六分儀的工作原理_六分儀的工作原理圖

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　　編者按六分儀的工作原理：1970 年 4 月 11 日六分儀的工作原理， 美國阿波羅 13 號(hào)飛船起飛進(jìn)入太空，準(zhǔn)備執(zhí)行登月計(jì)劃。這次任務(wù)被稱為史上“最成功的失敗”的任務(wù)。事故到底怎么發(fā)生的？來看中科院空間中心的解讀。

　　在太空探索題材的電影中，營救在太空中遇險(xiǎn)的宇航員是編劇導(dǎo)演們喜愛的素材。從《地心引力》到《火星救援》，這些影片在獲得不俗的票房成績的同時(shí)，也向公眾傳播了與航天活動(dòng)相關(guān)的科普知識(shí)。與這些虛構(gòu)的影片相比，湯姆·漢克斯主演的《阿波羅 13 號(hào)》顯得極為特別。這部斬獲兩個(gè)奧斯卡獎(jiǎng)項(xiàng)的影片是根據(jù) 1970 年美國阿波羅登月計(jì)劃中的一次真實(shí)事故改編的。47 年前，在奔月的路上，阿波羅 13 號(hào)飛船突然遭遇了服務(wù)艙氧氣罐爆炸的險(xiǎn)情。在地面控制人員和航天員的通力配合下，重重危機(jī)終于被化解，宇航員們也得以成功返回地面，讓阿波羅 13 號(hào)任務(wù)成為 NASA 歷史上“最成功的失敗任務(wù)”。

　　歷盡艱險(xiǎn)返回地球后，美國總統(tǒng)尼克松為三位宇航員頒發(fā)了總統(tǒng)自由勛章

　　1970 年，那是一個(gè)春天，阿波羅 13 號(hào)飛船正在飛往月球富拉· 摩洛高原的旅程中。作為阿波羅計(jì)劃的第三次登月任務(wù)，阿波羅 13 號(hào)的飛行在一開始顯得頗為順利。除了土星 5 號(hào)火箭有一點(diǎn)無關(guān)緊要的異常外，任務(wù)的各個(gè)系統(tǒng)都在正常工作。在發(fā)射后的第 46 小時(shí) 43 分鐘，地面負(fù)責(zé)與宇航員訊通的工作人員打趣地抱怨道：“飛船的狀況太好，六分儀的工作原理我們已經(jīng)無聊到流淚了?！卑l(fā)射后的第 55 小時(shí) 46 分鐘，阿波羅 13 號(hào)上的宇航員通過電視直播，向地面觀眾展示了他們舒適的太空生活。在 49 分鐘的電視直播結(jié)束時(shí)，宇航員吉姆·洛威爾向關(guān)注這艘飛船的人們道了晚安。

　　阿波羅 13 號(hào)爆炸發(fā)生前的控制大廳沉浸在輕松愉快的氛圍中，電視直播正在進(jìn)行

　　然而等待阿波羅 13 號(hào)的，卻是一場噩夢。

　　登月的阿波羅飛船采用三艙式的結(jié)構(gòu)。位于飛船尾部的服務(wù)艙產(chǎn)生飛船變軌所需的動(dòng)力，同時(shí)為指令艙提供電力和氧氣等供給。飛船中部的指令艙是宇航員在大部分時(shí)間所處的艙段。宇航員們可以在這里控制飛船的飛行，也會(huì)乘坐指令艙返回地球。飛船頂部的登月艙由上升段和下降段兩部分組成。在登月時(shí)，登月艙與飛船分離并在月球表面著陸。在宇航員們完成月球表面的各項(xiàng)活動(dòng)后，登月艙的下降段會(huì)留在月球上，上升段點(diǎn)火將宇航員們送回繞月軌道，與指令艙、服務(wù)艙對接，并返回地球。

　　阿波羅飛船

　　在電視直播結(jié)束后十多分鐘，宇航員杰克·斯威格特按照地面的指令開始攪動(dòng)服務(wù)艙中的氧氣罐，以獲得更準(zhǔn)確的氣壓讀數(shù)。忽然，服務(wù)艙傳來一陣巨響，飛船內(nèi)的告警燈隨即開始閃亮。斯威格趕緊向地面控制人員報(bào)告：“休斯頓，我們這攤上事了！”（Houston,we've had a problem here.）

