从隔壁房间，穿过一堵厚厚的花岗岩墙，传来一阵“嗡嗡嗡”的声音，就像一辆老式蒸汽火车在逼近。转过拐角，我看到了噪音的来源：一张桌子，在震动。长长的金属板快速地来回晃动。上面整齐地摆放着两排，半打方形棱柱，里面装满了测量压力和运动的传感器。每个里面都装着一个钛合金螺栓，大小约等于成年男子的前臂，重约10磅。正如这复杂的装置可能暗示的那样，这些螺栓很不一般。
最终，这些令人瞩目的硬件将进入太空。这些螺栓，或者类似的螺栓，将连接猎户座飞船的各个部分。这艘新飞船将在未来十年内，自1972年以来首次将人类送出近地轨道——最初是前往月球，之后是火星之旅。但在此之前，这些紧固件必须经历一次模拟旅程的考验。而且更严酷。
它们正在忍受的摇晃仅仅是开始，旨在模拟发射时的剧烈震动。这些部件还要经受锤击、烘烤和冷冻——总共24项测试。所有这些都在任何金属到达发射台之前。这种“虐待”不仅确保了螺栓能够固定庞大的太空飞行器，而且能在恰当的时机，干净利落地断开。更具体地说，它们会爆炸，从而战略性地分离猎户座火箭的各个部分。
这种易燃硬件的设计、制造和大部分测试都在康涅狄格州东部一家古老的石头工厂进行，那里的工程师们一个多世纪以来一直向各种物品中塞满烟火材料。这个占地200英亩的19世纪风格的褐石、花岗岩和砖砌建筑群——看起来既像工厂区，又像大学——是Ensign-Bickford Aerospace & Defense Company（简称EBAD，因为没有模糊邪恶缩写的国防承包商是不完整的）的所在地。EBAD是为洛克希德·马丁公司（NASA在该项目的主要承包商）制造猎户座飞船“螺母螺栓”（以及陶瓷、织物和弹簧）的两千多家公司之一。
EBAD的部件在这场太空史诗中扮演着配角，但该公司至关重要的作用赋予了它巨大的影响力。在将猎户座飞船送出大气层的550万磅火箭（统称为NASA的太空发射系统）和其他设备中，只有20,500磅——不到0.38%——会返回地球。“我们最不想做的就是把所有东西都带到月球然后又回来，”卡罗琳·奥弗迈尔（Lockheed公司猎户座载人舱副经理，宇航员就坐于此）解释道。“我们在月球上不需要爆炸系统。那么它去哪儿了？它分离了。这是一个‘分离事件’。”通俗地说：东西掉了。
奥弗迈尔说，爆炸螺栓是这一过程的催化剂，“对我们的任务至关重要”。
右图： 一个工业烤箱在烘烤部件以测试其性能。Ray Lego
一次完整的往返月球的猎户座任务中，有八次分离。首次分离发生在发射三分钟后：螺栓与被称为易碎接头的、填充有炸药的拉链式裂缝一同分裂，丢弃将猎户座送离地面的负载。三个几乎两层楼高的面板，即保护飞船免受升空热量的“整流罩”，会直接脱落。奥弗迈尔回忆起她第一次观看面板在测试飞行中从飞船上分裂的情景说：“一个15英尺高的咖啡罐‘砰’地一声爆炸，然后就飞走了。”“我知道听起来很傻，但我发现它非常、非常美。”
随着任务的推进，越来越多的系统变得不再需要并脱离。最后脱落的是服务舱，一个垃圾桶形状的吊舱，里面装着任务所需的所有液体和气体；它通过四颗为此任务专门制造的紧固件，在长达130万英里的旅程中一直附着在猎户座飞船上。当载人飞船开始重返地球的下降过程时，这些紧固件会分裂，释放吊舱，然后吊舱会在大气层中燃烧殆尽。
为这些螺栓的决定性时刻——完美失效——做准备，就像一个禅宗公案。如何完全测试一个只工作一次的东西？如何设计一个为了完成工作而必须失效的东西？
