飛船(三)——複雜的分系統發揮了重要作用

2020-11-23 網易新聞

     分系統是每個太空飛行器的心臟。「分系統」是航天時代出現的一個術語,指用於完成諸如供氧、供電甚至提供盥洗設施等特定功能的機械或電子設備。指令服務艙和登月艙的分系統所完成的功能相似,但因各自要適應的飛船及其環境的具體特點不同而採取了不同的設計。

     先說環境控制系統——太空人及其飛船的生命保障系統。它在效率和可靠性上都創造了奇蹟,尤其是其重量與體積令人驚嘆。一名配備呼吸器具的潛水員60分鐘就要用掉一罐空氣;而在「阿波羅」飛船上,等量的氧氣可用15個小時。船上的氧氣不是吸入一次後就扔掉:呼出的氣體要通過淨化除去二氧化碳,進行再循環和再利用。同時,艙內溫度也可保持在舒適的水平,並可除溼和除味。除此之外,生保系統還可使艙內保持適中的壓力,提供冷、熱水,並利用循環冷卻劑使所有電子設備處在適於其工作的溫度下(空間失重環境下是沒有對流的,各種設備必須靠流體循環來冷卻)。因為該系統與太空人性命攸關,故其大部分功能都設有冗餘——即便如此,整個設備也比一臺窗式空調大不了多少。

     怎樣才能產生足夠的電力來維持飛船在太空中運行之所需?指令服務艙採用的是燃料電池;而登月艙採用的是蓄電池組。「阿波羅」飛船的燃料電池利用在極低的溫度下以液態儲放的氧和氫來發電。液氧和液氫化合後可產生電力,同時生成可供飲用的副產品水(在前幾次飛行中,水中都夾裹有氫氣泡,雖沒對太空人造成什麼大的危害,但口感很差。太空人們對此抱怨頗大。這一問題通過在系統中加裝特殊隔膜最終得到了解決)。燃料電池電力系統效率很高,也很清潔,絕對沒有汙染。氧和氫的貯存要求在防漏絕熱容器技術上取得新的進展。如果在「阿波羅」飛船的氫貯箱中加滿冰,並放在華氏70度的房間內,箱中的冰要8.5年時間才會融化。如果一隻汽車輪胎按與這些貯箱同樣的速度漏氣的話,要3000萬年的時間才會變癟。

     「休斯敦,這裡是靜海。」這句話不久後將會從另一個世界傳回來。在月球上行走的太空人所說的話將先傳遞給登月艙,再傳到澳大利亞、西班牙或加州的一座跟蹤站,最後傳至休斯敦的任務控制中心,時間上只有2秒的延遲。從月球到控制中心的通信比從我在拿騷灣的家(就在載人太空飛行器中心附近)到休斯敦市中心的通信還要清晰,自然也更可靠。同時,一個很小的儀器將會記錄下太空人生保系統的讀數,幾秒鐘後任務控制中心的工程師會看到氧氣壓力的變動情況,醫生則可以看到心率的變化;世界各地的人們還可以在家裡通過電視收看。這一切全靠的是「阿波羅」飛船的通信系統。它是太空人返回地球的生命線,體積小,重量輕,而且工作絕對可靠。它由一系列調試到最佳狀態的接收機、發射機、電源和天線組成,可使地面人員和設備能擴展太空人和其飛船的工作能力(後來,當「阿波羅」11號飛船登月艙上的計算機在著陸最後幾秒的關鍵時刻發生過載時,技術高超的飛行控制員史蒂夫·貝勒斯就是利用這一通信系統告訴尼爾·阿姆斯特朗不必理會該過載警報,繼續執行登月不會有危險這一點的)。

     如果一定要挑出一種最重要、最複雜、性能和精度要求最高的分系統,那便是制導與導航分系統。它的功能是:引導「阿波羅」飛船穿越250000英裡空寂的太空;使之精確進入繞月飛行的軌道;使登月艙在距預定著陸點幾碼遠的範圍內在月面上著陸;引導登月艙從月面飛到月球軌道上進行交會;引導指令艙沿空氣稠密度高得足以捕獲飛船、又低得不足以將飛船燒毀的27英裡寬的「走廊」再入地球大氣層;最終使飛船在太平洋中部濺落在回收船附近。制導與導航分系統是在斯塔克·德雷帕的帶領下,由麻省理工學院設計的。它包括內存信息量大得驚人的一臺小型計算機、被稱為慣性測量裝置的一個陀螺和加速計組合以及使太空人能觀測到恆星的一臺空間六分儀。這些設備一道工作,可精確確定飛船在地球和月球之間所處的位置,確定發動機應如何工作才能以最少的燃料消耗來修正飛船的航線或在月面上的正確地點著陸。精度是最重要的;登月不容許在誤差上留有餘量,登月地點出現差錯時也沒有挽回的餘地。在「阿波羅」11號任務中,「鷹號」登月艙在下降發動機工作了12分鐘後在靜海基地著陸,而此時所剩的著陸用燃料只夠再堅持20秒。

     但是制導系統只能告訴我們飛船處在什麼位置及如何修正其航線。它就像是人的大腦,而「出力」的則是由火箭發動機、推進劑貯箱、閥門和管路組成的推進系統。「阿波羅」飛船上共有50臺發動機。與送飛船出徵月球的「土星號」運載火箭的三級相比,這些發動機推力較小,但數量卻要多出很多。它們中的大部分——登月艙16臺,服務艙16臺,指令艙12臺——每臺只能產生100磅的推力。如同飛機上的升降舵、副翼和方向舵用於俯仰、滾轉和偏航操縱一樣,它們可以讓飛船沿任何所期望的方向飛行。

     這些發動機中有3臺的推力明顯高於其餘47臺。服務艙中有一臺推力20500磅的發動機可將「阿波羅」飛船送入月球軌道,然後再將其帶回地球;登月艙上有一臺推力10500磅的發動機用於下降飛行,另有一臺推力3500磅的發動機用於上升飛行。這3臺發動機都必須正常工作,其中任何一臺出故障都會使太空人困在月面或月球軌道上。它們在設計時都把可靠性作為首要考慮因素。它們都使用一經接觸即可自動燃燒、不需用火花塞來點火的自燃推進劑;推進劑利用瓶裝氦氣,採用擠壓式方法輸向推進室,避開了複雜的渦輪泵;火箭噴管覆有燒蝕材料來防熱,不需設置錯綜複雜的冷卻系統。

     另有3臺發動機可在發射時即時提供推力,以在「土星號」火箭意外傾覆或爆炸時使飛船與運載火箭脫離。其中最大的一臺可產生160000磅的推力,比美國首次載人飛行時將艾倫·謝潑德送入太空的「紅石」運載火箭的推力還要高出許多(由於未曾出現發射中止的情況,因此這3臺發動機也未曾派上用場)。

     飛船上還有其它一些分系統,其中每個在設計上都有自己的複雜性,而且往往也各有各的問題。這些分系統包括顯示和控制、備份制導系統、登月艙上的登月起落架和指令艙上的地球著陸系統(降落傘)以及精度可與瑞士表媲美、強度足以攔住一輛貨車的對接系統。各分系統之間還有另外一些部件:導線、管件、管路、閥門、開關、繼電器、斷路器和啟動、停止、彈出、分離或以其它方式激活各種程序的炸藥。

(來源:摘自《阿波羅月球探險》)

本文來源:中國探月網 責任編輯:王曉易_NE0011

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