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“围绕月球”的太空竞赛 | 星星背后的物理(十三)

2016-10-26知识分子

嫦娥飞月图。来源:任率英,1955。现藏中国美术馆


撰文 | 张天蓉(美国德州大学奥斯汀分校理论物理博士)

审校 | 张双南(中国科学院高能物理研究所研究员)

           郑永春(中国科学院国家天文台副研究员)


  


万户飞天梦


飞到月亮上去!这是人类自古以来的梦想,但要实现这个梦想谈何容易。人类被地球的引力牢牢束缚在地面附近,月亮却高高地挂在天上,离地有遥遥的38万公里!这是一个难以飞越的高度,古人只能凭想象和神话故事来满足对月球的好奇。


谁说人不能飞上天呢?据说在14世纪末,有一个叫“万户”的中国人,注意到人们节日时当作玩具的烟花礼炮,能够利用火药燃烧产生的反冲力将烟花发射到天上。勇敢的万户想用同样的道理将自己送上太空,他将47支烟花(火箭)捆绑在椅子上,当作飞行器。万事皆备之后,万户自己穿戴整齐,手拿两个风筝,坐上座椅,让别人把47个烟花同时点燃。不幸的是,随着一阵剧烈的爆炸,万户和他的飞行器灰飞烟灭。


有趣的是,这个“万户飞天”的传说,以多个版本的不同形式,被记载在某些西方的航天史文献中,月球上的一个环形山也以万户的名字命名,但在中国历史资料中,却尚未发现关于万户的记载【1】


太空竞赛


尽管万户的试验以失败告终,但基本原理与之相同的现代火箭技术,却一次又一次地在航天活动中取得了成功。这要归功于几位现代火箭专家(见图1):被誉为航天之父的俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(Konstanty Ciołkowski,1857年-1935年);美国物理学家罗伯特·戈达德(Robert Goddard,1882年-1945年);德国的冯·布劳恩(von Braun,1912年-1977年);以及前苏联的谢尔盖·科罗廖夫(Sergei Korolev,1907年-1966年)。其中前两位是火箭理论的奠基人,而后两位则将火箭技术付诸实践并成功地将人类送上了太空。


图1:研究火箭的先驱


众所周知,美国成功研制的原子弹对结束第二次世界大战起了决定性的作用。但实际上,原子弹最早是由德国军方开始研制,并且,当年的纳粹德国研究开发的致命武器有很多种,V-2火箭便是其中之一。


V-2火箭是质量大约13,000 kg的液态火箭,是世界上最早投入实战使用的弹道导弹。可负载1,000kg的高能炸药弹头并射向300km远的目标。二次大战后期,德国纳粹的V-2火箭呼啸飞越英伦海峡轰炸伦敦,使多人丧生,并因为不易拦截而造成英国社会人心惶惶。


1945年5月,战争即将结束,德国已经崩溃,盟军节节胜利,希特勒已在地堡内自尽。开发V-2的冯·布劳恩和他的研究团队,藏到了阿尔卑斯山上一个偏僻的滑雪村里。尽管山下就是盟军的队伍,藏在山上的数百名火箭专家们,却在那儿衣食无忧,享受着明媚阳光和冰雪覆盖的山地美景。


不过,布劳恩并不是一个死命效忠纳粹的傻瓜。他知道自己在美国军方眼中的地位。有一天,布劳恩的弟弟骑着自行车,找上了山脚下一名美国士兵,用结结巴巴的英语告诉士兵他的哥哥是谁,还有关于V-2火箭的故事。不久之后,年仅33岁的布劳恩和他的同行们一起被送到了美国。


除了火箭专家之外,最重要的还有火箭研发基地。那块地盘原来是划归苏俄托管的,但美国心有不甘,组成了一个突击队,将基地近百枚的V-2火箭以及相关设备几乎抢运一空,当苏军在6月1日抵达时,只看到一座座空荡荡的工厂。苏联只好忍气吞声地捡了点“残渣剩饭”,将一些留守的科学家及家属,和剩余的研究设备运往苏联本土,进行火箭开发。


由于德国火箭技术及人员的俘获,苏美两国的太空竞赛就以导弹为主拉开了帷幕,之后发展到发射人造卫星,以及向月球进军。


虽然俄国从德国捞到的油水不如美国那么多,但前苏联雄厚的科技实力和俄罗斯民族的大国气概帮助了他们,使前苏联一开始在竞赛中就处于领先地位。更重要的是,俄国是宇宙航天之父齐奥尔科夫斯基的故乡,虽然这位伟人早已于1935年去世,但他弟子无数,影响尚存。


