火箭推进
主办单位:中国航天科技集团公司
国际刊号:1672-9374
国内刊号:61-1436/V
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土星5号火箭:超级太空推进器

  苏联1957年10月4日将史泼尼克(Sputnik)人造卫星送入地球轨道,不仅开启了人类探索太空的新纪元,也拉开了美苏之间长达十几年的“太空竞赛”的帷幕。


  1961年4月12日,传来了一个让美国人更加沮丧和懊恼的消息,苏联宇航员加加林乘坐东方一号宇宙飞船,进行了1小时48分的地球轨道绕行。美国在一个月后做出回应,5月5日,宇航员谢泼德成为第一个进入太空的美国人,但他并没有进入地球轨道,而且在地球上空的停留时间也比加加林要短,只有15分钟。


  1961年5月25日下午,美国总统肯尼迪在国会联席会议上发表演讲。在讲话快结束时,他宣布美国的太空计划即将开拓新的边疆,并提出了登月的远大目标:“我认为,我们的国家应当在这个十年结束之前,实现把人类送上月球并使其安全返回地球的目标。这个时期内,不可能有哪一项空间计划会比这更激动人心,比这对人类更具有影响力,或比这对宇宙的远距离探测更为重要,没有任何任务比完成这项使命更为困难和昂贵。”


  在这次慷慨激昂的讲话之后,美国便开始着手实施阿波罗登月计划。这个计划简单易懂,因为人人都知道月亮是什么,谁登上了月球谁没有,这是显而易见的。最终,人类登上月球的时间被定格在1969年7月20日,乘坐“阿波罗11号”登月的宇航员阿姆斯特朗在月球上留下了人类的第一个脚印。在阿波罗登月计划成功实施的背后,有数十万人默默无闻地付出,他们的工作为登月计划提供了航天设备、供给品和各种仪器。由于阿波罗飞船以及宇航员所乘坐的登月舱拥有极其巨大的质量,因此需要一个拥有巨大推力的火箭来完成推送任务。阿波罗号的运载火箭――土星5号火箭最终被设计出来,并成为登月计划中的关键一环。


  起源:从战争武器到航天利器土星5号火箭的起源可以追溯到二战之前德国的一家业余火箭俱乐部。这个名叫太空旅行协会(VfR)的俱乐部,在1927年由一群火箭爱好者创立。创立之初,俱乐部的章程便明确指出了两大目标:一是推广火箭航向月球及其他星球的观念,二是从事火箭推进发展的严谨实验。德国天才火箭工程师沃纳?冯?布劳恩(Wernher von Braun)是太空旅行协会的创始人之一。


  二战爆发后,德国准备入侵欧洲。由于受到《凡尔赛条约》的制约,德军无法使用远程大炮,因此,他们对太空旅行协会的研究产生了兴趣,并且打算将新的火箭技术应用到战争中去。在德国东北部乌瑟多姆岛上的佩内明德基地,冯?布劳恩和他的工程师团队研发出A-4火箭。到了二战末期,常规弹头被安装在A-4火箭的顶部,并且被德国宣传部门更名为V-2火箭,也就是复仇者2号。


  1944年9月8日在伦敦克伊斯维克的爆炸,标志着V-2火箭作为威慑武器首次使用。得知V-2火箭袭击伦敦后,冯?布劳恩将这天称为自己生命中最黑暗的日子,他说:“我们的火箭表现出色,只是它在一个完全错误的星球上着陆。”


  在1945年二战即将结束的最后时刻,盟军派出了多支情报专家小组搜寻实用的军事技术。冯?布劳恩和他的团队也在搜寻名单之上。冯?布劳恩和他的团队最后时刻选择向美国投降,于是美国不费吹灰之力便得到了如此重要的“战利品”。到达美国后,冯?布劳恩被任命为美国陆军弹道导弹署发展部主管。


  虽然在美国从事导弹研发工作,但是冯?布劳恩始终不忘自己的太空理想,他进行演讲,出版书籍,向公众宣传人类飞向太空的可能性。1954年,《科利尔》杂志邀请了一些专家对太空探索进行讨论,并且将讨论内容分8次发表。《科利尔》杂志将这些报道视为科学,而非科幻。冯?布劳恩为太空船及其发射设备提供了真实的描述。这一系列报道传递的信息是,太空探索是可行的,并且即将发生。尽管推进技术仍然有很多困难需要克服,但在冯?布劳恩看来,解决这些问题的时间并不会太遥远。


