苏联探月工程最后的任务——从采样器到月球车

(题图:苏联画家笔下“月球步行者-1”号月球车在月表行驶时的场景)

上世纪60年代末至70年代初,苏联探月乃至整个航天事业连遭打击。先是科罗廖夫的逝世让整个ОКБ-1设计局失去了灵魂人物。接着设计局苦心研制,用于登月计划的H-1大推力运载火箭先后四次试射失败。于此同时,美国于1969年在全世界的注视下成功实现了载人登月,自太空竞赛拉开战幕以来,首次超越苏联。加上不同设计局之间的重重矛盾,苏联版的登月计划已经处于十分尴尬的境地。此时苏联航天人不得不面对一个看似简单而又令人纠结的问题:接下来该怎么办?

一.残局

自阿波罗11号成功登月后,苏共中央就认为再继续实施载人登月项目已无任何现实意义可言,为在将来的太空竞赛中扳回一局,须将工作重心转向新开发的太空站项目上。但ОКБ-1设计局手头上仍有剩余的“探月组”项目有待完成,虽然在科罗廖夫最初的构想里,“探月组”的工作实质上是为未来的登月项目做准备,但载人登月计划的濒临流产并不代表探月计划就此寿终正寝。设计局此时的思路是,倘若将“登月组”的科研力量全部投入到“探月组”里,集中发展无人采样器和无人月球车等项目,或许还可以为苏联在月球上挽回一点颜面。至少不会让月球就此成为美国人独占的舞台。设计局的提议得到了苏联高层的认可,于是在载人登月被无限期延后的时日里,探月计划却依然能稳步推行。这对于苏联航天而言,算是不幸中的万幸。

当然,探月项目保住了,不代表此后的路会一帆风顺。ОКБ-1和ОКБ-301设计局(即原来的拉沃契金设计局)此时对进行中的“月球采样器”项目颇有些一筹莫展。由巴巴金设计的E-8-5型采样器是苏联首款第三代月球探测器,它的核心任务是:实现在月表的软着陆后,对月球土壤进行采样收集,并将样本送回地球。采集月球土壤对于阿波罗计划中的登月航天员而言不过举手之劳,比如首次登月的阿波罗11号在返回时候就一次性带回了22kg的月壤。但对于需要依托远程遥控的无人采样器而言,任务就要复杂很多。从软着陆,到实地采样,再到携带样品返回,每一个步骤都存在巨大风险。

E-8-5型采样器主要由两个单元组成:一个是下降单元,用于实现软着陆。另一个是上升单元,用于脱离月球。这一套设计非常类似于阿波罗登月舱。巴巴金为下降单元选用了ОКБ-2设计局(也被称为伊萨耶夫设计局)设计的КТДУ-417火箭发动机,这款发动机原本是为了苏联版登月舱实现软着陆而专门研制的。750-1920kg的推力、4吨重的燃料和可变喉道喷管的设计,可以让采样器实现轨道修正、月轨切入、降落前制动等一系列复杂动作。ОКБ-2设计局的另一件产品КРД-61火箭发动机则被巴巴金选为上升单元的主发动机。为实现月壤采集的任务,巴巴金在下降单元增设了一只90cm长的内置空心钻管的圆柱钻臂,由一根旋转臂连接。任务开始时,旋转臂伸开,将钻臂“扣”入地面,空心钻管的钻头随之启动并钻入月壤并开始采样(最多可钻入35cm深)。采样结束后,旋转臂回收并将钻臂上的钻头对准样本舱,将采集的月壤放入舱内。上升单元将携带样本舱脱离月球,返回地面。

E-8-5型月球采样器模型(左)以及采样器上升单元脱离月球示意图(右)

为实现这一套复杂的动作,采样器被设计的非常大。这是个高四米,底部跨度亦超过4米,重量超过5.8吨的大家伙,是当时世界上最大的无人月球探测器。从1969年6月14日,Е-8-5.402号机发射失败开始,一直到1970年秋“月球-16”号成功发射前,采样器却经历了5次失败。其中就包括紧随阿波罗11号后撞向月球的“月球-15”号,这无疑让已经被美国人抢去登月风头的苏联人更加愁眉不展。不过这5次失败中仅有一次探测器真正到达了月球,其余都是在发射阶段夭折——为E-8-5充当载具的质子-K/D型(Протон-К/РБ Д)运载火箭的可靠性实在令人担忧。

二.新生

在巴巴金的不断游说下,ОКБ-52设计局的切洛梅终于同意在对火箭进行改进的同时,进行几次亚轨道实验,以提高发射的成功率。由于此前的屡次失败已经将出厂的采样器全部报废,ОКБ-301设计局又得加班加点赶制出3架新机。终于,1970年9月20日,“月球-16”号成功登陆月球,登陆点位于月球“丰富海”(Mare Fecunditatis)内的平坦地区。在此后的26小时里,采样器各项任务进展顺利。“月球-16”号的钻头成功采集到约105g重的月壤,并将其小心翼翼地放入样本舱中。9月24日,上升单元火箭载着样本舱回到地球,并降落在今哈萨克斯坦境内的杰兹卡兹甘(Жезказган)东南一带的荒野上。地面人员迅速抵达降落点,将月壤样本取出,并送往莫斯科作进一步研究。

成功回收的“月球16”号样本舱(左)及其采集到的月壤样本(右)