谢尔盖·科罗廖夫从小就痴迷于航天和航空,年轻时受到齐奥尔科夫斯基的影响而参加到火箭技术的尖端研究中。不幸的是,这个对科学满腔热情的单纯青年却在斯大林的大清洗中受到迫害,被逮捕后在西伯利亚监狱里关押了六年,后经专家们强力推荐才被允许进入监狱的工厂继续研究火箭。


为登月做准备


利用从德国获得的V2火箭部分资料,科罗廖夫和他的同事成功研制出苏联的第一枚弹道导弹。之后又设计并成功地发射了第一颗人造地球卫星。1961年初,由科罗廖夫改进的火箭将加加林送上了太空,实现了齐奥尔科夫斯基的名言:“地球是人类的摇篮,但人类不会永远停留在摇篮里。”满面笑容的加加林代表人类,第一次离开了“摇篮”!


苏联的第一颗人造地球卫星“史普尼克”是由一支三级运载火箭发射的,见图2a。卫星本体是一只直径58厘米,重83.6公斤的铝合金圆球。圆球外面附有4 根弹簧天线。卫星内部装两台无线电发射机,每隔0.3秒向外发射信号。卫星的绕地轨道最远时离地球964.1公里,最近时为228.5公里,轨道与地球赤道平面的夹角为65度,绕地周期96.2分钟。这颗人造地球卫星在天空中运行了92天,绕地球约1400圈,行程6000万公里,于1958年1月4日陨落。


图2:前苏联和美国的第一颗卫星比较


对此,美国不甘示弱,4个月后,美国成功地发射了人造地球卫星“探险者1号”,见图2b。


从图2中的尺寸比较中,我们可以看出,两方第一颗卫星的本体都不大,史普尼克是球形,探险者1号是长形,但史普尼克的重量大(83.6公斤),差不多是探险者1号重量的6倍。卫星看起来只像是个简单的玩具,关键设备是能够将它们加速到第一宇宙速度(7.9千米/秒),推上“天”去的运载火箭。推动史普尼克的火箭叫做R-7,推动探险者的叫做“朱诺I火箭”(注意:与NASA在5年前发射的木星探测器重名)。卫星虽然小巧玲珑,发射它们的火箭却都是庞然大物。火箭的尺寸(高度和直径),是卫星的10倍左右,重量达到几十吨。两个庞然大物分别由两方的首席火箭专家科罗廖夫和布劳恩设计。

 

紧接着,苏联又做出了一系列第一名:1957年,人造地球卫星2号带小狗莱伊卡进入太空;1958年成功地发射了第一颗科学卫星(卫星3号);1959年发射月球1号探测器,标志人造物体首次脱离地球轨道;1961年发射世界上第一个载人宇宙飞船,加加林成为首次进入太空的人;1963年,第一名女航员进入太空;1965年,阿.列昂诺夫实现首次人类太空行走……


这些为人类登月进行准备的航天活动中,苏联都走在了美国的前面,可惜好景不长,十年河东,十年河西, 1969至1970年代的阿波罗计划,为美国打了一个翻身仗。


阿波罗11号成功登月


从基本物理原理的角度而言,发射人造地球卫星比较简单,只要火箭有足够的推力将卫星加速到第一宇宙速度以上,卫星就可以围绕地球而转了。但如果要将人送到月球上,进行科学考察活动,然后还要安全地返回到地球,就需要更多的精密策划和细致考虑。


一般认为登陆月球有三种方案。一是直接登月,即用大型火箭把载有宇航员的航天器直接发射到月球表面,完成任务之后,航天器又从月球返回地球。第二种叫做“地球轨道交会”,意思是用较小型的火箭将登月航天器的不同部分送入地球轨道,在地球轨道上进行交会对接后再往月球,然后返回。

       


图3:阿波罗的月球交会轨道(图片资料来自NASA)


直接登月的方案是一步到位,似乎简单但不太保险,听起来像是“发射炮弹”,并需要巨型运载火箭。第二种的优越性是可以使用推力较小的火箭,但在地球轨道上“交会”并没有经验,不知道成功的几率有多大。


阿波罗计划最后采用的是第三种,叫做“月球轨道交会”的方案,见图3。在这种方案中,航天器分为“母船”和“登月舱”两部分,由大型火箭将整个航天器发射到绕月轨道上,之后,在月球轨道上两名航天员进入登月舱,驾驶登月舱与母船分离,并降落在月球上。然后,母船继续环绕月球飞行,在绕月轨道上等待登月舱返回。登月航天员完成任务后,返回登月舱,驾驶登月舱飞离月球并返回月球轨道,与绕月飞船对接后返回地球。