答案的一部分体现在桌子上正在摇晃和发出嘎嘎声的螺纹紧固件，它们被称为分离和固定螺栓。在EBAD为猎户座制造的所有硬件变体中，这些螺栓必须承受最严酷的折磨，无论是在地球上还是在太空中。“我们把它们折腾得够呛，”EBAD测试服务经理史蒂夫·瑟斯顿（Steve Thurston）说道，他看着这些英勇的装置在桌子的运动下发出愤怒的隆隆声。瑟斯顿转身走向一个更安静的地方，轻声地、几乎是庄严地说：“这对部件真的不公平。但这就是重点——找到它们的极限，突破界限。”
外面，清晨的雨水渐渐消退，露出了秋日明亮的绿色。一条曾经为EBAD提供动力的河流蜿蜒穿过校园；一群水獭在这里安家落户。很难将这里的景色与那些古老石墙后面的景象联系起来：太空时代的螺栓被拉伸（以及被挤压、撞击、摇晃）到它们的极限。
自内战前很久，西姆斯伯里，康涅狄格州就一直是EBAD的所在地。那时，该地区遍布铁矿和铜矿以及花岗岩采石场，这意味着大量的挖掘和大量的爆炸声。方法很粗糙：挖个洞，填满火药，除了留一个小口引燃引线（通常是绳子或布），点燃，然后跑。成百上千的人因此丧生，往往是因为东西在不该炸的时候炸了——通常是太早了。
1831年，这些技术开始发生变化——变得更加精炼、可预测、安全。在英格兰康沃尔郡，那里的采矿比新英格兰还要多，一位名叫威廉·比克福德（William Bickford）的发明家为第一根安全引信申请了专利。比克福德将火药装进中空的黄麻绳中，引信以每英尺约30秒的可预测速度燃烧。1839年，他与一家康涅狄格矿业公司合作，在美国销售他的引信。拉尔夫·哈特·恩西格（Ralph Hart Ensign）于1870年加入。他的继承人后来将公司的爆炸物业务扩展到引信之外，开发了诸如当罪犯试图篡改时会冒烟的银行家袋等产品。
业务发展主管戴夫·诺沃特尼（Dave Novotney）一边快速地向我介绍一个多世纪的历史，一边引出关键点。他从办公桌后退开，阐述道：“我们在这里炸东西。我们做得很好。我们已经做了很长时间了。”但关键是，即使在比克福德的时代，也是时机。时机曾经是——现在仍然是——一切。
对于一个以每小时20,000英里的速度在太空中飞行的金属块内的宇航员来说，这一点尤为真实。这就是为什么，几乎是矛盾地，在载人任务中，飞船的许多地方都装有炸药。它会在你需要的时候做你想让它做的事情。
NASA并不称这些推进剂为“炸药”。相反，它们被称为烟火系统，或简称“Pyro”，其中所谓的“分离螺栓”是核心部件。一个名为“执行器”的电子开关会向一根导向紧固件的螺纹点火绳输送电荷。整个过程在毫秒的瞬间完成——大约相当于人类眨眼百万分之一的时间。
自成立以来，航天局就依赖这种快速动作，这种动作在弹射座椅和武器部署中也很常见。20世纪50年代末和60年代初的水星任务试验了Pyro，尽管结果并非总是令人满意；水星4号飞行任务在溅落时逃生舱的误触发射导致了座舱进水，几乎淹死了一名宇航员。到了20世纪60年代中期的双子座计划，NASA在控制爆炸方面变得更加得心应手，该计划增加了新的结构，如用Pyro弹射的起落架。到了20世纪60年代末和70年代初的阿波罗任务，210个爆炸技术部件承担了24个机械功能——从分离登月舱到释放降落伞——用于将人类首次送上月球的飞船。EBAD为许多这些小型但强大的点火装置提供了Pyro。
然而，在航天飞机计划期间，爆炸事件退居次要地位。航天飞机更多地依赖电动、可重复使用的系统——这些系统可以对接和分离附件，包括进行太空行走的宇航员。但Stu McClung，一位参与猎户座Pyro工作的NASA工程师，他在航天飞机上工作了近二十年，后来向我解释说，马达并非完美无缺。它们比Pyro慢几秒钟，可能重几磅，最糟糕的是，它们也可能发生故障。所以他仍然倾向于使用爆炸作为故障安全。“如果有什么东西出错，我们可以直接将其炸开，然后回家。”
