太空僧，和尚洗头用飘柔 阅读原文 一场灾难级的飞行事故，意外造就了离地球最远的纪录，这一纪录已经保持了 51 年了。 1970 年 4 月 14 日，著名的阿波罗 13 号的三名宇航员，到达了距离地球 400,171 公里（248,655 英里，相当于北京到纽约的 40 倍远）的地方，那里位于月球背面的 254 公里处，这是人类旅行最远的记录，是人类这个物种离开家乡最远的地方。比阿波罗 11 号的柯林斯还要远。（阿波罗 11 号的柯林斯距月面高度只有 100 公里左右） 做为第三次载人登月任务，也是整个阿波罗太空计划的第七次太空任务，1970 年 4 月 11 日，吉姆·阿瑟·洛弗尔、杰克·斯威格特和弗雷德·海斯这三名宇航员，从佛罗里达的肯尼迪航天中心出发，开始了一场生死之旅，却意外的到达了离地球最远的地方。 如果你看过汤姆·汉克斯主演的《阿波罗 13 号》，那你不会对 13 号的意外太陌生。就在他们三人用了两天的时间快要抵达月球轨道时，服务舱的液氧罐体爆炸，航天器指令服务舱几近瘫痪，登月计划被迫取消（此处省略一万字关于危机的描写）。由于功率有限，飞船几乎没有足够安全的推进力直接调头返回地球。而飞船上的制导计算机也因为掉电而无法提供备用导航和瞄准功能。 好在三名宇航员训练有素，在休斯敦地面测控中心支持小组的帮助下，大胆选择用月球的引力弹弓返回的自由返回轨道路线。在动力、水和氧气都有限的情况下，宇航员操纵登月舱，像古代水手一样用原始的机载六分仪借助太阳确认他们的位置（因爆炸碎片反光导致无法用星空确认），绕过月球背后到达极远点后，借助月球巨大的引力，安全返回了地球。 有人会问，为什么同样是绕月飞行，阿波罗 13 号比其它几次任务都要远呢？这是因为月球与地球之前的距离是一直在变化中的（这也是为什么近地点的月亮看上去比远地点大 14%的原因）。而在阿波罗 13 号这次任务中，月球离地球是所有阿波罗登月任务中最远的一次。 另外，13 号独特的自由返回轨道使得它比其他阿波罗登月任务离月球还要远 100-150 公里。因此，它比阿波罗 11 号和其它载人飞船飞得更远，成为离地球最远的载人飞船。 2009 年，天体动力学家丹尼尔·阿达莫（Daniel Adamo）用计算机再一次重建轨道，将最远距离更正为 400,046 公里[1]。而阿波罗 10 号保持着距离 399,806 公里的第二远纪录。这项纪录保持至今，估计要等到下次美国或中国的载人登月计划实施后才有可能被打破。 阿波罗 13 号拍摄的月球表面 （注：关于人工导航的插曲其实挺曲折的，电影里由于专业术语太多就没怎么演，如果有人看的话我再更新吧） 一更 /2020-05-05 被催了。。我来更了。 关于阿波罗 13 号，看过电影的同学对整个液氧罐爆炸事故已经比较了解了，我来讲讲另一个关键的点，那就是：他们如何安全地导航回到地球。 二个方案 服务舱 2 号氧气罐的爆炸不仅让登月任务变为不可能，还直接危及了三名宇航员的生命。他们现在头脑中唯一想的事情就是，如何回去，回到地球上去。他们所正在飞往月球的半途中，越来越远离地球。不过，这是幸运的，因为他们现在蜷缩在作为救生艇的登月舱中，而登月舱中有为登月和离月准备的额外的燃料和氧气。如果爆炸是发生在登月完成的返航途中，那时登月舱已经被用完抛弃，等待他们的只有死路一条。 现在有两个方案摆在宇航员和控制中心的面前：方案一，直接掉头返航；方案二，按计划绕到月背后返航。 考虑到有限的水和氧气，方案一将是最快的，但通过计算发现，如果这时候要返航，必须有足够大的火箭推力来克服月球吸引力，登月舱的燃料并不足以支持掉头返航所需要的大量能量，难于胜任。不仅如此，直接中止还需要放弃登月舱，地面的工程师们担心指令舱的主发动机可能因爆炸而损坏，如果强行点火，可能会发生爆炸，后果不堪设想。几乎没有人愿意看到这样的结果。 飞行主任吉恩·克兰兹在任务控制中心紧紧地盯着监视器。by NASA 所以方案二成为了唯一选项。阿波罗 13 号飞船借助惯性和月球引力，绕过月球背面后利用登月舱原本用于登月的下降级发动机进行短暂的燃烧，再过两小时后进行更大的燃烧。