五十年後再看美國人的土星五號如何化解驚魂時刻

知識 07-12

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作者：錢航

中國科學院國家空間科學中心博士現運載火箭技術研究院總體設計部型號設計師

土星五號是在五十年前的1967年11月9日發射的。在阿波羅一號飛船發射後十個月，土星五號的成功首飛至關重要，因為美國宇航局（NASA）力圖達到肯尼迪總統這個十年末登陸月球目標。下面讓我們回顧土星五號首飛前後那些令人難忘的日子和時刻。

發射前麻煩不斷

土星五號部段最早是在1966年8月開始到達發射場——美國肯尼迪航天中心，即它的第三級火箭S-IVB，通過一個稱為「超級孔雀魚」的特殊飛機空運過來。土星五號是三級火箭，由S-IC第一級、S-II第二級、S-IVB第三級、儀器艙和有效載荷組成。S-IVB是唯一能通過空運的部段。事實上，其他兩級火箭太大了，甚至不能用卡車或火車運輸。最後這兩個大傢伙像是「闖入」發射場了：S-IC從路易斯安那州專門為阿波羅建造的大型工廠，S-II從加利福尼亞州的北美工廠。

土星五號在工廠車間

NASA對首次全面測試的官方稱號是AS-501：「5」代表運載火箭，「01」代表第一次飛行。在NASA內，這次飛行被簡稱為「501」。對公眾來說，即將到來的飛行被稱為「阿波羅4號」。阿波羅4號任務是土星5號的首次發射，是首次使用專門為這種世界上最大的運載火箭建造的39號發射工位，是S-IC第一級火箭和S-II第二級火箭的首次發射，是S-IVB第三級火箭首次在地球軌道上進行二次點火，也是阿波羅飛船首次以接近月球返回軌道速度的速度返回地球大氣層。正是因為這麼多個第一次，阿波羅4號任務在飛船和火箭上共上搭載了4098件測量儀器。

土星五號第一級S-IC首先被帶到了肯尼迪航天中心的飛行器裝配大樓，在那裡接受檢查和測試。第二級S-II也是同樣的過程。1967年2月23日，S-IC和S-II組裝在一起了。第三級S-IVB重複了這個過程。接下來是對運載火箭的電氣網路、火災探測、遙測、跟蹤、陀螺儀、箭載計算機、泵、發動機、換能器、閥門、電纜、插頭和液壓管線的測試，總共有456個這樣的測試，花了幾個星期的時間，這幾個星期的時間長短取決於測試進展順利與否。

在8月26日，土星五號被轉運到了編號為39A的發射工位。現場指揮宣布501飛行的倒計時測試（CDDT）將於9月20日開始。一周後，他重新安排了25號飛行的開始。它實際上是從27號開始的。對於後來的飛行，土星五號的CDDT歷時四天：六十小時的實際測試和三十六小時的計劃。預計首輪測試會有些延期，計劃這第一輪CDDT需要六天。土星五號一共進行了十七輪CDDT。

土星五號一子級

就像在早期研製紅石運載火箭那樣，沒有任何事情按照它應有的方式工作。用於調整推進劑和氣體進入土星儲箱的裝置不斷給他們帶來麻煩，因為監管者是為那些沉重的流量而設計的，他們不知道如何處理小流量。必須修改管道以欺騙監管機構正確行事。現在計算機負責監視推進劑裝載量，軟體中充滿了錯誤。儀器艙——土星五號的大腦，並沒有像計劃那樣讓人省心。S-II上的電纜連接由於濕氣而短路。這不是任何一件事情，而是幾乎所有他們試圖做的一切無休止的拖延。「如果我問一個工程師需要多長時間，他會告訴我十分鐘，一個小時就可能出現，」指導這一切的現場指揮回憶道。「關於土星五號的一切都比較大。到任何地方都更大。如果你不得不拿起一個閥門，你不能手動拿起，你必須得到一個叉車！一切都是一個或兩個更大的尺寸。」

1967年11月8日晚上10點45分，第一發土星五號站在第39A發射工位上，等待第二天早上七點的發射時間。每天晚上，塔架和火箭都沐浴在燈光下，由探照燈照亮，燈光在火箭頂交叉。對當時「紐約時報」的記者來說，土星看起來像一塊水晶方尖碑。

沐浴燈光下的土星五號

發射時驚心動魄

經過CDDT的測試，真正點火倒計時被證明是非常順利的。事實上，當接近射前3分7秒時，一切按時進行了。在射前3分7秒時，發射過程的控制權交給了計算機。又過了將近三分鐘，如果不得已，將能夠手動停止發射，但是現在土星五號正忙著準備自己飛行，通過臍帶管接收仍然與地面連接的氦氣，將推進劑送入泵所需的推進劑罐。在射前30秒時，驅動S-IC五台發動機F-1的5.5萬馬力的渦輪機通電。在8.9秒的時間內，一個電信號被送到點火器，而在每個F-1的燃燒室內點燃四個小的無聲火焰。如果出現問題，感測器會在消息傳到「燃燒室」之前就知道了，而土星五號會關閉引擎，而不用等待緩慢的人命令它們。所有的眼睛都在發射工位上了。燃料開始結合燃燒的過程花了三秒鐘。廢氣的燃燒產生了濃厚的橙色煙霧。