　　飛船的各個(gè)系統(tǒng)中，最先出現(xiàn)異常的是 B 總線的電壓讀數(shù)。B 總線是飛船的兩個(gè)主要供電回路之一，爆炸發(fā)生后 B 總線的電壓讀數(shù)開始下降。隨后，宇航員接連收到了一系列告警：兩個(gè)燃料電池失效，服務(wù)艙中一個(gè)氧氣罐內(nèi)的氧氣不翼而飛，另一個(gè)氧氣罐的氣壓也在不斷下降中。巨響剛剛發(fā)生時(shí)，宇航員們忙于處理駕駛艙內(nèi)各個(gè)儀表的告警，直到十三分鐘后，洛威爾望向飛船舷窗之外，才真正發(fā)現(xiàn)了意外的來源：服務(wù)艙已經(jīng)被爆炸破壞，正在向外冒氣！

　　原來，飛船服務(wù)艙中的二號(hào)氧氣罐發(fā)生了爆炸，在毀壞自身的同時(shí)也毀壞了一號(hào)氧氣罐。氧氣罐的泄漏不但直接威脅了宇航員的基本生存條件，更連帶引發(fā)了多重危機(jī)：阿波羅飛船的供電依靠的是液氧與液氫在燃料電池中的反應(yīng)，當(dāng)液氧供應(yīng)不足時(shí)，燃料電池就無法繼續(xù)工作，飛船面臨的失去電能、在太空中“關(guān)機(jī)”的威脅。同時(shí)，燃料電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水也是宇航員飲水的來源，燃料電池停止工作后，飛船同時(shí)進(jìn)入缺水的窘境。此時(shí)，飛船正在從地球向月球飛行的過程中。如果要立即返回地球，必須讓服務(wù)艙中的發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)才能改變飛船的軌道。在服務(wù)艙已經(jīng)發(fā)生爆炸的情況下，誰也不知道發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)有會(huì)不會(huì)引發(fā)更大的災(zāi)難。

　　阿波羅 13 號(hào)危機(jī)發(fā)生后緊張的工作人員

　　登月艙在宇航員登陸月球過程中要自主飛行，因此登月艙中有獨(dú)立的供電、供氧設(shè)備，還有能提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)。此時(shí)，它成為了宇航員求生的唯一依靠。在確定爆炸給服務(wù)艙造成的損害無法管制后，洛弗爾和海斯兩人進(jìn)入登月艙，與留在指令艙中的斯韋格特一同開始搶險(xiǎn)救災(zāi)的工作。他們首先把服務(wù)艙中剩余的氧氣導(dǎo)入指令艙中，再將指令艙的電源切換到登月艙的蓄電池中。為了盡可能的節(jié)省登月艙氧化銀電池里極為有限的電能，宇航員們關(guān)閉了一些非必需設(shè)備，使飛船進(jìn)入了“超級(jí)省電模式”，功耗降低到了正常情況下的 1/5。在飛船上，需要“喝水”的除了三位宇航員外，還有各種電子器件的水冷設(shè)備。為了盡量節(jié)省用水，宇航員們每天的飲水量只有正常情況下的五分之一，這樣雖然勉強(qiáng)維持了生命，卻給宇航員帶來了很大的痛苦。返回地面時(shí)，三位宇航員因?yàn)槊撍?，體重總共降低了 31.5 磅（請急于減肥的讀者不要效仿這種方式），海斯特還因?yàn)槿彼鸬呐拍蚶щy癥入院治療。

　　登月艙與指令艙分離后航天員為它拍攝的照片。在危急時(shí)刻，它是航天員們的救生船

　　登月艙原本只設(shè)計(jì)供兩名宇航員使用兩天，如今卻有三名宇航員要靠它存活四天。登月艙上儲(chǔ)備的氧氣足夠航天員們使用，但過濾二氧化碳的氫氧化鋰過濾器卻堅(jiān)持不了那么長時(shí)間，飛船上的二氧化碳濃度一度觸發(fā)了報(bào)警，提示宇航員有中毒的危險(xiǎn)。指令艙中儲(chǔ)備了一些備用氫氧化鋰過濾器，但是這種方形的過濾器無法安裝到登月艙過濾系統(tǒng)圓柱形的安裝槽中。在千鈞一發(fā)之際，地面人員想出了解決辦法，指導(dǎo)宇航員們用飛船上能夠得到的物資拼裝上了兩種不同形狀的過濾裝置，成功降低了登月艙的二氧化碳濃度。

　　宇航員們臨時(shí)拼裝的二氧化碳過濾裝置，工程師們將其戲稱為“郵箱”

