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万字好文!人类登月50年的过去、现在与未来
2019-07-20 20:38:58  出处:新浪科技  作者:晨风 编辑:上方文Q   点击可以复制本篇文章的标题和链接
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如果我告诉你,人类第一次登月已经过去整整50年了,很多人会觉得难以置信,那样不可思议的壮举竟然已经是半个世纪之前的事情了。

但这就是事实——2019年7月20日,世界迎来人类首次载人登月50周年的纪念日。

我们同样也注意到,在冷战中诞生的“阿波罗计划”似乎只是昙花一现:6次成功的载人登月任务,12名美国人踏足月球荒芜的表面。但自那以后,月球似乎就被遗忘了。

但最近几年,月球探测的热度又开始起来了,就说今年以来发生的事吧:就在今年1月份,中国成为世界首个成功着陆月球背面的国家,而印度紧随其后,他们的“月船2号”将降落到月球南极附近;美国显然受到了刺激,特朗普已经指令美国航空航天局,要在2024年让美国宇航员重返月球。

尽管没有人会承认这一点,但正在发生的这些事情,给人的感觉就是:第二次太空竞赛开始了,而主战场就在月球。

不同于上世纪中叶美苏之间进行的太空竞赛,21世纪的这场新的“太空竞赛”有了更多的新参赛者,也将采用很多新技术,遇到很多新情况,需要解决一些新问题。

站在历史的十字路口,我们有必要回顾一下,人类飞向月球的过去,现在和将来。

一)过往——艰难的登月之路

1969年7月20日,阿波罗11号飞船成功降落到月球表面的“静海”区域。这两位宇航员是如何实现这样的壮举的?

答案简单地出人意料:练习,不断的练习。

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1960年代,“双子星”计划期间NASA的训练用模拟器

在太空竞赛刚刚开始的那几年里,美国航空航天局(NASA)的工程师们花费了数不清的时间去对太空飞行时可能遇到的任何问题进行反复模拟,在那之前,他们不会让宇航员去冒险。

这也是为什么在1960年的几乎每一个周五,哈罗德·米勒和迪克·库尔斯都要进行一场所谓的“水果飞行”,往返于佛罗里达州的卡纳维拉尔角和位于弗吉尼亚州的美国航空航天局兰利研究中心。

在过去的大约一年时间里,米勒和库尔斯在兰利归属于一支开展飞行模拟实验的小型团队。

但最终,他们需要将这项工作扩展出去,去到佛罗里达州,因为那里将是未来载人登月任务的控制中心所在地。

佛罗里达的橙子很有名,于是每个周末的航班上总是满载着来自这个“甜橙州”的美味水果。但是便宜美味的水果还只是在沼泽灌木丛密布的卡纳维拉尔角工作的乐趣之一。

如果一枚测试火箭发生爆炸(在当时的技术水平下,这种事发生的概率差不多有50%)并引燃周围的林地,你就会看到一大批鳄鱼和野猪到处逃窜。

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美国最早一批宇航员,由于一开始执行的是“水星”计划,因此也被称作“水星七杰”

这时候,NASA正致力于一项名为“水星”的航天计划。这项计划是美国第一个载人航天计划,其目的很明确:实现美国宇航员首次进入太空飞行,并确保安全返回地球——最好能够在时间上抢在苏联人之前;

但在那个时候,没人知道人是否能够进入太空并安全回来,更别提在太空的失重环境下进行工作了。即便最后被证明可以开展工作,他们也不知道究竟该如何操控一艘宇宙飞船。

因此,米勒和库尔斯他们所在的飞行模拟任务组的任务,不仅仅要摸索出一套培训实际执行太空飞行任务宇航员的方法,同时还要负责对逐渐成型当中的控制中心工作人员的培训。和那个年代NASA所承担的很多工作一样,这些任务意味着去开辟全新领域,做从没有人做过的事。

库尔斯回忆:“我第一次去佛罗里达是在1960年。当时哈罗德带我在卡纳维拉尔角转了一圈,当时我说‘我非常肯定这里很快就要沉到海底了,大家都得游泳。’而哈罗德的回答是‘没错,但是我们可没有时间教会你游泳。’他说的是事实,一切都在飞快的发生,你必须快速学习,就像把一根消防管子直接插进你喉咙里灌水。”

克里斯·克拉夫特是NASA的第一位飞行主管,他想到一种方案,可以将宇航员和地面控制人员的训练结合到一起,因为这两个团队在实际执行任务时必须紧密合作。模拟实验团队正是具体负责这种“整合”训练的部门。

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“水星”计划任务控制中心的工作情景

在佛罗里达首次建成的控制中心后面的一间房间里,他们使用了“水星”飞船训练舱,这是一种早期的模拟器,它基本上就是真正的“水星”飞船的翻版。不久之后,美国第一位宇航员将会搭乘这样的飞船进入太空。

