比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实（上）

作者说

天空实验室在人类航天史上昙花一现，论运行时间和到访的宇航员数量都不能和苏联的宁静号太空站相媲美，更不要提当今的国际空间站。但天空实验室作为美国首个空间站，其好莱坞灾难大片式的登台亮相引发了一场精彩绝伦的太空抢修，航天专家、工程师、宇航员凭着他们的智慧才智和顽强毅力挽救了这项耗资25亿美元的计划。

本文作者：超超级Loveovergold，作者授权揭晓

在眼巴巴的看着美国登月乐成之后，1971年4月19日苏联发射了世界上第一个空间站“礼炮1号”。冷战对手的举世瞩目又一次让NASA急起直追，计划发射一个更大，更好的太空站逾越苏联。

一、“争气”空间站

其实美国在太空计划生长初期就开始研究空间站的观点，包罗冯·布劳恩构想的庞大的、甜甜圈式的空间站等，土星火箭在1960年月中期成熟时，务实的天空实验室（Skylab）项目应运而生，通过利已有阿波罗登月项目的装备来实现宇航员在地球轨道上的长时间停留，证明人类可以在太空中恒久生活和事情，并使我们对太阳的相识远超出基于地球的观察规模。由于阿波罗18到20任务的取消，NASA多出三枚土星5号火箭，于是天空实验室拿到了准生证。天空实验室由四部门组成：

图1. 很是精致的天空实验室结构示意图，不忍粗暴汉化

有关天空实验室的纪录短片，你可以先看一遍，有个认识，也可以读完这期推送再回来看，肯定认识更深

（一）轨道事情站（Orbital Workshop ，OWS)：事情站是由土星5号运载火箭的第三级改装而来，直径为6.7 米，长度为14.6米，是宇航员主要的事情和生活舱室，包罗厨房、沐浴设施、茅厕、运动器材和许多科学实验设备。两个9米宽的大型太阳能帆板为该站提供了12.4千瓦的电力，发射的时候太阳能帆板像鸟的翅膀一样收拢，到太空之后像手风琴一样展开。需要打一个伏笔的是，轨道事情站的桶体周边有一圈微陨石防护罩（MICRO METEOROID SHIELD），一是防止陨石及空间碎片造成的损害，另外也是一层隔热外衣，发射到太空之后，16个扭力杆顶开这圈防护罩从而略微展开，让防护罩的内部和事情站壁之间形成一个真空夹层，双方笼罩的金箔反射层形成和热水瓶类似的绝热层隔热，保持室温为15.6～20℃，给宇航员提供舒适的情况。

（二）气闸舱（Airlock Module，AM)：宇航员穿上宇航服通过气闸舱隔离过渡，出舱实施太空行走。

（三）多重对接适配舱（Multiple Docking Adapter，MDA)：包罗阿波罗飞船的主用和备用对接端口。

（四）阿波罗望远镜（Apollo Telescope Mount，ATM)：阿波罗望远镜包罗用于观察太阳的望远镜，可以拍摄太阳的紫外光线和X射线等，望远镜设置了用于获取分外电能的四个可展开太阳能帆板阵列。

阿波罗登月计划的遗产——阿波罗飞船（上图左下角），包罗指令舱/服务舱卖力运送宇航员往返于空间站和地面。

天空实验室是其时太空中史无前例的研究实验室，她包罗各学科研究的科学设备，举行生物医学和生命科学、地球观察、太阳天文学和质料加工等，计划了270个实验，可以说美国是憋了口吻搞空间站。

另外天空实验室也是第一个使用控制力矩陀螺（CMG）的大型航天器（常玩坎巴拉的读者应该不生疏这工具，主页君注），高速旋转的陀螺由于转子的角动量，有抗拒偏向改变的趋向，脾气“倔强”，控制力矩陀螺通过调整高速旋转转子的旋转轴的偏向，对外输出控制力矩，调整航天器的姿态，可以提供“洪荒之力”，配合传统姿态控制发念头能保持空间站的三轴稳定，确保观察设备的准确指向性。每个控制力矩陀螺直径为21英寸，转子重70.3千克，每分钟旋转约8950转，这些鼻祖级的设计和创新也为后续空间站设计打下了基础。