　　為了利用登月艙下降級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)有限的推力返回地球，地面人員計(jì)算出了一條利用月球引力返回地面的軌道。飛船在繞過月球背面后，下降級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作一次，以加速飛船返回。在茫茫太空中有如一葉扁舟的阿波羅飛船，使用的導(dǎo)航方式和人類在早期航海中使用的定位導(dǎo)航方式一樣：宇航員們用一個(gè)原理與六分儀類似的望遠(yuǎn)鏡尋找導(dǎo)航用的星星，飛控計(jì)算機(jī)會(huì)幫助宇航員們算出飛船正確的前進(jìn)方向。然而爆炸的發(fā)生使得導(dǎo)航望遠(yuǎn)鏡喪失了部分功能，宇航員們最后依靠測量太陽的方位才找到了自己回家的路。

　　服務(wù)艙分離后航天員們拍攝的照片，可見爆炸對服務(wù)艙的毀壞程度

　　與危機(jī)戰(zhàn)斗的不止三名宇航員。在地面上，NASA 和飛船承包商的工程師們不分旦夕地工作。發(fā)送給航天員的每一條指令，都需要工程師們反復(fù)設(shè)計(jì)，并在模擬器上進(jìn)行測試。美國總統(tǒng)尼克松親自前往控制中心了解情況。通過新聞媒體不間斷的報(bào)道，全美國人民都密切關(guān)注著三位宇航員的安危。教皇保羅在梵蒂岡為三位宇航員祈禱祝福。就連與美國處在冷戰(zhàn)敵對狀態(tài)的蘇聯(lián)都公開表示“蘇聯(lián)政府已經(jīng)向他的公民和軍隊(duì)下達(dá)命令，要求他們利用一切可能的手段幫助美國宇航員。”

　　在歷經(jīng)艱險(xiǎn)之后，回家之路終于快要走完了。在著陸前四個(gè)小時(shí)，受損的服務(wù)艙與指令艙分離，宇航員們也得以親眼看到了服務(wù)艙的受損情況：服務(wù)艙被炸出了一個(gè)洞，一塊面板已經(jīng)被炸飛。在著陸前一小時(shí)，庇護(hù)了宇航員生命的登月艙完成了任務(wù)，與指令艙分離。三名宇航員最終乘坐指令艙，降落在南太平洋中，被美國海軍的搜救艦隊(duì)打撈，平安返回了地球。

　　平安回家的三位宇航員

　　之后的調(diào)查讓所有人都大跌眼鏡。在太空中惹禍的 2 號(hào)氧氣罐居然是個(gè)二手產(chǎn)品！這個(gè)編號(hào)為 10024X-TA0009 的氧氣本來安裝在阿波羅 10 號(hào)上，在安裝過程中不慎被損壞。當(dāng)阿波羅 10 號(hào)換用其他的氧氣罐成功發(fā)射后，這個(gè)氧氣罐被修復(fù)測試，安裝到了阿波羅 13 號(hào)飛船上。阿波羅 13 號(hào)在發(fā)射前進(jìn)行的一次測試中，這個(gè)氧氣罐的氧氣始終無法徹底排空?？刂迫藛T決定啟動(dòng)罐內(nèi)的加熱器，排出剩余氧氣。這個(gè)操作需要接通 65 伏的電源，但氧氣罐內(nèi)的電路一開始的設(shè)計(jì)電壓是 28 伏。在 8 小時(shí)的加熱后，靠近加熱器的導(dǎo)線溫度一度達(dá)到了 1000 華氏度，導(dǎo)線的絕緣層被破壞。在太空中，這段導(dǎo)線短路，點(diǎn)燃了絕緣層，引發(fā)了爆炸。

　　作者李會(huì)超，系中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員

延伸閱讀：

美國為何不再登月

　　作者：江工

　　來源：作者博客

　　世界上有些事情存在著許多謬誤，如果你沒有判斷力，往往找不到正確的答案。諸如以下有一件事就是這樣常常忽隱忽現(xiàn)地纏繞著我。

　　四、五十年前美國阿波羅登月計(jì)劃，歷時(shí)約11年，耗資255億美元。在工程高峰時(shí)期，參加工程的有2萬家企業(yè)、200多所大學(xué)和80多個(gè)科研機(jī)構(gòu)，總?cè)藬?shù)超過30萬人。經(jīng)過七次載人飛行任務(wù)，6次登月成功，一次失敗，總共有12名航天員登上月球，這是世界航天史上具有劃時(shí)代意義的一項(xiàng)偉大成就。

