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女王艾莉塔的召唤—苏联/俄罗斯探索火星的征程(六)  

2012-05-02 01:25:45|  分类: 科普长廊 |  标签: |举报 |字号 订阅

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       拉沃契金独立出来后,面临着更多的挑战。1965年,经政府批准,决定停止OKB-1的第一代探测器的生产和改进,开始开发第二代探测器。按照最初的设想,OKB-1的设计师们最后完成金星-3号/4号任务,而设计新飞船的任务就交给拉沃契金。一开始,拉沃契金的设计者们抱着虚心求教的态度不断与OKB-1的人交流,希望能得到OKB-1的宝贵经验,但是慢慢地,问题逐渐地表现出来,双方在探讨设计原则和方法的时候暴露了诸多差异,按照巴巴金的观点,OKB-1的很多问题导致了OKB-1的设计效率低下,失误太多。而美国的“水手”计划的实施,不仅是他们的竞争对手,也给了他们很好的启示,例如,美国水手4号传回的数据表明,火星表面附近大气压低于0.09,而OKB-1原来设计的登陆器耐压为0.1-0.3大气压,为此巴巴金建议修改设计,研制以软着陆方式的登陆器,从而可以增加登陆设备载荷,以改进其搭载仪器和探测器性能。但是这样,也意味着要推翻OKB-1的许多设计。

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 踌躇满志的切洛梅

       另外就是此时OKB-1的老对手,也是拉沃契金前段时间的老东家、切洛梅的OKB-52已经研制成功了新的“质子号”火箭,其在预定轨道可以提供的有效载荷达到17-20吨,这几乎是同时期改进型三级“闪电号”火箭的2倍,而这就意味着可以设计更大更先进的探测器。

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1966年以后,切洛梅的质子号开始取代闪电号,成为苏联/俄罗斯空间探测器发射的主力

       1966年3月22日,巴巴金提出了新的第二代探测器发展规划:重新设计研制新的飞船,以实现在1966-1973年期间的金星和火星科学探测。详细的规划主要是:
1、使用3级助推器的质子号运载火箭将航天器发射进入预定轨道;
2、采用下降-飞掠器和下降-轨道器设计,增加登陆车辆的重量以提供可靠的着陆并安置更多的科学仪器在行星表面;
3、轨道校正系统设计成通用推进系统,实现登陆器在行星2000公里近心点和不超过40,000公里远心点的椭圆卫星轨道上发射。推进系统采用多用途模块设计;
4、飞掠探测器或者卫星采用100比特/秒的速率从登陆器向地球转发数据;
5、从飞船向地球传送科学数据的速率达到4000比特/秒。
       第二代火星探测器承担的科学任务包括:
1、测量火星温度,压力,风的速度和方向来判断火星表面特征。测量火星大气中的化学成分参考值,有人提议,1969年发射的一个着陆器用于测绘火星大气压力和温度的轮廓线;
2、在选定的地点执行软着陆,使用着陆器获取火星表面的图像,研究其地势和植被;
3、测量火星土壤(成分,硬度,温度等)参数;
4、测量的辐射和火星表面的磁场强度;
5、探测火星土壤中微生物的痕迹;
6、研究火星上层大气;
7、探测详细的火星光谱分析;
8、获得从飞掠器上拍摄的火星-月球图像,以确定其形状、大小和反照率;
9、从人造卫星获得火星表面的图像,以了解“海洋”和“运河”的性质,并获取在火星表面上季节变化的信息。

       按照规划,新的火星探测器将在最近的发射窗口,也就是1969年3月发射,给了拉沃契金设计局的时间只有3年。为此,拉沃契金的工程师们全力投入。但不幸的是,由于温度控制系统的制造问题,1966年3月的金星-2号和金星-3号位能圆满完成任务,而苏联政府为了和美国新的探测器计划开展竞争,此时又下达了在1967年6月新的金星发射窗口进行发射的任务,留给设计局的只有13个月时间,为此他们又不得不投入到新的金星探测器研制中。