图2. 三个偏向各配一个控制力矩陀螺

二、土星5号完美谢幕之后坏消息接踵而至

由于有力大无穷的土星5号火箭，77吨重的天空实验室只需要一次发射，无需多次发射后实施庞大的太空组装。1973年5月14日升空十分钟后，天空实验室进入了预定的436公里低地球轨道，这也是太空征程中土星五号最后一次航行任务，完美谢幕。卖力运送Skylab2机组宇航员的土星IB火箭则计划在越日发射升空。

图3. 难过一见的两枚土星火箭待命发射

接下来的半小时内一系列指令将使天空实验室迅速进入事情状态！首先舱内冰箱在打开散热器后开始事情，冷藏许多宇航员的食品补给；接下来4片载荷导流罩顺利脱离，天空实验室主管不禁追念起双子座9A号“恼怒的鳄鱼”的故障，松了一口吻（这个另外开篇再讲）；然后阿波罗望远镜支架顺利翻转90度露出对接口，此举为阿波罗飞船后续的对接扫清了门路。数分钟之内，望远镜上的四个太阳能帆板像荷兰风车一样打开，同时天空实验室姿态调整，望远镜指向了太阳。

图4. 阿波罗望远镜的翻转设计挖掘了整流罩最大的空间使用效能

到现在为止，只有一个奇怪的迹象，来自休斯敦的陈诉称微陨石防护罩过早展开，大家普遍是遥测信号堕落。在望远镜支架顺利翻转后，大家开始悠闲的等候天空实验室的太阳能电池板在发射之后41分钟展开。升空约半小时后，休斯顿的航行主任陈诉说除了微陨石防护罩监测信号不正常，事情站太阳能电池板发出的遥测信号也不稳定。

奇怪了，一开始以为天空实验室已超出马德里测控站的规模，短时间不稳定无需大惊小怪，然而当收到澳大利亚卡纳冯（Carnarvon）测控站的消息时，大家顿感紧张，因为信息令人十分困惑：一个遥测信号讲明太阳能帆板已经部门展开，而温度信号则讲明两个太阳能帆板都不见了，可是太阳能帆板没有发生预期电压让这事情不妙！

来自加州金石站和马德里站的信息证实了最糟糕的预期，太阳能电池板遇到贫苦了，天空实验室损失近一半的电力，只能依靠望远镜上的太阳能帆板提供5千瓦的可用功率救急，如果对接后加上阿波罗服务舱的燃料电池20天内分外提供1.2千瓦的发电量，情况还不是太坏，也不太有人担忧微陨石防护罩的损失，究竟陨石体撞击属于小概率事件。

与此同时土星5号火箭的工程师在分析航行数据中发现升空后约一分钟，在火箭到达最大动压之前的横向加速度异常，数据表示发生了一些结构故障。大家忧心忡忡之时，天空实验室的事情站温度开始升高，在几个小时内许多外部传感器的读数凌驾了82°C，这是最大读数刻度，内部温度则升至38°C以上。有证据讲明微陨石防护罩已经不见了，其第二功效即热控功效的损失逐渐显现......