　　我昨晚看了一部電影《“阿波羅”13號(hào)》，就是描寫其中失敗的那一次，時(shí)間是1970年4月11日，“阿波羅”13號(hào)因服務(wù)艙液氧箱爆炸中止登月任務(wù)（三名宇航員駕駛飛船安全返回地面）。以后又進(jìn)行了四次載人飛行任務(wù)，均成功登月了。但是自1972 年12月美國“阿波羅17號(hào)”飛船返回地球之后突然中止，說停就停，而且從此美國再也不愿意登月了。既然誠如我們所知，月球是一個(gè)取之不盡，用之不竭的能源寶庫，那又何故美國不再登月呢？

　　上網(wǎng)查詢，中文網(wǎng)站上找不到任何官方聲明（也許是無人翻譯這方面的官方說法），以至于網(wǎng)上布滿了各種猜測、懷疑和陰謀論。似乎美國并沒有登月成功過，一切都是造假；又說外星人就在月球的背面，由于外星人不歡迎地球人登月，所以，40多年來，美國人不敢再次登月。

　　這些都是站不住腳的奇談怪論，而且中國人最熱心于炒作這類無厘頭的事，雖然原創(chuàng)仍然還是來自海外。但是中國人與外國人不同，一旦抓住就不放，喜歡把人家的冷飯一炒二炒三炒，炒上無數(shù)遍，津津樂道于其中。猶如炒美國大選丑聞一樣賣力，兜售得熱心過頭，不知疲倦。棄自己國家到處千瘡百孔于不顧，也要把美國搞臭，搞得人人恨而后快為止。長期以往，也使得中國人普遍判斷力低下，腦殘的人越聚越多。人家有愚人節(jié)，我們則是天天過著愚人節(jié)。

　　話再說回來，為什么美國再也沒有興趣登月了？以我的分析，合理的解釋，有下列幾種原因。

　　1、美國當(dāng)年之所以制定這一套阿波羅登月計(jì)劃，純粹是為了和蘇聯(lián)進(jìn)行竟賽，是為了在太空領(lǐng)域趕超蘇聯(lián)而特意量身定做的計(jì)劃。在蘇聯(lián)領(lǐng)先完成了第一顆人造衛(wèi)星和第一次載人太空飛行之后，美國要趕上去，所以特別看重登月計(jì)劃，希望以此超越蘇聯(lián)。在6次登月成功之后，美國發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)遙遙領(lǐng)先于蘇聯(lián)，蘇聯(lián)不可能再趕上來了，已經(jīng)充分向世界證明了美國強(qiáng)大的科技實(shí)力，再為此浪費(fèi)大筆經(jīng)費(fèi)繼續(xù)搞登月，也就沒有實(shí)際意義了，于是才取消了這個(gè)計(jì)劃。此時(shí)也正值尼克松水門事件爆發(fā)，鬧得二黨爭執(zhí)不休，后來繼任的福特總統(tǒng)十分平庸、無所作為。直到卡特之后的里根上臺(tái)，才制定了星球大戰(zhàn)計(jì)劃，最后搞垮了蘇聯(lián)。

　　2、美國是一個(gè)極其喜新厭舊的國家，美國人熱衷于首創(chuàng)，不愿意踩在別人成功的后面重復(fù)去做相同的事情。中國人恰恰相反，只想不費(fèi)腦子、不冒風(fēng)險(xiǎn)重復(fù)別人做成功的事。正所以國民特性不一樣，美國人總想撐能，探索人類從來沒有涉及過的領(lǐng)域，以此展現(xiàn)智慧，以飽滿的熱情，創(chuàng)造了前人所沒有做過的一個(gè)個(gè)的奇跡。放棄登月是為了探索整個(gè)太陽系更大的計(jì)劃，例如對火星、土星、木星、外行星等等探測計(jì)劃。畢竟國家財(cái)力有限，必須用在更有突破性的地方。

　　3、雖然月球表面有開發(fā)利用價(jià)值的鈦、鐵等14種元素，但從中也可以看出，能否獲取月球資源，并非是一件容易做到的事。否則，憑美國成熟登月的技術(shù)，要想獲取那里的資源，應(yīng)該比任何一國都要容易得多。美國不再登上月球，正說明了那里的資源取之困難、得不償失。這是給其它國家敲了一個(gè)警鐘，所以宇航業(yè)老二的俄羅斯，才不會(huì)熱衷于大興登月計(jì)劃。只有一向木納的中國不知其味，扁著頭要去干別人做過的事情。即使花上九牛二虎之力，成功登月，也不會(huì)超過美國獲得的榮譽(yù)更偉大，讓世界更值得敬佩。

