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航天史:38.月球15号

 科学声音 2021-04-08

上次说到了阿波罗10号获得了成功,基本上是把登月的全过程彩排了一遍,除了直接降落到月球表面上。大概两个月之后,美国人就要实现第一次载人登月了。苏联的N1火箭炸了,肯定是没办法跟美国人相提并论。苏联人还在着急忙慌的准备新火箭。苏联人在1969年已经连续发射了好几颗无人月球探测器,可惜,都以失败告终,其实呢,从1968年起,他们的就霉运连连。
月球14号探测器
1968年他们发射了6次月球探测器,成功的只有月球14号和探测器5号。探测器5号我们讲过,苏联人弄了两只龟上去,绕着月球转了个大圈就回来了。月球14号是个月球卫星,主要任务是研究月球的引力场,还有带电粒子以及太阳辐射等等科学研究工作。你别说,这个月球14号的工作完成的相当好。苏联人也要为将来的落月计划做好充足的准备,月球引力场的研究是非常重要的。因为这涉及到轨道如何设计。探测器要想降落在月球表面,稍微偏差一点,可能就撞上了。月球不是一个均匀的球体。月球有个高密度的核心。但是这个核心是偏心的,并不在几何中心。而且月球上也有一些地方重力异常,重力加速度稍稍大了一点。月球表面下面如果有一大坨高密度东西,这个地方引力就会强一点。

金星5号和6号

1969年相比于1968年,更加不顺利。苏联人发去金星的两颗探测器倒是成功了。它们俩成功的释放了着陆探测器,这两个探测器在温度压力极高的金星大气环境之下居然硬挺了50分钟。已经算是很了不起的成就了。相反,苏联发到火星的探测器反而一个比一个倒霉,着陆火星的探测器发送信号仅仅十几秒就坏了。大江大浪都过来了,怎么就在小河沟里翻了船呢?苏联人自己也纳闷儿。美国人探测火星的手气出奇的顺利。所以到现在为止,我们有关金星的知识都是苏联探测器带回来的。有关火星的知识主要是靠美国人的探测器,这两个超级大国倒是各有山头。
发射金星5号和6号探测器是1969年1月份的事儿,然后,苏联人的好运气就到头了。后面就是一连串的失败。1月份和2月份,他们发了两颗月球探测器,结果全都失败了。几天以后,2月21号。就是著名的N1火箭第1次发射实验,当然也失败了。那一次火箭在高空出事儿,掉在几十公里外,发射场还算没事,以后可就没那么幸运了。

水手6号和7号是同一种平台

美国人的阿波罗9号成功了,10号也成功了。而且在此期间还发射了探测火星的水手6号和7号。这两颗火星探测器也成功了。苏联人当然”压力山大“,他们也知道,N1火箭肯定是不可能赶在阿波罗11号之前载人登月了。现在炸不炸还难说呢,别提载人登月了。所以,苏联人开始想后手,想补救方案。一个可行的方案就是把无人探月项目的进度提前。最好是能抢在美国人登月之前,先把无人探测器送到月球表面,然后抓取样品,飞回地球。这样起码能保住面子,这个无人探测计划的要求不高,质子号火箭足够满足要求了。为此苏联的拉沃切金设计局设计了月球15号探测器。这个探测器的目标就是飞到月球表面,抓一把土,然后咱见好就收。

月球15号的设想在后续探测器上实现了,只是全身无数个球的造型实在不敢恭维

尽管如此,无人操控下登月的难度其实也不小,只是心理压力没有那么重。美国人是计划由宇航员去月球表面采集样本。宇航员是“全自动”的,高度“智能化”,你压根不用担心他不会捡石头和抓沙子。苏联人只能靠地面遥控探测器自己去做,这方面需要做很多的考虑。除了不载人,省去了大量的生命维持设备以外,月球15号探测器的工作流程其实和阿波罗登月舱是差不多的,也是分为上升段和下降段。
下降段也需要一个深度可变推力的发动机,也需要靠这个发动机来实现减速,来实现在月球表面的软着陆。苏联人发动机方面技术功底深厚,自然是问题不大。上升段不需要载人,也就不像登月舱那么大。但是这个上升段外形实在是太猥琐了一点,一个圆柱体,旁边挂着两个圆球,怎么看着怎么别扭。其实这个月球15探测器到处都是球形结构。因为这样的结果装燃料更方便,更划算,但是显然不好看。