这种被称为“PC+2”的变轨机动将会使返航缩短 10 小时，从而节省有限的电力、水和呼吸用的氧气储备。做为指令长的吉姆·洛弗尔这时还没意识到，这个返回轨道将使他们成为距离地球最远的生物，比任何其他载人航天任务都要远。这是洛弗尔第二次打破这一记录了，做为首次环绕月球的阿波罗 8 号指令舱驾驶员，1968 年他就第一次打破这一纪录。 定位 高中知识告诉我们，第二宇宙速度是人造天体无动力脱离地球引力束缚所需的最小速度。而此时阿波罗飞船远远并没有达到这么高的速度，它将像回旋镖一样飞出去再落回来。但与我们抛篮球不一样的是，月球引力的存在这个事情变得复杂起来，当时飞船已经离月球越来越近（受月球引力的影响已经逐渐要超过地球引力的影响）。而在爆炸发生的 30 小时 40 分钟前，阿波罗 13 号进行过一次常规的中途修正，它现在变更到了登月的航线上，这使得它已经脱离了上面讲到的自由返回地球的轨道，如果任其继续飞行，将无法返回地球。[2] 现在的最关键的任务，就是要再次回到一个自由返回航线上去。地面控制中心计算出要在当前航线某一精确的位置上先点火 35 秒修正飞船轨道加速接近月球，然后在绕到月球背后 2 小时后的某一精确的位置再一次点火约 5 分钟（5 秒 +21 秒 +4 分钟），理论上就能利用月球的引力像弹弓一样将宇航员们射回地球，确保在太平洋上溅落。 但这只是理论上。要知道，登月舱的导航系统并不是为这种情况而设计的。登月舱上的宇航员首先要知道自己的飞行方向，并确保在发动机燃烧期间保持正确的姿态，才能准确的完成点火任务。如果一旦点火姿态不正确，有限的燃料将无法将他们带回地球。 那怎么才能知道茫茫宇宙中自己的方位呢？通常情况下，指令舱导航平台的校准程序通过一个被称为“对准光学望远镜”的仪器，来寻找合适的恒星做为导航星，就像我们找北极星一样。该望远镜的外部光学位于登月舱顶部，就在会合雷达天线后面。 宇航员先选择一个特定恒星。然后操纵登月舱，使这颗选定的恒星落入望远镜的视野之中后，旋转目镜上的阿基米德螺旋线。首先让径向线与恒星重合，产生一个“轴”角，然后再旋转目镜，使螺旋线与产生“十字线”角的恒星重合，在制导计算机上输入所选恒星相关的代码和角度值，计算机就能得出精确的恒星矢量。这至少需要观测两个不同的恒星，制导计算机才能计算出相对于预先定义的参考坐标系的方向。这个对比齐方式设计的非常聪明，只用了一根画在目镜上的阿基米德螺旋线（阿基米德螺旋线的优点就在于恒星与视野中心的距离和其角度成正比[3]），就取代传统六分仪中使用的重型马达、蜗杆齿轮和刚性轨道——这大大减轻了月球舱的重量，并允许它携带更多燃料[4]。这里写不下了，以后有空专门写一篇吧。 有兴趣的同学可以看下面这个视频： 【 Engineerguy】阿波罗号：准直光学望远镜（中文字幕）_哔哩哔哩 (゜-゜)つロ 干杯~-bilibili 然而，由于之前的爆炸，服务舱大量的碎片像蜂群一样散落在船体周围，反光的碎片严重干扰了望远镜的工作，从目镜中根本无法分辨和对准人马座的第二亮星斗宿四和天蝎座主星心宿二。要知道制导计算机正在消耗大量的电能，如果一直对不准，那就意味着。。。 登月舱的窗户内外都画有线条，由水平线和从水平向下校准的垂直线组成。如果宇航员把头放在正确的位置，两条线就会排成一行。在此位置，它们与着陆点指示器（LPD）的操作相关联。这本来是用于着陆接近阶段的，它允许计算机指示它在地面上对应的落点。如果指挥官不喜欢这个地方，他就有能力通过移动他的控制器重新指定落地点。现在，宇航员可以灵活运用这个设计、配合手表计时来验证大致的飞行姿态（包括偏航对准和滚动），。。但却无法精确的导航。 这可怎么办。。地面控制中心又想到了一个办法。既然星星因为不够亮不够明显所以分辨不能，那不能直接对准最亮的那个天体 -- 太阳么！虽然望远镜要求不能看太阳，但也可以借助减光滤镜来降低太阳在目镜中的亮度，这本是为了防止宇航员因意外直接观察太阳损伤眼睛而设计的。 另一个需要解决的问题是望远镜旁边的会合雷达天线。现在天线正处于锁定状态，正好挡在望远镜与太阳之间，这将阻碍望远镜瞄准太阳。