1969年7月20日,阿波罗11号的登月舱成功着陆月球,美国宇航员尼尔·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)在月球表面留下了人类的第一个脚印,他幽默地说:“这是我个人的一小步,却是人类的一大步。”第二位宇航员奥尔德林也随后跟上,登陆了月球。另一位宇航员迈克尔·科林斯则留守在绕月环行的“母船”哥伦比亚号上。


有趣的是,在登月舱出发之前,休斯敦地面指挥中心的通讯员与几个宇航员间有一段极有意思的对话。通讯员说:“请注意一位名叫嫦娥的可爱的中国姑娘,她带着一只大兔子,已经在那里住了4000年!”宇航员随口回答:“好的,我们会密切关注这位中国兔女郎。”


前苏联为何没有登月


前苏联为登月设计的方案基本上与阿波罗计划的一样,也是采取“月球轨道交会”的办法。


为了达到送人登月的目的,需要大型的运载火箭,美国人使用的是布劳恩等人设计的“土星5号”三级火箭,这是航天史上最大的火箭,高达110.6米,质量3,039吨,有效载荷45吨,至今为止,仍然保持着最高、最重、推力最强的运载火箭的记录。


科罗廖夫为前苏联设计的对应物是“N1运载火箭” ,其尺寸比土星5号稍小,但运载能力更大。N1的研发工作比土星五号晚,之后由于资金短缺、未经过严格测试便进行发射试验。美国“土星5号”的13次发射试验次次成功,而n1的四次发射试验全部失败,其中3次是在发射后爆炸,最严重的一次是尚未发射就爆炸了。在1969年的第3次发射试验之前,因为一颗松动的螺柱被吸入了燃料泵,导致30台发动机中的29台停止工作而造成爆炸,将发射台都炸毁了,造成火箭应用历史上最大规模的爆炸。


有人认为N1的设计上也有毛病,比如,它使用了30台发动机,而土星五号只有5台发动机。如此多台的发动机可能也是造成爆炸的潜在原因。30台发动机!不由得使人联想到“万户飞天”时绑在椅子下面的47只冲天炮。不过,N1火箭的设计者科罗廖夫还来不及看到运载火箭的失败就先它而去了。科罗廖夫得了癌症,又劳累过度、心力衰竭,于1966年1月14日与世长辞,终年才59岁。由于种种原因,苏联在1976年正式取消了N1运载火箭这项工程,也给苏联的登月计划以致命的打击,因为没有足够运载能力的大型火箭,载人登月并安全返回是不可能的。

       

图4:美国和前苏联的登月运载火箭(图片资料来自NASA)


胜利的失败:阿波罗13号


美国电影“阿波罗13号”描写了阿波罗计划中第3次载人登月的真实事件。阿波罗13号发射两天之后,服务舱的氧气罐爆炸,太空船严重毁损,失去大量氧气和电力。在太空中发生如此大的爆炸事故,人们以为再也见不到执行这次任务的三位年轻人了。然而,三位太空人克服困难,与地面控制团队紧密配合,使用航天器的登月舱作为救生艇,成功地返回到地球,创造航天史上的奇迹,被称为一次“胜利的失败”。


当年参与救援的一位工程师后来在“今日宇宙”网站上发文总结说,阿波罗13号获救是因为存在13个条件【2】


阿波罗13号是在去月球的半途发生事故的。按常理来说,发生了爆炸应该尽快掉头返回地球。但是,直接掉头必须首先迫使飞船速度反向,这需要很大的推力。供给推力的服务推进系统正好位于发生事故的服务舱尾部,如果点火燃烧推进系统,很有可能再次引起爆炸。因此,指挥中心决定利用“自由返航轨道”返回地球。


所谓“自由返回轨道”的方法,指的是“借月球一臂之力”,充分利用月球引力的自然助推作用,来使得航天器转向返回。


在正常发射月球探测器时,也可以使用这种方法来节约燃料。月球探测器发射之后只需要在地月转移轨道时进行一次变轨,飞抵月球轨道后便能在月球的引力作用下绕过月球,再自动地返回地球,如图5b所示。


图5:阿波罗13号返回路径


阿波罗13号的情况与正常发射稍有不同,是一种应急处理。总之,三名宇航员与地面控制人员紧密配合,最后选择了利用月球引力返航的方法。阿波罗13号使用登月舱的降落火箭,稍作机动变轨进入到“自由返回轨道”。然后,待登月舱绕过月球背面后,降落火箭被点燃,以加速登月舱返回地球的速度,最后顺利地进入地球轨道并安全返回地面。


参考文献:

【1】维基百科:万户,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%87%E6%88%B7

【2】http://www.universetoday.com/62339/13-things-that-saved-apollo-13/


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