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左:金星-2号;右:金星-3号
       同去火星的兄弟相比,1965年11月12日发射的金星任务的3MV表现不错,其中金星-2号于1967年2月27日掠过了金星24000公里高度上空,由于入轨极为精确,甚至中途都没有校正。但金星表面既干燥又焦热,表面温度可达425℃,大气压力是地球的20倍,由于接近金星时过热,导致金星-2号散热器系统工作不正常,使无线电通信系统受到影响,在经历了26次无线指令传输磁带记录仪上的数据未果后宣告失败。最杯具的是探测器完成了正常的科学实验数据记录和拍摄,但因为无线电系统不能正常工作未能发回。11月26日发射的金星-3号携带了334公斤的着陆器,在1966年12月16日成功进入轨道,1966年3月1日,其登陆器向金星发射,但没有传回数据,估计是由于降落时候撞毁。其上携带有苏联国徽和地球模型,金星-3号成为第一个抵达金星的地球人造物体。
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苏联人扔到金星上的东西
        1967年6月12日,拉沃契金设计的金星探测器“金星-4号”成功发射。同年10月18日进入金星大气层,“金星-4号”的着陆舱直径1米,重383公斤,外表包着一层很厚的耐高温壳体,设计极限压强为25个大气压。着陆舱进入大气层后展开降落伞,在降落伞的作用下缓慢下落,探测数据及时发送到轨道舱,然后返回地球。当着陆舱下降到距离金星表面为24.96公里时,信号停止发射。估计由于金星大气压力过大导致着陆舱被挤瘪了。但是在它穿过大气层的94分钟时间里,测量了大气温度、压力和化学组成,并发回了数据,仍然取得了成果。
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金星-4号外型 
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左:黑色部分为登陆舱;右:登陆舱外型 

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为庆祝金星-4号发射,民主德国发行了1张纪念邮票

       金星-4号的成功让巴巴金松了一口气,但是遗憾的是科罗廖夫已经无法再看到他未竟的事业了,伟大的苏联航天之父在1966年的一次小手术中意外辞世,带着他一生追逐的征服太空、探索宇宙的伟大梦想离开了。
       接着拉沃契金设计局又开始投入紧张的工作中,他们要赶在1969年的最佳发射窗口前研制下一代火星探测器,时间很紧张,只有20个月。其实巴巴金一开始反对仓促地进行,他希望能进行深入详细的设计研制,但被政府否决了:这是政治任务!政府计划的1969年火星探测任务是:发射轨道器探测火星;发射探测器进行火星大气数据收集。
      当时他们已经完成了第三代月球探测器的设计,为了节约成本,有人建议在月球探测器设计基础上略加修改,研制新的火星探测器。1967年11月,巴巴金批准了新的火星探测器计划,代号M-69。计划将发射2个航天器,进行以下任务:
1、获得星际空间信息;
2、研究火星环境;
3、检验新的新的机载系统性能和建造飞船的新材料可靠性;
4、收集可用于1971年在火星表面上软着陆期间的相关信息。

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第一版的M-69模型,是在第三代月球探测器的基础上改进设计

       第一版的设计很快就在月球探测器的基础上完成了.然而在后来的试验中发现了许多问题。首先,因为这个设计是针对月球探测计划,所以燃料储罐的位置没有考虑很多因素,但是由于火星探测路途遥远,随着燃料的消耗将导致飞行器的质心不断偏移,这将使姿态控制复杂性增加;其次,因为不规则油耗,发动机推力偏心将增加,因此,预测飞行轨迹的准确性将下降;同时为机载仪器提供温控将更加复杂。更致命的是燃料箱的密封设计存在缺陷,经过几个月的测试后发现弹性膜性能退化导致泄漏。这一切使得巴巴金决定:重新设计,重点在于改进燃料供应系统。这时他们只有13个月的时间了。