在这个模拟器上,各种操纵杆,按钮,控制器等一应俱全,可以用于模拟操作训练。所有这些部分都与一台计算机相连接,后者可以给出各种模拟参数。同时,这些参数也会被传输到模拟控制中心的操纵台上,以便工作人员查看“飞船”的实时情况。

为了进行这样的模拟,他们使用了一台占据一整个房间的巨大的计算机系统,用于模拟各种在实际飞行过程中可能出现的情况,以便帮助相关人员进行训练。

这套系统甚至还可以模拟各种可能的突发意外情况以考验宇航员的处置能力,比如舱内突然失压,或者姿态控制引擎失灵等等。他们必须考虑所有可能的问题,因为只有这样,控制中心才能提前设计好应对方案。借助模拟,任务控制者们将检查每一个系统,完善针对几乎所有可能故障处置的每一个流程。

在米勒看来,当年这样的模拟,与今天的水平相比,仍然显得非常粗糙和初级,但是这段时期确实锤炼了一支紧密团结的团队,并让宇航员和地面团队为未来各项任务期间可能出现的各种状况做好了准备。

1961年,旨在将宇航员送入地球轨道的“水星”计划开始执行,而地面模拟任务也在继续进行。相关团队每周一次飞往佛罗里达州的出差也在继续,但是相比之前,他们在佛州停留的时间变得更长了。

很多时候这是由于天气不好或者火箭故障延误了发射的进行。其中有一次比较严重的延误,让米勒和库尔斯在佛州整整待了6个星期。

这个时期,整个美国航天计划正在以惊人的速度全力推进。就在“水星”计划刚刚开始执行的档口,时任的美国总统肯尼迪便向NASA发出了一项看似不可能完成的挑战:要在1970年之前,将人送上月球并安全返回。

模拟团队很快就明白,这将是一项规模大得多的任务。于是,快马加鞭便是唯一选择了。

“水星”计划的任务目标很快达到了,紧接着“双子星”计划立即启动。这同样是一个在地球轨道上进行的任务,但与水星计划不同的是,这项计划将在轨道上飞行更长时间,并且每次将由两位宇航员一共执行任务,而不是水星计划时期的一位。

在“双子星”计划之后,“阿波罗”计划启动。这一任务的目标,正是载人登陆月球。一切都需要提前演练。

这一时期,地面模拟团队从佛罗里达迁走,搬到了位于德克萨斯州休斯敦的“载人飞船中心”。

在这里,他们用上了更加先进的计算机并安装了更多的模拟器,其中一些甚至还带有机械底座,可以模拟飞船飞行中的各种晃动和运动。在这里,米勒和库尔斯他们也设法开发出了更加复杂精细的计算机模拟程序。

任务控制大楼没有窗户,但这并没有关系,因为在阿波罗计划最关键的时期,地面任务团队基本上一周工作七天,每天工作10~12小时,说实话根本没有时间去欣赏窗外的什么风景,更别说出去走走什么的了。

慢慢的,模拟团队的老大就开始有了恶名,大家都快被他领导下的模拟团队设计的那些近乎变态,极其复杂疯狂的各种故障模式逼疯了。

对于自己的遭遇,库尔斯调侃道:“在星球大战里,我们这种人应该是属于暗黑世界那边的人。”

但这样做真的有用,因为模拟团队设计的很多看似匪夷所思的故障模式,后来在真实的太空任务期间真的发生了。

比如在早期的几次阿波罗任务模拟中,模拟团队设想了引擎失效的情况,而在不载人的阿波罗6号任务期间,真的有两台发动机过早的停止了工作。幸好有此前模拟的时候进行的训练,地面控制中心提前准备了相关应急预案,成功地让另外三台发动机工作更长时间以补偿这两台发动机过早停止工作造成的推力损失。

而更加重要,更加为人所知的案例则是“1202”计算机故障。

这是1969年阿波罗11号执行人类首次人类登月时发生的计算机报警信号代码。这个报警代码表示登月舱的一台计算机出现了数据过载,需要进行重启。飞行控制团队明白这台计算机的作用有多么重要,甚至一度考虑让宇航员在最后时刻放弃登月尝试。

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在月面上开展工作的“阿波罗11号”宇航员

但就在阿波罗11号发射之前的几天,在最后的训练阶段,库尔斯团队曾经设计了完全相同的警报故障模式,于是在这紧要关头,有一位控制员意识到,这条计算机应该可以自动完成重启程序。

如果没有事先充分的模拟训练,尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林和他们执行的阿波罗11号可能将会被迫放弃这次任务,从而永远改变人类登月的历史。

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那张著名的照片,这是人类的一大步

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