宇航员必须尽快使用计算机将天线转动到另一个位置。不过好在宇航员很快就找到了移动命令，并以最快的速度输入到了计算机中。会合雷达的天线缓缓移出了望远镜的视野。 现在是升空后的 70 小时 53 分。飞船已经按要求开始预热 RCS 的四个喷射器，以便在点火过程中可以安全地用于姿态控制。洛弗尔把飞船旋转到休斯顿地面控制中心要求的姿态，大家的心又揪了起来。按照地面工程师的计算，如果在导航计算机认为应该能够看到太阳的那一刻看不到太阳，那就说明路线偏离过于严重，只能利用 P52 惯性平台做大幅调整，但会浪费很多燃料和时间，而时间拖得越久，生存希望将越渺茫。[5] 洛弗尔深吸一口气屏住，盯着望远镜，慢慢等待着，等着飞船旋转到合适的角度，好能看到太阳。他不断微调旋转刻在目镜上的阿基米德螺旋线，等待着太阳进入视野的那一瞬间。 突然，安静的通讯线路传来了洛弗尔的大叫：“我们成功了！如果我喊的声音有点大，你们也是可以理解的！” 事实证明，姿态调整后的飞船与太阳的准线相差不到半度。这意味着当前飞船的导航惯性平台的数据准确无误，可以放心的执行关键的点火了，这也将使得航行总时间缩短到 142 小时左右。 洛弗尔 飞行指挥杰拉德·格里芬（Gerald Griffin）在几年后又去查阅了一下自己当时写的飞行日志。他发现那一刻如此的紧张以至于写下的字几乎难以辨认，要知道，他是 NASA 出了名的稳将，按中国人的说法，那就是泰山崩于前而色不变，麋鹿兴于左而目不瞬。他当时写道：“天哪，这是最后一道障碍，如果我们能做到，我知道我们能做到。有趣的是，只有当事的人才知道正确对齐平台有多重要。”然而，格里芬在换班简报中几乎没有提到对齐的问题，他只轻描淡写的在简报中记下一行：“检查结果非常好”。[6] 宇航员在吃食物，每人只有一小块 解决了导航问题，还有一个严峻的挑战。除了缺少食物和水（每人每天只有 170 毫升）之外，能源的短缺导致舱里异常寒冷。当电量减少了 80%、电气系统被迫关闭时，航天器失去了重要的能量来源，温度下降到只有 3 摄氏度，宇航员几乎冻得无法入睡。墙壁、天花板、地板、线束和面板都结满了冷凝水珠，舷窗上也冻出了白色的冰花。他们有电加热器可以用来清理这些冰花，但他们显然不敢再浪费任何电池电量。每个加热器消耗的功率与制导计算机是一样的！ 就在如此极端的环境下，三位宇航员坚持完成了长达 39 页的程序清单的所有 400 个步骤。此时地面控制中心的空气中，弥漫着混合了咖啡因和烟草的臭味。很多人已经 80 多个小时没睡觉了。 最终，在众人的努力下，阿波罗 13 号奇迹般的像一列每小时行驶 4 万公里的火车一样返回大气层，像一个火流星般坠向太平洋。由于无线电缄默，全国和全球数百万听众，所能做的就只有等待。 1970 年 4 月，载人航天器中心副主任卡夫（站立，黑色西装）和飞行控制人员聚集在坐着的飞行主任格林·伦尼周围，他们查看南太平洋的天气图，并确定阿波罗 13 号航天器的着陆点。by NASA 降落倒计时器已经过了 00:00:00。 地面人员试图联系宇航员：“奥德赛，休斯顿。待命。” 半分钟过去了，没有回答。 一分钟过去了，没有回答。 飞行主任克兰兹越来越焦虑，猛击了一下控制台，向身边工作人员问计时钟是否准确...... 一分半钟，在多次尝试联系后，克兰兹终于听到了斯威格特的回答：“好吧，乔”。 三只降落伞绽放在视线中。人们的欢呼声四起，不论是任务控制中心、观景室、全国各地的许多承包商办公室、还是从纽约中央车站到世界各地无数地方的公共场所，收听收看节目直播的人们此时此刻都在兴奋的鼓掌、欢呼。 阿波罗 13 号在发射后的 5 天 22 小时 54 分 41 秒，成功溅落太平洋。[7]紧急情况已经结束，人类的聪明才智和永不认输的精神再次在太空中获胜。 离地球最远的三个地球人在医务室接到尼克松总统的祝贺电话。尼克松安慰机组人员，宣布这次任务成功，尽管失败了。 这时，克兰兹突然软软的瘫倒在座椅上，几天的压力、焦虑和担忧突然得以释放出来，铁打的飞行主任，哭了出来：“我们的宇航员回家了。我们——宇航员、承包商、飞行器——做了不可能的事情。” 阅读原文