如果失去微陨石防护罩，事情站壁直面炙热的阳光，使其内部无法居住。凭据热力学模型，工程师预测事情站外部的温度将高达165°C，内部的温度将高达77°C，这都快把吃的烤熟了，哪怕罐头食品或者脱水食品；医疗用品的开端预测也很灰心，62种药物中预计有一半可能被毁，用于地球资源相机的胶卷上的感光乳液会在低湿度下变干；工程师还担忧天空实验室铝制壳体内部绝热用的聚氨酯泡沫，它在150°C时会散发出一氧化碳、氰化氢和甲苯二异氰酸酯，最后一个是最危险的，在低浓度也会致命，只管生产商麦道公司的测试讲明事情站内有毒气体的浓度不至于造成危险，但事情站还是放了四遍气，如果航天员首次进入，将戴上呼吸面具并对空气举行采样以确保宁静。鉴于该情况，第一个决议很快出来了，原计划越日运送第一批宇航员的土星IB发射被推迟5天。

天空实验室团队不停收到坏消息，工程师恨不得把天空实验室带回地面举行维修。固然这是不行能的，仅有一条路——在太空实验维修！

三、紧迫发动，对“烤箱”见招拆招

马歇尔航天中心（MSFC）和约翰逊航天中心（JSC）的专家、工程师和宇航员开始24小时排班事情以应对种种紧迫情况，两个太空航天中心的工程师和宇航员开始绞尽脑汁研究遮阳方案冷却空间站，以及宇航员对太阳能帆板的抢修方案，他们的事情时间延长到天天16-18小时，马歇尔航天中心在亨茨维尔的事情人员总数从400人猛增到600人。

（一）“高烧”和“低体温症”带来的影响不行小觑

为了最大水平地使用阿波罗望远镜的太阳能电池阵列发电，最好的姿势是瞄准太阳直射，但这会让事情站“发高烧”；相反让太阳光以小于90°的角度照射空间站，其热负荷会降低，但这个努力也会让发电量急剧下降。电力状况虽然令人不安，还不是最大的问题，当务之急是令事情站的温度快速降低！

约翰逊航天中心在休斯顿的任务控制专家拿出了一个折衷方案，通过调整空间站的姿态，让太阳光以45°左右斜射，在优化用电量的同时最大水平地淘汰太阳光线对空间站的直射，工程师于是关闭了加热器和不须要的无线电发射器，功率需求降低至3千瓦，这一努力让事情站的温度下降到54°C。

图5. 天空实验室侧身躲避阳光直射（示意图），注意气闸室缺少光照

热控在航天界似乎属于非主流，边缘专业，不外对于载人航天来说至关重要。发射后泛起的高温可能会破坏所有非冷冻食品，项目治理员甚至思量过空间站举行补给，万幸的是温度降至54°C后，测试讲明在该温度下，罐头食品可质保至少两周，脱水食品会稍长。5月22日休斯敦的专家得出结论，认为空间站上的食物还能吃，取消了补给计划。

设备在高温下也受不了，一共有九个速率陀螺仪用作姿态控制的基本传感器，每个轴三台，一连在高温下事情的陀螺仪过热，发生错误的参数让控制力矩陀螺发生过载。无法信任高烧的陀螺仪，工程师想出了一个变通的措施，通过读取事情站两侧的温度来估算侧倾姿态，通过太阳能机翼的电力输出确定俯仰角并举行姿态调整。

具有讥笑意味的是，虽然事情站许多方面都受到“高烧”的影响，但气闸舱却得了“低体温症”！由于躲在阴影下缺少光照同时被关了加热器，18日气闸舱降至4°C以下，这影响到了空间站上金贵的宇航服的可靠性！为保证宇航员在太空行走有凉爽体感，其温度控制是通过宇航员贴身内胆的水冷软管降温，这些冷却水通过宇航服脐带和气闸室热交流器换热。如果气闸室低于零度，水结冰膨胀则可能引发脐带系统中的管线结冰、主冷却剂回路毗连处的热交流器破裂，结果不堪设想。工程师挤出电力用加热器加热气闸舱，但气闸的温度连续下降，在21日靠近冰冻。不得已通过姿态调整使气闸舱袒露在更多的阳光下，该灵活使气闸舱变暖但也使事情站温度飙升……反重复复，控制人员精疲力竭。