如今，电动装置在卫星和无人系统中的需求日益增长，例如詹姆斯·韦伯望远镜和OSIRIS-REx小行星采样器，它们的太阳能电池阵列需要缓慢展开。“好消息是Pyro系统动作很快，”诺沃特尼开玩笑说。“坏消息是它们动作太快了。”对我们这些笨拙的朋友来说也同样令人遗憾：SpaceX创始人埃隆·马斯克，他的理念以可重复使用为中心，并不喜欢“砰”的声音。
EBAD在航天飞机上只有很少的设备，多年前，诺沃特尼注意到大多数太空业务完全摆脱了Pyro。然而，猎户座飞船却是一种返璞归真的设计，回到了航天飞机之前的时代——一个依赖可控爆炸的时代——这为该公司利用其爆炸技术提供了机会。因此，诺沃特尼积极竞标，希望能赶上这代人仅有一次的飞行器。
现在，他和他的工程师团队对螺栓的反复试验和错误制作有些着迷。他们工作的最终成果偶尔会出现在诺沃特尼的办公室里，放在一个黄色的桶里，里面装满了废弃螺栓的碎片，他喜欢向参观者展示。俯瞰这些垃圾，它们看起来更像是废弃的填充管道，而不是超工程化、经过无数次测试的爆炸性太空装备。他们的任务简单得不可思议，却需要数年时间才能完善：保持在一起，断开连接，帮助将乘员安全带回地球。“你不能突然改变主意，派布鲁斯·威利斯出去执行救援任务，”诺沃特尼说。“你一定会回家，就这样。”
自2009年以来，EBAD一直在交替制造和拆解猎户座飞船的硬件。 当时，洛克希德提交了大量规格文件，先是几百页，然后是几千页。尽管如此，EBAD并非从零开始。该公司于1965年成立了航天军火部门，专门制造特种引信，而且一些其他公司——甚至NASA——自20世纪50年代以来一直在制造分离螺栓。因此，到了21世纪初，大方向已经基本确定。
为了完善一个在需要时必须表现出截然不同的特性的螺栓，EBAD的工程师们花费了大量时间来解决硬件最薄弱的环节：断裂面，也就是最终断裂的中心点。洛克希德的奥弗迈尔将其比作折叠的纸：“当你弯折它时，你会使折痕非常牢固，以便在那个线上断裂，”她解释说。如果硬件过早断裂，比如在发射过程中，就会发生在这里。在螺栓上，断裂面是一个薄如剃刀的凹槽，环绕着钛合金表面，距离一端约三分之二处。在EBAD早期的猎户座测试阶段，设计人员对断裂面的位置和深度进行了反复调整。最重要的是，他们仔细地将其与内部结构和炸药相匹配，以确保每次都能在正确的时间干净利落地断裂。
随着他们进行改进，规则也在不断变化。开发过程中途——在十几次螺栓迭代和几次车辆测试之后——NASA确定猎户座服务舱需要大幅减重，为支持未来两年往返火星的载人生命支持系统腾出空间。从当时重达49,000磅的车辆上必须减掉约3,000磅。对EBAD来说，这意味着需要更少但更坚固的螺栓。与其使用六个需要几乎维持整个旅程的紧固件，不如使用四个，这样可以节省约25磅。“这造成了一些麻烦，”负责设计的EBAD工程师肖恩·基翁（Sean Keon）说。他们重新设计了螺栓，增加了体积和大约四分之一英寸的长度。这些调整使得每个螺栓都能承受超过10万吨的载荷，因此猎户座飞船可以放心地减少两磅。
团队按照精确的规格加工螺栓；如果测量误差超过千分之一英寸，就无法使用。但制造这些超强紧固件的真正诀窍不在于制造它们。而在于一次又一次的测试。除了振动台，所有部件还要经历模拟任务极端条件的试验。EBAD将它们冷冻到零下100度，加热到210度，以确保它们的引信不会在阳光照射下在中途自燃。为了证明螺栓能够承受火箭点火时的冲击波，它们会承受三次6,000-G的雷神之锤般的钢锤撞击。