月球16与月球15是同一个型号的探测器

这个探测器带了一个打洞的钻杆,能够扎进月球表面35厘米。可以在月球表面取样,然后存放到上升段,由上升段独自返回地球,这就和阿波罗登月舱不一样了。上升段最后进入环绕地球的轨道,把返回舱扔回来。这个方案看上去还不错,这的确只是一个小目标。但是折腾起来可就一波三折了。
反正,苏联人的火星探测器和月球探测器全都失败了。苏联倒是一贯保密,这些事儿,未必希望让公众了解。不过,苏联倒是公开了月球15号的任务,几乎和阿波罗11号简直是同一时间执行登月任务。苏联盘算着要抢在美国人的阿波罗11号之前。美国人也吓了一跳,倒不是他们觉得苏联人厉害,而是两国的登月探测器轨道相似,万一撞上怎么办?
好在白宫和克里姆林宫之间刚装好了热线电话。就先打个电话问问再说。这倒是这条热线第一次发挥重大作用。两国的技术人员倒是协调好了技术细节,相信谁不会撞上的。当然,苏联人也没有什么都告诉美国人,起码N1火箭的第2次发射就没有说。大家都挤在7月份发火箭,时间上其实差不了几天。
7月3号,拜科努尔的火箭发射架上矗立着巨大的N1火箭。这是N1火箭的第二次发射,这次带了一个模拟登月飞船,最顶上也安装了逃逸塔。莫斯科时间半夜23:18分火箭点火,屁股后边是30台发动机,爆发出的巨大推力推着2735吨重的巨型火箭缓缓上升。刚飞到100米高的空中,肉眼可见,屁股后边的30台发动机一对一对的开始熄火。除了18号发动机以外,其他的发动机全都熄火了。火箭逐渐失去上升的动力,然就短暂的停在100米的高度上,然后开始下坠。因为还有一台发动机没停车,所以火箭是歪着,以45度角落地的。

顶部的逃逸塔启动了,把飞船带离了火箭

大家想一下,N1火箭自身的高度达到了105米,也就第二枚N1火箭飞离地面都没超过自己的长度,就掉回了发射架。这一下,把发射台炸的荡然无存。2300吨的推进剂,炸起来还真是够瞧的。现场所有建筑物的窗户玻璃全都被震碎了,碎片被爆炸扔到了10公里之外的地方。好在并不是所有的燃料都参与了爆炸。爆炸过程之中,85%的燃料还没来得及参与爆炸过程就被炸飞了。这也让大家分外担心,万一形成富含燃料蒸汽的云团笼罩在发射台周围,很有可能形成二次爆炸。燃料空气炸弹就是采用这种办法,先用小爆炸把燃料扩散到很大的一片地方,和空气充份混合,然后再形成二次爆炸。这东西覆盖面积非常大,而且会耗尽有限区域内的氧气。连烧带憋,杀伤威力极大,所以也叫云爆弹。如果是N1火箭成了世界上最大的云爆弹,那覆盖范围就会更大。好在呢,这事儿没有发生,还算是万幸吧。
长期以来,N1火箭的这次爆炸被视为最大规模的非核爆炸。但是,就在前几天这个记录被打破了。贝鲁特的化学品仓库一次炸掉2700吨硝酸铵。而且这个爆炸还是旁边的烟花爆竹厂爆炸引起的,两边加在一起,远远超过了N1火箭的爆炸威力。大家可能通过媒体了解到了爆炸以后的惨状,周围几公里内,一切建筑都被摧毁了,除了一个粮库。

发射台被完全炸毁

相对来讲,N1火箭爆炸以后的惨状好点儿有限。但是,毕竟周围没有杂七杂八的建筑物,不出所料整个发射台被炸成了大坑,需要完全重修。而且这个惨状偏偏被美国卫星拍照拍了去,想藏也藏不住了。火箭的逃生系统倒是忠于职守,在出故障的时候,逃逸塔启动,带着联盟飞船飞到了2公里之外安全降落。尽管爆炸非常惨烈。但是苏联人还是在现场找到了大部分记录数据的磁带。这对他们分析故障原因是非常有用的。
据分析,可能是8号发动机的氧气泵出了问题。因为现场找到的残骸之中,这个涡轮泵有被烧化的痕迹。估计是8号发动机的爆炸,造成了其他发动机推进剂管道被切断。所以其他发动机就熄火了,那些燃料也到处漏,最后烧的一塌糊涂。8号发动机为什么爆炸呢?据分析,可能是有异物掉进了氧气泵,于是氧气泵出了故障,导致发动机的爆炸。苏联登月计划的第2次试验又失败了,航天团队上上下下的情绪状态可想而知。10天以后,还是在拜科努尔,质子-K火箭被送上了发射台,顶上搭载着月球15号探测器。
苏联人实在是不能等了,再过3天,美国人的阿波罗11号就要发射。可以预见,全世界的目光都会被吸引过去。谁还关注苏联的月球15号呢?不行啊,一定抢在美国人之前去月球。如果完成了无人探测器返回地球,也算是挣回一点面子嘛。
质子号火箭是在凌晨发射的。临发射之前,因为超重,工程师不得不拆掉了两个无线电发射机,本来有3台,现在就剩下一台了,那就一旦出问题就没得补救,这也是没办法的事儿。火箭先把探测器送进了环绕地球的轨道。然后绕过地球以后,开发动机再次加速。把月球15号送进了去往月球的轨道。