地面控制员在发射后第二周对空间站举行了一系列姿态调整，试图平衡温度和发电功率，保持在尽可能合理规模内防止对空间站更大的破坏。但这些计划外频繁调整空间站姿态的轨道灵活消耗了大量的姿态控制冷气，头三天压缩氮气以惊人的速度消耗，到5月17日已经消耗量23%，为预期两倍。24日由于电力需求过大，阿波罗望远镜舱中的18个电池中有8个因为得不到实时的充电泛起暂时退服。当务之急是在事情站恶化到无法恢复之前派宇航员检验和降温，否则这个天空实验室只有报废一条死路。

（二）十天内重复论证拿出“遮阳伞”

马歇尔航天中心和约翰逊航天中心的专家群策群力开始研究隔热方案，事故发生后的一周内收到了数十个创意，从喷反光漆、贴墙纸到放置硕大的遮光气球、百叶窗式遮阳窗帘等。一方面，并不是所有袒露的外貌都需要掩护，只要能够对事情站有效遮阳即可。其次，由于空间中没有风，因此遮阳质料不需要严格牢固，材质也可以轻便，但其尺寸必须足够小以便于阿波罗指令舱带上天并能从狭小的舱门取出。从最初的讨论中，泛起了三个有前途的解决方案：

1、简配方案：将遮阳伞直接穿过事情站科学气闸布放。天空实验室的事情站提供了两个科学气闸，一个朝着太阳即太阳气闸，另一个朝相反的偏向即背太阳气闸，每个科学气闸约20厘米见方，可以将一些科学仪器直接置入太空情况开展科学研究，无需出舱行动。科学气闸提供了最简朴的操作，问题在于如何找到一种设计可以让这把遮阳伞穿过20平方厘米的开口，然后扩展到笼罩几十平方米的面积？

图6. 撑起太空遮阳伞的轻便方案

约翰逊航天中心的技术服务部因在短期内能提供应急设备享有盛誉，设计师杰克·金兹勒（Jack Kinzler）在天空实验室事故的越日就开始设计解决方案，在评估指令舱的运载遮阳伞的尺寸和重量之后，他倾向于使用科学气闸。5月16日金兹勒的灵感逐渐成形，4根可伸缩的钓鱼竿作为伞骨，用系绳启动，当钓鱼杆伸展并锁定在水平位置即形成平滑的遮阳伞。随后将弹簧、伞骨、遮阳伞紧凑的装在约即是气闸罐巨细的容器中的演示迅速获得了支持，17日NASA的航行主任克里斯·卡夫（Chris Kraft，也就是发现吉恩·克兰兹的伯乐）将大部门资源集中在了遮阳伞上，由于气闸偏离遮挡区域中心， 金兹勒将伞骨四臂长度增加到6.5米。

图7. 金兹勒设计了可穿过20平方厘米的开口的遮阳伞方案，右为科学气闸

2、高配方案：马歇尔航天中心的亨茨维尔团队担忧简配方案中的气闸可能会被破损线缆缠绕堵塞，提出了“双杆方案”。双子星座9A的喷气背包实验失败后，阿波罗时代的宇航员服就再未思量空间灵活能力，执行太空行走任务宇航员只能靠抓、靠扶，天空实验室的宇航服是从阿波罗计划中简化而来，通过脐带在太空行走期间提供生命支持，在太空行走方面依旧缺乏主动控制能力。由于天空实验室事情站舱外并未安装扶手，因此该方案使用望远镜支架作为支撑点，步步为营，宇航员出舱后拼装两根长杆“挑”着遮阳帘的一个角靠在事情站尾部，然后把两根杆子牢固在望远镜底座支架（下图红色标注），最后宇航员把遮阳帘的缩帆线（下图蓝色标注）牢固到望远镜的侧边支架从而展开遮阳帘，简称双杆方案。这种方案涉及到舱外作业运动，需要事先举行重复的模拟训练，时间摆设上很紧张。