在整个过程中，工程师们会反复检查螺栓。他们会重新测量，以确保它们的形状没有在压力下变形。X射线检查以确保所有内部零件都存在——并且位置正确——荧光染料则能凸显长达0.03英寸的微小裂缝。一旦EBAD满意，每批生产出的约九个螺栓就会被送到洛克希德和NASA，由它们进行更严苛的测试。如果任何硬件的测试失败或出现裂缝，EBAD就会召回整批产品，然后重新开始整个过程。
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监测爆炸式航天螺栓成功的另一种方法是观看它们爆炸。 这发生得太快了，以至于观察爆炸几乎没有什么看头。几乎什么也看不到。就像魔法。但它不是。
真正“看到”爆炸的唯一方法是使用人眼自然观察速度的极小一部分——至少每秒10万帧——的慢动作视频。即使那样，仍有许多东西隐藏着，包括引发一系列微小爆炸的电荷，最终点燃压力弹药筒内的有机推进剂。推进剂产生的能量足以驱动两个内部活塞。这两个活塞相互撞击，产生的力足以使至关重要的断裂面最终、完美、彻底地失效。从外面看，螺栓似乎在自行分解。
航天器在各个地方都有冗余设计，包括螺栓内部。有两个压力弹药筒，并排排列。如果主弹药筒未能点火，电荷会继续传输，触发并点燃第二个。如果两个同时点火（有时会发生），外壳仍然能够承受住产生的力。
但一旦完成爆炸，任务并未结束。断裂本身可能会引起问题，因为在太空中，碎片是致命的。一颗螺栓的微小碎片，以每小时数千英里的速度在猎户座周围飞驰，很容易撞毁太阳能电池板或刺穿重要的电子设备，导致任务失败。这就是为什么当紧固件位于测试传感器之间并最终断裂时，下方会悬挂一个小袋子来收集碎片。洛克希德分析这些碎片，以确保没有足够大的碎片会造成问题。他们还检查慢动作录像，监测任何从断裂处和飞船飞出的物体的速度。
对于最英勇的螺栓来说，确定断裂件的去向尤为重要，这些螺栓将载人舱固定在垃圾桶状的生命支持系统中，直到任务接近尾声。这些硬件的碎片必须留在飞船上，并为另一项重要功能做出贡献。螺栓断裂后，留在载人舱上的碎片会轻微熔化，成为隔热罩的一部分，在4000度的温度下返回地球大气层时，它们会散发多余的热量，帮助保护宇航员。当它们熔化时，它们会带走热量——就像大热天放在黑色沥青上的冰块一样。
当基翁和EBAD的一群工程师描述这些最后的搏斗时，我发现他们盯着我身后的会议室墙壁。在天花板附近，有一个卷起的投影屏幕。测试飞行是螺栓证明其性能的唯一真正机会，因此当测试飞行发生时，EBAD的员工会聚集在这个房间里观看。目前，NASA正逐步接近两个重大事件：一次为期四分钟的演习将在今年春天进行紧急着陆；以及在2020年，远征任务1将把一艘无人驾驶舱绕月飞行并返回地球。
他们上次挤在这个房间是在2014年，当时远征飞行测试1号载着猎户座绕地球飞行了两圈后溅落。这次未命名的任务是为隔热罩、降落伞、计算机等关键系统进行的试验，并且，对EBAD来说，最令人担忧的是所有这些分离。在那年十二月中旬的下午，团队点了披萨，然后熬夜等待，看他们的螺栓表现如何。他们踱步、出汗，然后发出欢呼声和长长的疲惫的叹息声。然而，庆祝活动却被第二天早上要回去的工作——测试、改进——所冲淡。“任务还没有结束，”基翁说。
本文最初发表于《大众科学》2019 年春季刊的交通运输专刊。
更正2021年10月13日： 本文的早期版本将英国的康沃尔郡误认为是一座城市。
