阿波罗13号（美国阿波罗计划中第三次载人登月飞船）

阿波罗13号

美国阿波罗计划中第三次载人登月飞船

阿波罗13号（Apollo 13）是阿波罗计划（Project Apollo）中的第三次载人登月任务。发射后两天，服务舱的氧气罐发生的爆炸严重损坏了航天器，使其大量损失氧气和电力；三位宇航员使用航天器的登月舱作为太空中的救生艇。指令舱系统并没有损坏，但是为了节省电力在返回地球大气层之前都被关闭。三位宇航员在太空中经历了缺少电力、正常温度以及饮用水的问题，但仍然成功返回了地球。

简介

阿波罗13号（Apollo 13）是由美国国家航空航天局（NASA）发射的第三艘载人登月宇宙飞船，在阿波罗载人登月计划（Project Apollo）中是第7次执行载人任务。1970年4月11日，“阿波罗13号”升空，开始执行美国第三次登月计划。“阿波罗13号”的登月舱被命名为“宝瓶座（宝瓶号）”，指令舱被命名为“奥德赛”。

发射后两天，服务舱的氧气罐发生的爆炸严重损坏了航天器，使其大量损失氧气和电力；三位宇航员使用航天器的登月舱作为太空中的救生艇。指令舱系统并没有损坏，但是为了节省电力在返回地球大气层之前都被关闭。在“阿波罗13号”返航过程中，宇航员呼出的二氧化碳会导致他们缺氧，并最终使他们窒息死亡。负责地面指挥的工程师们很快想出办法，让宇航员利用飞船上的现有仪器置换了二氧化碳。三位宇航员在太空中经历了缺少电力、正常温度以及饮用水的问题，但仍然成功返回了地球。

2005年4月17日是美国“阿波罗13号”平安返回地球35周年纪念日。美国globalspec公司19日在休斯敦太空中心为当年成功挽救“阿波罗13号”并帮助3名宇航员死里逃生的工程师们颁发了集体荣誉奖———一个水晶球，以表彰他们的杰出贡献。

任务成员

吉姆·洛威尔：（曾执行双子星7号、12号、阿波罗8号以及阿波罗13号任务），指令长。

杰克·斯威格特：（曾执行阿波罗13号任务），指令/服务舱驾驶员。

弗莱德·海斯：（曾执行阿波罗13号任务），登月舱驾驶员。

替补成员

替补成员同样接受任务训练，在主力成员因各种原因无法执行任务时接替。

约翰·杨（John Young，曾执行双子星3号、10号、阿波罗10号、16号、STS-1以及STS-9任务），指令长。

杰克·斯威格特（Jack Swigert，曾执行阿波罗13号任务），指令/服务舱驾驶员。

查尔斯·杜克（Charles Duke，曾执行阿波罗16号任务），登月舱驾驶员。

备份机组

备份机组并不接受任务训练，但被要求能够在会议时代替某位宇航员，并参与任务计划的细节敲定。他们也经常在任务被执行时担任地面通讯任务。

文斯·布兰德（Vance Brand，曾执行阿波罗-联盟测试计划、STS-5、STS-41-B以及STS-51任务）

杰克·洛斯马（Jack Lousma，曾执行天空实验室3号以及STS-3任务）

威廉·波格（William Pogue，曾执行天空实验室4号任务）

约瑟夫·科文（Joseph Kerwin，曾执行天空实验室2号任务）

变更

肯·马丁利是原计划中的指令/服务舱驾驶员，但是他由于接触了风疹，在发射前3天被杰克·斯威格特替换。他后来成为担任了阿波罗16号任务的指令/服务舱驾驶员。

任务数据

1970年4月14日，02:08:53.555 UTC ，当时阿波罗13号离地球321,860千米。

距月球最近点：1970年4月15日，00:21:00 UTC ，距月球约254.3千米；距地球400,171千米

在太空中发生了什么？

类似液氧这类的液态冷冻液体在微重力环境下会倾向于“分层”，也就是说，在缺乏重力作用的情况下，它们会倾向于形成不同的分层并在其所处的空间内向周围扩散。而当这一空间就是液氧罐的内部体积的时候，这种分层效应就会让测量液氧罐内部的液体量变得十分困难。因此阿波罗飞船的服务舱液氧罐中还安装了一套内部涡扇，就像小型船桨一般的叶轮，用于液氧罐内容物的搅拌，目的是使其更加均匀，以便对其内部液体的量更好的进行测量工作。

在每一次啊阿波罗任务飞行期间，都会进行这样的例行搅拌操作。但没有人知道的是，对于阿波罗13号而言，每一次这样的搅拌都将可能引发一场潜在的巨大灾难——每一次启动二号罐的搅拌叶片，电流都将会通过受损的线路。

在任务进行到第56个小时之后，指令仓飞行员杰克·斯威格特进行了例行的搅拌操作。根据推测，这次操作产生了几颗火星，点燃了二号罐内的特氟龙材料。在液氧环境下，特氟龙材料的燃烧十分迅速，在液氧罐内瞬间产生极高压强(超过41MPa)。这样的压强不但超过了液氧罐阀门的承受极限，也超出了液氧罐结构强度的极限，于是，液氧罐发生了爆炸。

技术改进

阿波罗13号任务开始时也曾出现过一次不甚闻名但同样危险的事故。第二级火箭燃烧时，中间的5号推进器提前关闭了，使其他四台推进器必须延长燃烧时间。工程师们事后发现这个问题的起因是纵向耦合振动（pogo oscillation），而这种情况足以把第二级火箭撕裂。当时推进器承受着16赫兹的频率，68g的重力，发动机架被拉长了约7.6厘米（3英寸）。幸运的是，震动导致了推进器压力降低，控制电脑自动将其关闭。小幅度的纵向耦合振动也曾在之前的阿波罗任务中出现过（甚至在最早的巨人——双子星无人任务时就被认为是潜在的问题），但在阿波罗13号时涡轮泵中的气穴与纵向耦合的非正常作用时震动幅度加大。

