阿波羅是如何飛到月球的( How Apollo Flew to the Moon,W. David Woods)
航天系列的第二本"阿波羅是如何飛到月球的".這裡的"阿波羅"是其實是Project Apollo(阿波羅計畫)的簡稱,是美國航空暨太空總署從1961到1972年間從事的一系列載人太空任務,於1960年代的10年中,主要致力於達成載人登陸月球並返回地球的目標,實際執行發射的任務次數從阿波羅1號到阿波羅17號,於1969年阿波羅11號達成了人類登月的目標.阿波羅計劃是美國航空暨太空總署迄今為止最龐大的月球探測計劃,但計畫已於1972年底結束,人類至今已50多年未再有載人太空載具離開過地球軌道.直到近日,美國終於再公布了即將執行新的阿米提斯二號(Artemis II)繞月任務的四名太空人名單,將是50年後人類再度離開地球軌道的一次行動.
對我而言,這是一本適合的科普書籍.其實尋找合適的科普書籍不易,相當兩極化.常見的是將"科學"內容簡化,甚至於把科普書籍給人文化,表面上讀來很輕鬆,但實際所得極其有限,甚至說有如雞肋,比如很多寫人工智慧的書籍都是如此.另一種則是拉高調子專業過度,而自己當前沒有能力去看通這類書籍,前面看的"理解天"多少有這樣的味道."阿波羅是如何飛到月球的"是本論述焦點集中,科學依據解釋清楚,不論是深度或是簡單的問題與現象,作者都能用相當直白的語言來解釋,而書的結構與次目的安排是循著登月計畫的步驟進行的,完全沒有阻滯感,對我而言既不會太過表面化,也不會難到讓讀者理解不了.
新的正進行的阿米提斯二號計畫並不是要登陸月球,僅僅只是繞月,進入月球軌道繞行,NASA 的阿米提斯計畫(Artemis Program)是預計在2025年登月.這個做法其實完全承襲了阿波羅計畫,我們都知道阿姆斯壯等人的首次登月是1969年7月的阿波羅11號發射任務中來完成的,但實際上整個阿波羅計畫始於1961年,NASA一開始就不是莽撞的要直接登月.而是採用分段循序漸進的方式將整個登月計畫的過程切成從A到J共10個階段,其中的人類登月初步的漫步是在第七階段也就是G段執行的任務,而每一次發射計畫只執行其中的一段任務,因此從阿波羅1號開始到阿波羅11號才進展到G段任務,其中A任務是用來測試評估火箭是否能夠勝任飛行任務,並測試指令艙能否安全的重返地球,B任務則是在A任務之火箭上加上了一個登月艙,直到C任務才會有一名太空人被放進指令勤務艙中隨著火箭升空進行遶地球軌道飛行並安返地球,到了D任務則是加到三名太空人與登月艙進入地球軌道,E任務則是基太空船飛離地球較遠的位置,以便測試溫控,通訊,導航系統,直到F段任務太空人才真正的將太空船飛到月球軌道,但並不登月,至於I任務中太空人將進行漫步的時間延長,而J任務則將太空船停留在月球的時間延長,後來被取消的阿波羅18到20的任務都屬於J任務.
阿波羅計畫原先不過是政治人物為了對抗蘇聯探測太空領先要追趕的政治目標,儘管如此,美國人卻也不完全的腦熱,載人太空船飛行的實際危險相當的高,首先火箭看似是能發射飛行讓人進入太空外的飛行器,但它實際構造宛如一顆把人綁在頂部的的大炸彈,因為使用的液態燃料本身的不穩定性,任何微小的雜物,或擾動都可能引發火箭燃燒的不可預期性,極容易產生不穩定的爆炸.其次為了減少過度負載必須仰賴的超大型火箭系統,增加發射進入太空這段火箭飛行期間的不可預期性,太空船的負載物與材質選擇考量上都必須在兼顧耐用防護與重量兩個條件上取捨,或說取得平衡,因此太空船的許多部件可能容易因外力作用而遭到損傷,如此便可能引發不可預期的危險.在阿波羅計畫的歷史上,阿波羅1號與阿波羅13號就是2次曾經發生意外的發射,其中阿波蘿1號正是因為爆炸起火造成三名太空人全數喪生,起火的原因是指揮艙內的導線發生短路燃火,而阿波羅指揮艙內使用的百分之百氧氣又使火勢加劇,加上太空人脫離進入救生座艙的艙門需要九十秒鐘才能打開,這場火災導致太空總署重新評價阿波羅太空載具艙內所使用的材料,並對指揮艙進行了大規模的修改.至於阿波羅13號的事故後來被拍成電影.阿波羅13號在計劃中是第3次登月的任務,由於太空船在抵達月球前發生了氧氣罐爆炸,電力和氧氣均大量損失,所以登月計劃被放棄,三名太空人最終成功返回地球.從這些過程中,我們能看出,雖然NASA面對未知的探空風險探索採取的Try an Error的方式,畢竟在不知道把一個生物送上太空會發生甚麼事情下,邊做邊猜邊學邊執行邊精進是個基本態度.但它也不是完全盲目的猜測,因為涉及到龐大的預算經費,與寶貴的太空人力,他們採用了分段進行的模式,在每一次的任務後都對實際執行的成果或失誤有著詳盡的探討,找出問題的核心,防止再出問題,或者對於未知不明的狀態採取保守的措施應對.一個簡單的例子是,早期NASA訓練太空人是從戰鬥飛行員中來挑選,但隨著探索任務轉型以科研為主,他們就會轉變選人原則,改為找尋在科學家中身體體力條件能夠承受太空飛行負荷的人才,並對其施以飛行訓練,這樣便擴張了太空人招募的範圍與方式,同時縮短了所需人才的養成時間.