       但是困难没有压倒拉沃契金的设计团队,反而激发了大家的活力。很快新的设计就出来了,这就是第二版的M-69。

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       同第一个设计相比,最大的变化就是将球型燃料箱位置转移到飞船中部,一个内部挡板将燃料箱分隔为2个部分,分别储存燃料和氧化剂。每个部分都安装了金属膜和阀门以提高密封性并更好地实现控制功能;两个密封圆柱状的仪器模块,分布在球罐两侧;大灯状的着陆器模块安装在球罐上方,仪器数量和参数以及最后飞行轨迹的设置都没有改动。整个飞船重量为3,834公斤,包括了260公斤着陆器。

       象以前的设计一样,飞船上携带了众多仪器,为了研究火星大气层,计划在登陆器上安装气体分析仪,以及压力、密度和温度探测器。飞船上安装的科学仪器的总重量为99.5公斤。这个数字包括在着陆器上安装的科学仪器(15公斤)的重量:

1、磁强计;
2、陨石探测器;
3、低频辐射探测器;
4、带电粒子探测器;
5、宇宙射线辐射带探测器;
6、低能量离子谱仪;
7、辐射计;
8、多通道γ谱仪;
9、H和He质谱仪;
10、X射线光度计;
11、紫外分光光度计;
12、红外光谱仪;
13、带3种焦距镜头的摄象机(35,50和250毫米)。

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左:带有4个滤光片的转轮;右:摄象机观测窗口,密封保护以减少射线辐射造成胶片失效

       这是一种设计独特的摄象机,由一个摄像头(或两个摄像头共享)通过一个可旋转玻璃滤光片轮(红,绿,蓝,透明)拍摄彩色照片, 每个滤光片都有一个特别设计的160张图片的胶卷。由于这些胶卷在抵达后才化学激活,所以它不会被长途飞行中的宇宙辐射所破坏。图像以1024×1024分辨率的进行扫描,并以6 GHz的脉冲位置调制方式传输。特别值得一提的是,在该系统中,首次应用了由苏联微电子专家根纳季·雅科夫列维奇.古斯科夫设计的数据编码器,这是苏联航天相机第一次应用了数字技术,该仪器由有“苏联硅谷”之称的泽廖诺格勒(“绿城”)"ЭЛАС" 微电子工厂生产。
       1968年,苏共中央和苏联部长会议联席会议为了推进火星探测计划,通过了一个被称为VPK决议的方案,按照这个方案,各部门必须严格按照计划进度执行,务必在1969年3月24日实现第一个探测器发射,4月2日实现第二个探测器发射。这个决议明确宣布:不能按计划完成的单位将受到处罚;提前完成的则给予奖励。
       面对这种没有道理可讲的行政命令,巴巴金知道反抗只有死路一条。所以他开始积极动员,督促各项工作。那个时候,他每天就是连轴转地来回在各部门奔波,协调解决各种问题。由于金星-4号的成功,他心里有了底,他非常相信他的团队,因为这个由拉沃契金亲手建立起来的团队非常年轻,充满干劲。50年代时候拉沃契金为了发展新事业,从鲍曼高等技术学校、莫斯科航空学院和喀山航空学院招募了一批年轻人从事星际探测器的研发,正是这批人成为拉沃契金的骨干,他们年轻、有朝气,充满活力,正是他们完成了金星-4号的设计任务。但是航天工程显然不是光靠热情和年轻就能解决的,他们的压力很大。
       在这个时候,苏联航天工业“沙皇”,-谢尔盖.阿法纳西耶夫给予了他们大力支持,要知道,他是拥有100万员工的苏联中型机械工业部长,要管理如此众多设计局的事务,没有两把刷子是不行的,尤其是在苏联军事工业庞大而又隶属关系错综复杂的情况下实现高效率的运作,没有他的支持和帮助,几乎是不可能的,所以各个设计局的老总们无不把这个老大奉为上宾。
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谢尔盖.阿法纳西耶夫
       长期混迹于苏联官场的阿法纳西耶夫深知这个VPK决议会对拉沃契金设计局造成什么样的压力,因此在后期工作中给予了大力支持。在他的帮助下,奥伦堡、鄂木斯克等地的工厂开始按照拉沃契金设计局的图纸生产燃料箱、推进系统和登陆器模块等分系统。经过多方努力,终于完成了各分系统任务。由于缺乏振动测试系统,组装好的M-69被运至位于列夫托夫镇的机器制造联合体的测试中心进行整体工艺测试。