后来的任务中，火箭进行了反纵向耦合修改（阿波罗13号之前就已经在进行），解决了这一问题。修改是在中间推进器的液体氧线上添加一个氦气储存罐，以降低振动的几率，并保证在这一办法无效时5号推进器会自动关闭，以及在所有五个第二级火箭推进器上简化的燃料阀门。

爆炸事故

在阿波罗13号向着月球飞行离地球321,860千米时，服务舱的二号氧气罐发生了爆炸。指挥中心要求三位宇航员搅动氧气罐，以保证氧气能够均匀分布。斯威格特搅动氧气罐后，损坏的氧气罐特氟纶绝缘电线起火，使氧气罐内的气压增加（标准气压为7百万帕），并导致爆炸。当时爆炸的原因不明，一种说法是有小行星击中了服务舱乃至于登月舱。

爆炸同时也损坏了服务舱的其他部分，一号氧气罐的损坏尤其严重。爆炸后，指令/服务舱的两个氧气罐的氧气全部损失。服务舱里的氧气是指令/服务舱电力产生系统的必须部分，也就是说，航天器的电力在爆炸后便所剩无几。指令舱里还有返回大气层时所需的电池，但只能在接近地球，与服务舱脱离后使用约十小时。由于返回大气层的电池必须保留以安全返回，所以三位宇航员不得不把登月舱当作“救生艇”。登月舱作为“救生艇”的步骤在阿波罗13号之前不久才刚刚开始被模拟。

艰难返回

航天器的严重受损使计划中在弗拉·毛罗高地登月的任务被迫取消。指挥中心有人提出立刻使航天器掉头并加速返回地球以节省时间。但是，整个航天器上唯一有直接掉头所需推力的服务推进系统（SPS）却位于服务舱尾部。由于不知道服务舱的损坏情况有多严重，点燃服务推进系统可能会引起服务舱二次爆炸，所以地面指挥为了安全考虑决定不使用服务推进系统。最终被选择的返回方法是绕过月球，不进入轨道而进入自由返回轨道，使用月球引力将航天器送上返回地球的轨道。

为了能够进入自由返回轨道，必须执行一次轨道纠正；通常情况下，轨道纠正会使用服务推进系统，但在不敢保证其安全性的情况下，在工程师进行长时间的研究后，指挥中心决定使用登月舱的降落火箭。在绕过月球后，登月舱降落火箭被点燃，进行PC+2（PeriCynthion，近月点+2小时）燃烧，以加速返回地球。返回地球途中登月舱降落火箭再次点燃，以完成一次简单的轨道纠正。

安全操纵严重受损的航天器返回地球成为了三位宇航员和地面指挥人员所面临的难题。最让指挥人员头痛的问题之一就是登月舱是为两位宇航员生存两天准备的，而三位宇航员需要它提供四天的生存保障。另外，登月舱上用以过滤二氧化碳的氢氧化锂过滤器并不足以坚持四天。

尽管指令舱上有备用过滤器，但它们与登月舱上过滤器的接口形状不同。在二氧化碳浓度越来越高的情况下，地面指挥最终设计了一个连接装置，以降低登月舱的二氧化碳浓度。在航天器逐渐接近大气层时，航空航天局作出了一个特殊的决定：先丢弃服务舱而不是常规状态下先会被丢弃的登月舱，拍摄服务舱的照片以对事故进行调查。当三位宇航员首次看到服务舱外表面时，他们发现原来覆盖氧气罐和燃料电池的面板被炸飞了。

当时地面指挥担心由于在返回途中指令舱里过低的温度导致的水凝结会严重损坏指令舱的电子控制系统，而唯一检测的方式是在重新启动指令舱时。幸运的是，指令舱一切正常。三位宇航员最终安全返回了地球，尽管海斯由于饮用水的缺少以及排尿的困难患了尿道感染必须住院。返回途中，三位宇航员被告知不要将尿液及其他液体排入太空而是保留在太空舱内，因为在没有推进器纠正轨道的情况下这样会影响航天器的运行轨道。

尽管事故本身非常不幸，但三位宇航员仍应该感到幸运航天器在去月球途中出现了问题而不是返回途中；否则他们在紧急情况下可调动的资源、设备以及电力都会大大减少。如果服务舱的爆炸发生在环绕月球或者返回地球途中(如果正常登月，登月舱会在登月任务结束后被丢弃)，三位宇航员生存的几率会变得很低。爆炸前氧气罐的另一次故障可能恰恰救了阿波罗13号三位宇航员的性命。任务开始后46小时40分钟后，二号氧气罐指针读数出现了问题，一度超过了100%。

为了解决问题，也为了找出原因，斯威格特被要求搅动氧气罐：这次额外的搅动原本会被安排在登月之后。如果真的是这样，洛威尔和海斯就可能在踏上月球之后再也没有踏上地球的机会了。任务结束后，航空航天局对整个事件进行了一次详细的调查，并对航天器进行了改进以保证类似事件不会再次发生。

事故起因

阿波罗13号上发生的爆炸引起了一场漫长的事故原因调查。由于阿波罗计划保留了详细的制造纪录和问题纪录，液态氧气罐几近灾难的爆炸原因最终被缩小到几个小故障的共同作用。

参考资料

1.阿波罗13号事故45周年：真相公开·快科技