  迪斯尼读了《科利尔》杂志的报道后,对太空探索产生了极大的兴趣,他决定在自己的电视节目中,设立一个有关太空的主题,取名为“明日世界”。冯?布劳恩给“明日世界”这个节目提供了很多有用的建议,他也因此受到大众更多的关注,甚至有人曾经在新年前夜给他打电话,希望得到一张前往月球的入场券。


  研发:从“木星”到“土星”


  在1957年苏联发射第一颗人造卫星后,美国陷入一片慌乱。冯?布劳恩在这场慌乱中却保持了足够的冷静。他对媒体说,美国并不缺乏火箭竞赛所需的天才。冯?布劳恩还表示,单靠一个天才独自解决所有问题的时代一去不复返了,现代科学错综复杂,越来越需要一群专家共同协作,团队工作十分重要。


  美国政府决定发射一颗卫星来回应苏联的太空行动,但他们没有选择冯?布劳恩及其团队研发的红石火箭,而是选择海军研发的尚未进行过试验的“先锋号”(Vanguard)运载火箭进行卫星发射。这次回应不仅是冒险的,而且也是失败的。不成熟的“先锋号”在发射途中出现故障,坠落的火箭点燃了整个发射区,让艾森豪威尔政府十分尴尬。这次卫星发射失败后,冯?布劳恩的火箭小组获得了机会。1958年1月31日,冯?布劳恩研发的木星C火箭将探索者一号人造卫星送入太空,在太空竞赛中为美国扳回一局。


  在登月成为一个明确的而且必须完成的计划之后,美国宇航局(NASA)的管理层便开始决策如何完成登月旅程。作为登月的重要环节,一个巨大无比的火箭是必须的。早在1952年,冯?布劳恩就曾经在一篇公开发表的文章中画过一幅有关大型火箭的插图,第一级大火箭有51台发动机,起飞推力达2800万磅。在拥有超级推力的F-1液体火箭发动机被发明出来后,建造一个巨大无比的火箭成为可能。


  在转向研发航天专用的重型运载火箭后,冯?布劳恩与他的团队最初研发了超级丘比特火箭,该火箭由多个发动机捆在一起,以获得巨大的推力,这一方案逐渐演变成“土星”火箭。在冯?布劳恩的绘图板上的土星系列火箭中,有一个体型巨大的C5火箭,大约有36层楼那么高,这种火箭最后改名为土星5号火箭。   冯?布劳恩最初打算制造一个完整的运载火箭系列,但最终只研制了三个型号的土星火箭。最早研制的是土星1号火箭,它验证了通过捆绑多个发动机以提高推力的设想。


  土星1B号火箭则是土星1号火箭的升级版,使用了由麦道公司制造的新型高效火箭级S-4B。S-4B也是土星5号火箭的第三级,为所有载人飞船提供最后的推力。在土星1B号火箭中,S-4B是载人级运载火箭的第二级,它将指令舱或登月舱送入地球轨道。


  冯?布劳恩曾经在图纸上设计了土星1号之后的三个火箭方案,但随着NASA早期计划的变更,这三个方案没有实现,而是直接研制了土星5号。


  土星5号火箭是一个高110米、直径10米、起飞重量达3000吨的庞然大物。分为三级,每一级的制造都通过严格投标,承包给不同的公司,产品的每一个部件都有NASA的工程师进行严密监督。第一级S-1C由波音公司制造,5个F1发动机捆在S-1C底部,托起土星5号3000吨的重量。尽管S-1C在土星5号的飞行中起主导作用,但它在起飞两分半多一点时间后便脱离。S-2级是土星5号的第二级,很像大号的S-4B,安装了5个不可重启的J-2发动机,可以产生相当于520吨的合成推力。土星5号火箭的第三级S-4B是土星5号火箭中最小的一级。由于它也是土星1B火箭的第二级,因此几乎不需要改进便完美地与土星5号火箭的其余部分一同工作。


  关于土星5号火箭还有一些东西是定量描述无法表达的。这枚苗条、光滑、洁白的火箭直指苍穹,空前绝后。它就像美国的登月计划一样,充满了人类的冒险精神。


  从地球抵达月球的路径也一直悬而未决。最初有两种登月方案被提出来。有人提出了直接上升式的方案,该方案不需要在地球轨道停留,由火箭直接将飞船送到月球。如果采用这种方案,阿波罗飞船将携带完成登月并返回地球的所有装备。同时,这个方案需要一种新型的新星火箭,如果将这枚火箭制造出来,体积将十分惊人。在研发过程中,有工程师抱怨说,这个大东西都快把航天中心所在的梅里特岛压沉了。


