阿波罗 13 号机组人员何时知道他们失去了月球?

The Apollo 13 crew the day before launch
美国国家航空航天局 (NASA)

阿波罗 13 号飞船飞行了 46 小时 43 分钟,指令长吉姆·洛弗尔接到 Capcom 乔·科温的飞行任务更新:“就我们而言,飞船状态非常好。我们在这边简直要无聊死了。” 九个小时后,事情变得一点也不无聊了。为了防止超低温气体分层,一次例行的搅动液氧罐的动作导致 2 号罐的一根电线发生电弧。 它破裂了,并带走了氧气罐 1。随着宝贵的氧气泄露,阿波罗 13 号失去了电力、照明和水源。当然,船上和休斯顿的任何人都不知道究竟发生了什么。那么,船员们最终是什么时候意识到阿波罗 13 号无法登陆月球的呢?

氧气罐的损失对阿波罗飞船来说是毁灭性的,因为氧气罐为驱动飞船的燃料电池提供动力。三个燃料电池,每个都包含 31 个独立的但相连的电池,都存储在服务舱中。氢气和液氧结合的电化学反应产生了电能、热量以及作为副产品的饮用水。这些电能最终通过一条 贯穿对接飞船侧面的脐带 传输到主指令舱。

在正常的飞行条件下,每个燃料电池都能产生 400 到 1420 瓦的功率,电压为 31 到 27 伏直流电 (DC)。尽管它们消耗相同的氧气和氢气罐,但燃料电池之间并没有相互连接,这一决定为系统带来了一定的安全性;一个燃料电池的故障不会导致总电力损失。

Electricity and drinking water were byproducts of the Apollo fuel cells
北美航空公司,图片来源:美国国家历史博物馆

燃料电池连接到两个母线上,这两个母线将产生的电力分配到飞船的各个系统。燃料电池 1 连接到主直流母线 A,燃料电池 2 连接到直流主母线 A 和 B,燃料电池 3 连接到主直流母线 B。固态逆变器将直流电转换为交流电 (AC),通过两条主母线分配到飞船的电气系统中。

但是燃料电池和母线之间的连接并非永久性的。指令舱内有开关,如果某个电池发生故障,船员可以手动隔离一个燃料电池并控制电流方向。损失一个燃料电池并不意味着飞船就报废了。同样,一个交流逆变器就可以满足飞船的基本用电需求,而另外两个则作为备用,每个母线都有自己的逆变器供电,以便在其中一个发生故障时将其隔离。

因此,阿波罗飞船的电力系统内置了多重冗余。船员可以隔离整个系统中的任何失效元件,NASA 也制定了相应的任务规则,规定了在飞行中任何电力系统元件发生故障时应如何处理。

根据阿波罗 11 号发射前发布的任务规则,当燃料电池输出低于 5 安培时,即被视为失效;当氧气罐压力低于 150 psi 时,即被视为失效;当氢气罐压力低于 100 psi 时,即被视为失效。在飞行中损失一个或多个电力系统元件后的应对措施,取决于任务阶段——发射阶段、登月阶段或巡航阶段。

在发射阶段损失所有三个燃料电池并不意味着任务中止;指令舱内充电的电池可以为船员提供 4.75 小时的电力,用于在轨道上处理问题,然后他们将被迫重新进入大气层。只有在发射阶段损失三个燃料电池和一个再入电池才需要中止任务。

An Apollo fuel cell
国家航空航天博物馆

在月球轨道上损失两个或三个燃料电池意味着取消登月。船员需要保留登月舱,利用其电力和消耗品来安全返回,甚至可能需要使用其大型下降发动机进行地球注入燃烧,以使其进入回程轨道。在登月阶段发生同样的燃料电池损失,意味着登月“不可行”(NO GO)。在这种情况下,目标是尽快完成飞船对接,保留登月舱的消耗品,并让船员踏上回家之路。

在任务的任何阶段,损失两个或三个燃料电池以及任何再入电池,都要求紧急关停,以节省所有机载电力用于返航和穿越大气层。

仅损失一个燃料电池是唯一一种不会导致严重后果的故障。如果损失了一个燃料电池,船员会尝试修复该电池,然后重新配置飞船,将电力从剩余的两个电池分别导向一个母线,恢复部分冗余。之后,NASA 会评估其他系统的运行情况,并考虑任务所处的阶段,然后决定是否继续执行原定任务。到了阿波罗 13 号飞行时,任务规则规定,仅凭两个燃料电池是不能登陆月球的。

因此,当阿波罗 13 号的氧气罐 2 破裂时,船员们按照任务规则行事。飞船和休斯顿的读数显示氧气罐和燃料电池 1 和 3 已失效。认为可能发生了很多故障是某种仪器问题,Capcom 杰克·卢斯马让船员尝试将燃料电池 1 重新连接到主母线 A,将燃料电池 3 连接到主母线 B,但这并没有解决问题。

A mockup of the Apollo service module
美国国家航空航天局 (NASA)

在电影《阿波罗 13 号》中,休斯顿让汤姆·汉克斯饰演的洛弗尔关闭了燃料电池 1 和 3 的反应阀,试图阻止氧气泄漏,以节省最后一个工作燃料电池中剩余的氧气。电影中有一个漫长而安静的时刻,汉克斯说了一句感人的台词:“我们刚失去了月球。”

船员们实际上知道他们不会登陆月球,比这通电话早得多。关闭反应阀的指令是在危机发生一小时两分钟后发出的。卢斯马打来电话说阿波罗 13 号通过燃料电池 3 正在失去氧气。“所以,我们希望您关闭燃料电池 3 的反应阀。看起来燃料电池 1 和 2 似乎还能正常工作。”登月舱飞行员弗雷德·海斯回答说:“您是说燃料电池 1 和 2——1 和 2 似乎还能工作,但我们正从燃料电池 3 泄漏氧气?您想让我关闭燃料电池 3 的反应阀?我听对了吗?”卢斯马确认道:“是的,请关闭燃料电池 3 的反应阀。”

这可能是失去登月机会的决定时刻,但至少海斯在那之前就知道了自己不会在月球上行走。爆炸发生后不到五分钟,海斯就向休斯顿报告说他尝试重置一切,但燃料电池 1 和 3 仍然没有显示电力流。“我显示——我尝试重置,燃料电池 1 和 3 都显示灰色标志,但它们都没有显示任何流量。”他在任务汇报中说,那一刻他知道他们不会进入月球轨道,也不会登陆月球。“我看了看燃料电池 3,它的流量显示全量程低。这意味着这个燃料电池没有承担任何负荷。这意味着整个母线都完了。我当时就承认月球轨道进入 (LOI) 将是‘不可行’(NO GO)。”

Apollo 13's damaged service module
美国国家航空航天局 (NASA)

想阅读阿波罗 13 号的“柯尔斯笔记”版本吗?我将去年的实时推文整理成 Storify 了!

资料来源:《阿波罗奔向月球》《阿波罗月球飞行日志》特别是此页面,其中包含氧气罐破裂时刻的文字记录《阿波罗操作手册,Block II 飞船》《阿波罗任务规则》,所有这些都可以在这里找到《阿波罗 13 号》

 

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我的学术背景是科学史,但我从小就对太空飞行感兴趣,那是在我小学时,我看到了一张两个宇航员在月球上的卡通画。我把七岁时对阿波罗计划的好奇心转化为一名太空飞行历史学家和自由撰稿人的职业生涯。

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