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正在拉沃契金设计局车间里组装的M-69,冷凝器的S型弯管清晰可见
       起初,设备一切正常,但是在经过一段时间的振动测试后,仪器舱模块开始发出噪音,当停止试验打开舱门,设备看上去很正常。但是当再次进行振动试验时,噪音越来越高如同吹哨。到振动试验结束后拆开仪器舱,一切仪器设备似乎仍然完好。就在这个时候,一个登陆器上微型发动机掉落下来,人们终于找到了原因:由于登陆器发动机材料金属结构疲劳导致老化,断裂!
       这个问题引起了大家的重视,负责航天器材料的部门开始重新寻找解决办法。但是由于时间紧张,巴巴金尽决定不做冒险,因为此时的登陆器重量已经超过了设计要求,如果材料强度问题不解决,登陆模块就无法适应新的发射要求。
       到1968年第三季度,M-69的进度已经滞后,如果不能按期完成,发射任务不可避免地会拖到1971年,而这是苏共中央不能容忍的。所以,1968年,拉沃契金设计局整个笼罩在一种极为紧张的气氛里,那个时候设计局所有人,从老总到厨师都投入到一种会战式的环境中:大家分组轮流每天休息几个小时,床铺就搭在车间和实验室里;餐厅也要求必须24小时开放,而且大家被告知没有加班费!(能按时完成任务就是最大的奖励了,如果任务失败,每个人都要追究相关责任!!)
       即使是这样,负责飞船科学仪器模块的全苏空间系统研究所仍然没有完成计划,他们负责的第一个探测器的姿控系统模块就拖后交付,当这套系统开始交付测试后,科学仪器模块和数据处理系统也差不多拖后1个月才完成,最后交付的设备是在1968年12月31日上午11点!1969年1月中旬,第一个探测器测试和第二个探测器装配全部完成。为了节约时间,设计局决定将发动机工厂测试和地面测试合并完成,设备被运往拜科努尔发射场。
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N-1 火箭:砸碎在拜科努尔的梦想
       就在他们来到拜科努尔进行测试的时候,2月,苏联登月计划中的最大最关键的N-1火箭开始了发射准备。这个承载了科罗廖夫梦想和心血的火箭于1969年2月21日发射。但是由于燃气发生器意外地高频振动,一处导管裂开,导致发动机失火。火势延伸到发动机控制系统,在飞行68.7秒后,发动机停机,火箭在发射69秒后在12,200米高空爆炸。
       N-1的失败给大家的心里带来了一丝阴影:仓促中的M-69能成功吗?
       预计分别发射的M-69已经有了代号:“火星1969A”号和“火星1969B”号。由于登陆模块的发动机金属强度问题,这两个航天器最初被计划在火星轨道收集三个月的火星图像和数据,2台设备无论体积还是携带的设备都比美国的要大,因为苏共对它们的希望很大。
   1969年3月27日,“火星1969A”按计划发射,推动它的就是质子火箭。但就在发射7秒后,运载火箭第三段上的发动机关闭并爆炸,残骸坠落在阿尔泰山区;
      1969年4月2日,接下来的“火星1969B”则是在火箭抬升时失败。发射时,它的6个主发动机中的一个爆炸,但余下的5个发动机仍继续进行着发射。之后25秒,火箭偏向水平位置,5个主发动机关闭,压向地面;发射后41秒,“火星1969B”爆炸在离发射地点3千米的地方。
       经过4年准备的火星探测任务就这样草草结束了......
(未完待续)
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