  冯?布劳恩不赞同直接抵达月球这样简单却十分冒险的方案,他认为地球轨道交汇的发射方案更容易实现。该方案需要在短期内发射多枚较小的土星火箭,将飞船送入地球轨道,然后这些组件在那里被组装起来,再飞往月球。


  另一个研究小组在研究前往月球的可能轨道时,发现了一种新的可行性方案,即与月球轨道交汇的发射方案。在月球轨道停泊可以节省很大重量,只需要一枚土星5号火箭便可以完成任务。最终,这种大胆高效的方案成为了阿波罗号的奔月途径。


  起航:下一站,月球第一枚土星火箭――土星1号在1961年10月27日发射升空,发射高度到达了136千米,是一次近乎完美的试射。1967年11月9日,第一枚土星5号火箭进行了首次飞行,在肯尼迪太空中心将阿波罗4号发射升空。


  一年后,载人的土星5号火箭也首次升空。那是1968年12月21日的阿波罗8号发射任务,弗兰克?博尔曼、比尔?安德斯、吉姆?洛弗尔三名宇航员乘坐土星5号火箭离开地球。阿波罗8号是第一次脱离地球轨道飞向月球的太空船,三名宇航员在长达三天的奔月飞行中,需要练习通过观察地球、月亮和星星来检测飞船的飞行轨迹。1968年12月24日,就在地球上的人们欢度圣诞前夜的时候,阿波罗8号进入了月球轨道,开始绕月10圈的旅程,宇航员观察了登月着陆的位置,并演练绕月导航技术。他们在月球轨道上传回了声音和影像,并且拍到了第一张地球升起的照片。


  1969年7月16日清晨,阿波罗11号即将从肯尼迪航天中心启程。39号发射台上,庞大的土星5号火箭身披白色优雅的外壳,耸立在发射台上面巨大的钢架之中,肩负着人类的登月使命。尼尔?阿姆斯特朗、埃德温?布兹?奥尔德林、米歇尔?柯林斯三位宇航员准备就绪,等待点火时刻的到来。倒计时后,土星5号底部的引擎喷射出巨大的火焰,火箭缓缓升空。据说当时有超过100万人聚集在发射场周围,在土星5号成功升空后,几乎所有人都松了一口气。


  1969年7月20日,阿姆斯特朗和埃德温爬进老鹰号登月艇,与指挥舱脱离,前往月球准备着陆。之后,休斯顿指挥中心收到了那条让人激动的讯息:“休斯顿中心,老鹰号已经着陆。”在阿姆斯特朗踏上月球表面之后,人类终于第一次到达地球之外的地方。


  尾声:寂寞的结局1972年12月7日发射的阿波罗17号成为美国登月计划的尾声。1973年5月14日,土星5号火箭成功将天空实验室发射升空。天空实验室重达77吨,有三批宇航员分别在上面工作了1个月、2个月和3个月。1975年,作为阿波罗-联盟测试计划(ASTP)的一部分,土星1B火箭将一艘美国的阿波罗飞船送入地球轨道,并且与一艘苏联的“联盟”飞船在太空交汇联接,成为两国的太空竞赛差强人意的尾声。


  尽管美国人的登月行动在今天颇有争议,但大多数人对于登月的历史意义仍旧持颂扬态度并满怀期望。美国科幻小说家雷?布拉德伯利说:“我愿预测距今一万年后,未来的人们回顾起来会说,1969年7月是人类历史上最伟大的月份和最伟大的日子。这绝不会改变,因为在那一天,人类挣脱了地球引力的束缚,数百万年来我们一直束缚在地球上,期待某一天能够登上月球。我们生活在洞穴时代的时候就梦想着这一天。最后,我们冲破束缚,获得自由,人类的精英在那晚飞进太空,并将永远不会停止继续往前飞翔。”


  至于土星5号火箭,美国人的确从它那里学到不少东西。美国一些研制公司将土星火箭的经验用到了其他系列火箭上,比如宇宙神、德尔它和大力神系列的改进型。然而,这些火箭用了30多年的时间,才能与土星1B火箭的推力相当,而土星1B火箭的功率,仅仅相当于土星5号火箭底部的一个F1发动机的推力。


  太空竞赛结束后,土星5号火箭的结局稍显落寞。剩下的土星5号火箭各级部件成为了各个博物馆中的展览品,也有的被放在各地的NASA中心的草坪上作为装饰。精心制造的F-1和J-2发动机,也裸露在佛罗里达州的室外接受风吹雨淋,同时接受众多好奇游客的触摸和摆弄。


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