土星五號在垂直轉運

在射前8.9秒的時間裡，看台上的人們可以看到一個橙色的煙霧噴出來，在發射器下面的火焰偏轉器上彈起，然後在兩側爆裂。幾秒鐘之後，發動機正下方的火焰變成白熾的白色，橙色的煙霧向外和向上滾動，開始包圍火箭。501仍然沒有移動。

造成橙色雲的噪音在觀眾與發射場隔開的四英里處是聽不見的。對於坐在觀眾席上的人來說，39A工位的煙火表演的第一秒仍然是沉默的。S-IC五台發動機的主要燃料閥門稍微交錯間隔地開啟，因此發射台都不得不承受所有五台發動機在同一瞬間達到全功率的壓力。

土星五號還沒有完全擺脫地球。當產生750萬磅推力的火箭突然完全放開時，釋放本身產生了突然的衝擊載荷。設計師沒有使用防震裝置來維持這個簡短的一次性顛簸，而是將設計師用軟鋼螺栓將土星五號鎖定在壓緊臂上。每個螺栓的直徑為1英寸，並伸入與土星五號相連的鐘形插座中。隨著火箭開始升起，軟鋼從插座中擠出，使土星五號有一個揮之不去的緩解。

在上升的第一個毫秒，土星五號保留了它的臍帶盤子。在發動機關閉的情況下，保持燃料管路和電氣連接，允許發射控制組重新獲得對土星五號的控制的這些板塊保持連接狀態，直到7年前從紅石一號運載火箭吸取的教訓。然而，在那個起飛的瞬間，臍帶可能會出來，因為土星五號不可能升高一兩英寸，然後像紅石那樣安然無恙地回到發射台上。一旦土星五號已經移動了一些，發動機就不得不繼續下去，否則土星就會倒退，崩潰和爆炸。當火箭離開發射台時，它將兩個升空開關絆倒。

現在擺動著臍帶並且環抱土星五號的搖臂必須避開。對於土星五號，在臍帶塔上有九個臂，每個重量在十到三十噸之間，設計成可以擺動。首先每個臂的最外面的部分縮回，然後臂自己開始擺動，加速迅速安全地離開火箭。當土星五號緩緩升到旁邊的空中時，手臂突然剎車，避免砸到臍帶塔。

現在，當土星抬起，所有五個飛行中的搖臂從火箭側面平穩地移開時，現場工程師屏住呼吸的鼻子又開始呼吸了。

當土星五號從發射台上移開時，轟鳴音終於到達了沼澤地，撞上了觀景台。它首先穿過地面，搖晃著觀景台的顫動震動了波紋鐵屋頂。然後發出聲音，120分貝，斷斷續續。那些在那裡的人會不會把它想像成一種聲音，而是一種肉體力量。在哥倫比亞廣播公司的廣播台上，平板玻璃窗開始劇烈震動，播音員不得不用手抓住它，試圖繼續他的評論。

起飛一秒後，發射平台上方只有幾英尺，501開始迴旋，偏離臍帶塔。對於許多不知道這種情況的觀眾來說，土星五號看起來像幾年前的那些火箭一樣不穩定。起初，它似乎更像是攀爬而不是升空——火箭如此沉重地升起，十多秒鐘才能達到臍帶塔頂。然後，當土星離地面越來越遠的時候，尾部發動機F-l的規模變得更加明顯了：火箭爬了起來，但是火焰的痕迹卻一路洶湧而起，一直飄到發射架的底部。

貴賓觀看區，火箭總設計師馮·布勞恩喊道：「走吧，寶貝，走吧！」。按照計劃，在發射後135秒的飛行中，S-IC的中央引擎關閉。十五秒後，舷外發動機也一樣。然後，儀器艙發出一個信號，將S-II底座周圍的爆炸性底漆電纜炸開，切斷了S-IC。作為其半分鐘壽命的最後一次行動，S-IC發射了8枚小型固體燃料反推火箭，降低了S-IC的速度，使得S-II在發動機點燃時能夠安全分離。龐大的S-IC很快就失去了剩餘的上升勢頭，仍然承載著精心製作的泵和管道和發動機，墜入大西洋。

S-II上的八個小型「空載」發動機發射了四秒鐘，使S-II突然加速並將推進劑裝在儲箱中。然後，第二階段的五台發動機J-2開始工作，總共發展了一百萬磅的推力。當S-II加速時，第二段引爆炸藥爆炸，將「級間」（即火箭的覆蓋了J-2發動機並與第一級頂部相連的16英尺部分隔開）分開。

第一個土星五號繼續完美表演。五台J-2發動機發射了六分鐘，也在按計劃的時刻準確關閉和分離。S-IVB上的單發J-2發動機開火，發射了2分25秒，使自己和有效載荷進入118英里高的完美軌道，速度為17,400英里/小時。

起飛十一分半鐘後，發射場的工程師們的工作結束了。位於休斯頓負責飛行控制的工程師將在幾個小時後會重新啟動S-IVB，以25,000英里/小時的速度將飛船重新帶回地球大氣層。但是，在肯尼迪角的工程師們再次為每一個新的成功報告而歡呼，現在有點昏昏沉沉。

報紙稱阿波羅4號的AS-501第二天成為頭條新聞。火箭工程師說：它真的很漂亮！太棒了，令人難以置信的。就是這樣，還有更多。AS-501已經開啟了登月之路。」