從本書可以很清楚的看到航天是個龐大的系統工程,絕不可能靠幾人的力量就能完美執行.以阿波羅火箭來說,它的三級火箭其實是由三家不同的公司來設計製造的,除了各自部份的設計外,還要考慮到整體結合後的狀態部分,因此火箭雖是一項高科技的產物,何嘗不也是一種高度生產管理結合的產物,需要極其細密的管理科學在其中彙總.從重量,推力,發射飛行過程中可能發生的問題,如控制轉向,擾動,共振,這些細節內容在本書都有很詳盡的說明介紹,並不是單純的以科學性的公式來表現,同時會用最簡單的文字來說明某些狀態況發生時可能產生的相關問題與影響,或者後續的飛行將如何進行,對於太空人有何種影響,甚至很清楚地說明了液氧,液氫注入燃燒後的特性,可能誘發爆炸的因素,條件,發動機如何運作,第一級與第二級火箭中的發動機和有不同,為何有這些差異,火箭燃燒完畢如何脫離,轉角,調度.太空中的通訊為何是目前的狀態,軌道飛行如何地點火,調教.本書的面向將焦點集中於實際任務的過程,從火箭的發射,點火升空,事前的準備工作,起飛前的各種狀態,各單位的工作內容,發射架上的配置,運作,姿態,到發射倒數前可能正在進行的檢核,檢查項目,甚至連發射時發射架的移動,距離,為何如此擺設都有詳盡的解釋,到起飛,至穿越大氣層這段期間該有的調整,火箭的脫離,火箭的設計,兩級火箭間的點火連續性問題,還有太空人即將面對的生理挑戰.待太空船進入了地球預定地軌道,如何的進行環繞,在何處準備開始進行脫離地球轉向邁向月球的航行,與接近月球軌道時該如何尋找切入位置進入軌道,火箭該如何運作,你有疑問的或是沒有想到的部分,本書都透過整個從發射到登月到返程到再入大氣層整個過程來解釋清楚,全程毫無冗餘,滿滿的知識感.
登月的過流程程設計並不是一開始就是如此的,原先有三種設想,第一種簡稱為直來直往,就是將所有的載具都安裝在火箭上,從地球發射後突穿大氣層便直飛越月球下降登陸,這種方式並不需要繞地球軌道,但是它的重要核心是需要一個推力超級強大的火箭,如此才有動能負載所有的設備到達目的,同時有要有足夠的火箭推力能從月球升空返回地球.但是這個驚人推力的火箭有其難度,也有相應的風險.於是另一種提議就被放上檯面,稱之為分進合擊,簡單說就是利用較小型的火箭多次發射將不同的艙位送至太空,並於地球軌道組合後再飛行至月球登月,但這種方式太過麻煩,於是便有了第三種方式,便是先考量在整個部件系統中最終只有指令艙要返回地球,所以便設計了一個中等能力的火箭將指令艙服務艙登月艙組合的太空船部件送至軌道,其中的登月艙最後會棄置在月球越軌不會帶回地球,服務艙也會在返回大氣層前棄置在太空中,這個流程決定了整體需要的火箭型態,數量,發動機型態,各部艙位的設計與需要.這個流程選擇的變化結果其實是很好的一次工程作業的探索功課,對讀者而言更能明確的知道整個登月的方式是如何從無到有逐步地建立起來,又逐步依循需要的選擇最優勢的方案.也是看了本書,我才知道登月的時候,只有登月艙會登月,這期間指令艙會繼續遶行月球軌道,所以上面必須要留守一位太空人操作,他實際上並沒有真的踏上月球表面,而是在月球軌道上等著完成登月任務的登月艙載著登月太空人回返後控制將兩個艙位對接,接回了太空人,再於返程前拋棄登月艙,阿波羅登月計畫的細部是個看來複雜的分段一連串實驗過程.但是到了現在新的阿米提斯計畫時,這一連串的過程被簡化了,阿米提斯1號目標在測試新的火箭,而預計在2025年到了阿米提斯三號就要直接登月了,中間的軌道測試已經有了過往的經驗,畢竟已經有阿波羅的經驗擺在哪裡,現在只是對於新載具與火箭的狀態再做確認性的測試便能夠繼續執行.
雖然本書並沒有給予甚麼偉大或令人深思的觀點,但個人以為這本書是值得讀的,至少我知道了單純的發射一枚火箭與真正能夠施行全方位航天探索間其實有段不小距離.除了是一個花大錢需要高資本的活動外,還是各種精密尖端科技,工業,管理結合的系統工程,真的不是一個小國能負荷的,對小國而言應該是從航天的領域中找到一小塊目標或一個子系統作為切入點,才是較適當的選擇.以上.
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