:吴佩新

猜你喜欢

阿波罗登月月球
人类最后一次登月
到月球上“飙车”
月球上的另一个我
我有一个“登月梦”
阿波罗13号与与重返月球
回望阿波罗11号
登月50年:何日与君再相见?
Analysis of the relationship between enterprise size and economic growth
阿波罗之春
拯救阿波罗13号