尼尔·阿姆斯特朗,迈克尔·柯林斯,巴兹·奥尔德林

途中,苏联的地面控制人员开始第一次修正轨道。就在此时此刻,在美国佛罗里达州的卡娜维拉尔角,尼尔·阿姆斯特朗、巴兹·奥尔德林和柯林斯坐进了阿波罗11号的座舱。

阿波罗11号发射升空

9:32分,火箭点火起飞。在万众瞩目之下,这三名宇航员乘坐土星5号火箭升上了太空,开始了创造历史的传奇旅程。现场简直是人山人海,好在卡纳维拉尔角比较开阔,周围聚集了100万的观众。副总统阿格纽和前总统林登·约翰逊两口子都到现场观看。在家看电视直播的能有5亿多人,又一次创下了历史记录。
美国总统尼克松在椭圆形办公室里也收看了直播。前人栽树,后人乘凉,美国的航天事业是从艾森豪威尔时代开始快马加鞭。肯尼迪总统大力推动,林登·约翰逊做了很多努力和工作。到尼克松时期,终于登上了巅峰,尼克松是摘桃子的,NASA也迎来了自己的高光时刻。
12分钟之后,土星5号火箭前两级烧光了,第三级带着飞船和登月舱进入环绕地球的轨道。环绕地球一圈半以后,发动机点火,飞船踏上了去往月球的旅途。

苏联的地面人员还在为月球15号探测器操心呢。他们知道阿波罗11号已经发射了,美苏双方的太空争霸进入了白热化的境地。苏联显然是弱势的一方,地面监控人员发现了,探测器的火箭燃料温度异常,有些偏高,地面上的人只能是调整探测器的姿态,尽量避免晒太阳,这样温度就能低一点,要不然还怎么办呢?两天以后,探测器在绕道月球背后,开始制动点火。7月11号,月球15号进入了环绕月球运行的轨道,到目前为止苏联人还算是比较顺利。
探测器可不能直接照着月球就降下去,必须降低轨道高度,一点一点来。原计划18~19号,花两天时间调整两次轨道,把探测器调整到降落状态。但是苏联人显然低估了月球的复杂性。月球不是个均匀的球体,引力也是不均匀的,苏联原定着陆的地点危海地区本身就是个异常区。

危海这个地方离开美国人预定的静海不太远,大概有几百公里距离,对航天器来讲这不算远。这里也是一片撞击平原。周围是高耸的环形山,中间有一大片比较平坦的地方。说白了就是当初火山熔岩在这里到处流淌,变成了一个巨大的熔岩湖,然后呢。逐渐冷下来了,表面当然也就很平坦。

危海地形

不过呢,1968年,美国的5个探测器在这里测量到了一个高重力地区。以前,苏联的月球9号和13号曾经实现过软着陆,不过那是在风暴洋,那个地区恰好没有引力异常现象。有些地方,你看着没有高山,也没有峡谷,地面也很平坦,感觉很均匀。但就是引力略微增大,那就是说明地下有问题,有高密度的物质,这种地下的高密度物质就是所谓的“质量瘤”。

圣杯号探测器发回的月球重力异常地图(危海部分)

苏联人这会儿才发现,探测器要变轨,修正轨道比预计的要复杂。过去只要远远的环绕,这倒也没有太大的问题,现在要着陆月球了,麻烦就来了。地面和探测器之间的数据通信变得非常的频繁。看到这一大堆的数据,苏联的地面控制人员顿时感到一个头两个大。

月球质量瘤分布

一直到20号,他们才基本调整好轨道,进入了远地点110公里近地点16公里的椭圆轨道。确定着陆点的地形还需要花掉十几个小时的时间,这毕竟是无人飞船,比不得有人驾驶的阿波罗11号登月舱。降落还需要花时间,这是肯定来不及的。原本,苏联人计划是阿姆斯特朗和奥尔德林登月前后,月球15号也能在危海完成软着陆,现在看来是完全做不到了。因为阿姆斯特朗和奥尔德林已经坐进了登月舱两个钟头了……

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