图8. 双杆方案的详细实施图

3、折中方案：约翰逊航天中心其他专家担忧宇航员太空行走的实际能力，倾向于阿波罗飞船实施灵活，宇航员站在指令舱舱门上完成抢修任务，也就是站立式舱外作业运动（Stand-up Extravehicular Activity，SEVA）。该作业首先将遮阳帘安装在事情站的尾部一侧，飞船横向灵活移动到尾部另一侧，牢固遮阳帘的下部的第二个角，然后指令舱再前移牢固遮阳帘的上部，到达遮蔽效果。这种遮阳帘被简称为SEVA帆。

图9. 从上到下划分为简配方案、高配方案和折中方案

5月19日在内部讨论会上首先清除了SEVA帆方案，该方案操作难度大而且阿波罗飞船姿态控制发念头的羽流可能会污染望远镜及其太阳能帆板。医疗团队的代表认为宇航员在任务初期可能因为失重状态发生晕船的情况，需要时间适应，因此不希望在宇航员在这次紧迫的抢修任务中着急的实施太空行走，强调使用科学气闸布放遮阳伞是“宇航员最直接也是最简朴的操作”。内部讨论集会确定了遮阳伞方案为首选，双杆方案作为备选。由于生产遮阳质料需要时间，Skylab-2机组宇航员的发射被再次推迟了5天。

图10.在休斯敦举行遮阳方案论证

双杆方案小组也在与时间赛跑，V型部署的双杆每根17米长，由11个互锁短杆组成，类似于折叠导盲杖。在中性浮力模拟器中的测试发现了一些问题，主要是杆子在应力作用下可能会无法绷直，工程师迅速修改了锁紧螺母，在孔眼中放入聚四氟乙烯嵌件以淘汰摩擦，宇航员在水箱中顺利展开两根杆子，并用长杆铺设“遮阳帘”（演练用渔网取代），最后牢固索帆线，形成一个7.3 x 6.7米的隔热帘，该方案顺利通过了评审。

图11. 宇航员在中性浮力模拟器以望远镜支架作为支点部署V型双杆

所谓鲜花易谢，完成了最佳方案选择又遇到另一个难点——遮阳质料的研制！需要耐热、轻巧、紧凑、可展开、无污染而且在较宽温度规模内稳定，凭借阿波罗计划的成熟履历，这似乎是个相对简朴的设计，然而事实证明这是一场噩梦！

金兹勒设计的遮阳伞选择了由尼龙织物、聚酯薄膜和铝组成的太空服质料，厚度小于0.1毫米，切合各项要求，但尼龙在紫外线下有显着的劣化趋势，事故发生几天后的测试发现尼龙在真空中经由100小时的测试，会失去一半的拉伸强度，其他的研究显示在这种情况下敷铝薄膜的热屏蔽性能以及强度均下降。

可以通过在尼龙上涂掩护涂层来淘汰劣化，但这会显著增加质料的厚度！对于双杆方案和SEVA帆来说，它们的容器有剩余空间不受影响，但金兹勒的遮阳伞却必须牢牢地装在一个20厘米见方的小容器中，涂层不仅增加遮阳质料的厚度，而且释放时也更难题。

图12.真的一点空间都没有了！

对于这个问题，金兹勒团队的思路很是清晰：如果这个遮阳伞性能下降，那么就品级二批宇航员更换，又不是不能用，现在要赶时间！5月23日，也就是发射前两天，在亨茨维尔举行的设计认证审查会上，天空实验室项目的高级主管同意保留遮阳伞作为首选，前提条件是用上尼龙掩护涂层，这险些是给遮阳伞方案判了死刑！金兹勒团队实验对遮阳伞接纳贴耐紫外线胶带kapton（聚酰亚胺薄膜）的方案也因为厚度太大失败，士气一下子跌落到低点。

——未完待续——

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