　　之所以難以開發(fā)利用月球表面資源，仍是因?yàn)楦冻龅某杀咎?。地球的逃逸速度?1.2千米/秒，月球與地球平均距離為38萬公里。為了脫離地球重力的捆綁，一般現(xiàn)在所使用的化學(xué)火箭效率并不高，以為人熟悉的阿波羅11號(hào)登月任務(wù)所使用的土星5型火箭為例，火箭重量的90 % 為燃料，真正登月艙的重量只有10 %；而登月艙本身的61% 也是燃料，這樣才可以讓太空人登陸月球，和讓他們離開月面返回地球。然而，隨著太空探測船重量和目的地距離的增加，所需的燃料卻以指數(shù)方式地上升，如前往土星的卡西尼探測船，發(fā)射的泰坦4B 型火箭，當(dāng)中 99.5% 重量均為燃料，可想而知，化學(xué)燃料推進(jìn)是多么低效率的方法，怎么可能會(huì)帶回更多的月球資源呢？

　　除非有下面這種可能實(shí)現(xiàn)，不過目前仍是一種設(shè)想——科學(xué)家透過數(shù)學(xué)方法發(fā)展出一套可以用極少燃料甚至是零燃料便可以在行星中穿梭的方法，稱為“行星際傳輸網(wǎng)絡(luò)”。就像橫渡越海洋的船只借助洋流一樣，天空中也有類似連接起行星的管道，只要探測船進(jìn)入了管道，推進(jìn)探測船就不須能量，便會(huì)沿管道滑行在太陽系中穿梭。形成這無形管道的力量，就是宇宙間的萬有引力。

　　以太陽和地球?yàn)槔?，太陽和地球之間的重力在5處不同的地方剛好互相抵消，稱為拉格朗日點(diǎn)L1 - L5，物體可以停留在拉格朗日點(diǎn)中而不受重力影響，即使點(diǎn)中沒有物質(zhì)，物體也可以圍繞拉格朗日點(diǎn)公轉(zhuǎn)。選取適當(dāng)?shù)某跏妓俣?，探測船便可以由地球到達(dá)繞L1 或 L2 的軌道，這些軌道的集合形成了行星際傳輸網(wǎng)絡(luò)的管道。數(shù)學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在兩顆互相公轉(zhuǎn)的天體，總會(huì)存在這些管狀的曲面，當(dāng)物體位處管上，便會(huì)被驅(qū)往或驅(qū)離 L1或 L2。在管上行走，不用能量，重力自然會(huì)把物體送到目的地。

　　當(dāng)不同行星之間的管道在重力之舞下連接，物體更可由一條管道跳往另一管道，因此，在精密的數(shù)學(xué)計(jì)算下，行星間的管道可以變成一條行星際的高速公路，讓探測船在行星中穿梭?？茖W(xué)家正考慮，在未來的日子，首先在地月之間的 L1 點(diǎn)興建永久的中轉(zhuǎn)站，成為往后前往各行星旅程的起點(diǎn)，那么，到太陽系旅行，就不再是夢想了。不過目前這種利用引力流和太陽風(fēng)的“星際高速公路”仍舊是一種幻想而已。

　　當(dāng)下的宇航工程，說是各國都有登月計(jì)劃，那應(yīng)該是量力而行，它們繞不開國會(huì)與在野黨的監(jiān)督。例如：日本計(jì)劃2017年前機(jī)器人登月；韓國計(jì)劃與美國航空航天局合作，在2017年發(fā)射試驗(yàn)用軌道船；印度2020年將發(fā)射載人飛船；歐盟計(jì)劃在月球上建立一個(gè)穩(wěn)定的空間站，以后在那里訓(xùn)練人們?nèi)绾卧诨鹦侵?。而另一個(gè)航天大國的俄羅斯，并沒有醞釀什么大動(dòng)作。這說明開辟航天事業(yè)并不一定非要從登月一步步做起。

　　從探索太空意義上來講，我認(rèn)為，目前美國人探索太空的目的，是為了要解開人類一個(gè)個(gè)宇宙之謎，并為了從中創(chuàng)造許多新技術(shù)、新產(chǎn)品、新理念，所以他們放開宇航業(yè)給私人企業(yè)競爭；而中國探索太空，雖然也有后者用意，但更重要的還是政治意義為主——為了證明自己是一個(gè)舉足輕重的大國，也包括研制如航母等其他派不上大用場的大項(xiàng)目、大工程。

月球反面

　　月球正面

一握此手，一生朋友)