苏联科学家从这一丁点月壤中得到了许多重要信息,比如:采集到的月壤样本中含有70多种化学元素,样本是粉末与颗粒的混合物,其中包含了部分玻璃化物质及类金属颗粒等等。不过相对于这些纯科研成果,月球16号本身就是一项巨大的成就,在地面人员的操纵下,探月器成功地完成了一系列复杂动作,以今人的眼光看不啻为一台探月机器人的雏形。然而相对于已经成功实现两次载人登月的美国阿波罗项目,月球16号的光芒要暗淡太多了。

在筹备采样器发射的同时,更富挑战性的月球车项目也在紧锣密鼓的进行中。实际上,月球车的研制工作要早于E-8采样器。

早在1963年年末,就在科罗廖夫为改进E-6型探月器而找到ОКБ-301设计局的巴巴金之前,他就向ОКБ-1设计局探月组人员下达了研制月球车的命令。起初没有任何车辆研制经验的设计局,只能向当时负责研制大型农用拖拉机的国家农业机械研究院寻求帮助。在按照ОКБ-1给出的一系列研制要求进行初步研究后,农机研究所负责人皱着眉头,以技术要求过高为由回绝了合作研制月球车的申请。到了当年年末,科罗廖夫又找上了列宁格勒的地面车辆工程研究所(Всероссийский научно-исследовательский институт транспортного машиностроения,简称ВНИИ-100),这个所拥有丰富的装甲车研制经验,冷战期间参与研制了T-64和T80等多款主战坦克。该研究所此时的首席工程师是一个名叫亚历山大· 科穆尔德兹安(Александр Кемурджиан)的亚美尼亚人,他是车辆工程领域研究传动系统的专家,却也对航天器的研究充满兴趣。当科罗廖夫提出合作意向时,他便毫不犹豫的答应了。

三.野望

在不到一年的时间里,科穆尔德兹安就完成了概念性研究,并提交了第一份设计图纸。1965年9月,科罗廖夫又把ОКБ-301设计局的巴巴金拉进月球车项目里,这两位苏联顶级工程师从此成为并肩战斗的同事。巴巴金在设计月球采样器的下降单元时,充分考虑了未来搭载月球车的可能性。而科穆尔德兹安也正式提出了两种月球车方案:A方案使用轮式底盘,B方案则使用履带式底盘。参与过主战坦克研制工作的科穆尔德兹安本人更青睐于B方案,它近似于坦克的车身拥有更大的载重量,而且底盘上的履带赋予了其优越的越野性能——这在布满陨石坑的月表是极大的优势。但原本计划用于搭载月球车的H-1火箭研制一再延误,在科罗廖夫去世后,月球车能够选择的大推力载具只剩下运载能力稍弱的“质子”-K/D型火箭。为匹配“质子”-K/D的运载能力,科穆尔德兹安最终圈定了A方案作为未来月球车的研制模式。

苏联月球车-1号的总设计师亚历山大· 科穆尔德兹安
作为未来月球车备选方案的轮式方案(左)和履带式方案(右)

1967年,ВНИИ-100制造出首辆缩比模型(即108A车),用于测试地盘的可靠性。当年108A被送到苏联远东勘察加半岛地区进行首次试验。后来苏联政府干脆在克里米亚中西部一片遍布瓦砾,地貌近似于月表的地区,开辟了一片名为“月面探测器试验场”(лунодром)的场地专供月球车试验之用。测试表明,108A车的地盘基本符合在月表复杂地貌上行驶的要求。

未来定型的月球车要比模型车复杂不少,而且块头很大,756kg的重量几乎是美国阿波罗月球车(重210kg )的四倍。庞大的身躯上一个形似倒扣澡盆的增压仪器舱塞满了各式科研仪器,比如激光反射器,X射线荧光分光计,宇宙辐射探测仪等等。同时舱内还装备有复杂的供电系统,温控系统和摄像设备(包括一部全景式照相机,两台前向电视摄像机)。未来在月表低温环境下保持舱内恒温,月球车还采用放射性同位素钋-110作为热源。该车采用太阳能电池板和备用蓄电池组合作为电力来源,太阳能电池板放置在仪器舱上面,形如龟背,月球车进入工作状态时会向后侧张开。整个车体充满了复古的感觉,就好像是直接从凡尔纳的科幻小说中走出来的科技怪兽。

第一辆月球车于1969年初组装完成,并迅速准备发射。遗憾的是,在1969年2月19日的首次发射时,“质子”-K/D型火箭的缺陷还未及时得到改进,火箭在高空因燃料泄露而爆炸,第一辆月球车还未冲出大气层,甚至还没得到官方的正式命名就被付之一炬。一直到1970年,新的月球车才被制造出来,并被正式命名为“月球步行者-1”号(Луноход-1)。

1968年在克里米亚试验场进行测试的月球车比例模型
"月球步行者-1"号月球车结构图

在研制月球车的同时,相关操作人员的培训也在紧锣密鼓的展开。这些操作人员不同于一般的地面指挥人员,也不同于一般的航天员。虽然他们不需要像那些航天英雄那般以身犯险,只需安静地坐在操作室内对月球车进行远程遥控,但他们承担的心理压力丝毫不逊于航天员:在地面的方寸之间,却要对远在月表之上的月球车的一举一动都反复拿捏推敲,稍微一点披露就可能导致月球车故障,乃至整个任务功亏一篑,科穆尔德兹安甚至戏称他们为“坐着的航天员”(сидячим космонавтам)。因为任务的特殊性,这些成员不能直接从航天员队伍里遴选。1968年,ОКБ-1设计局从战略火箭军中选拔了25名优秀的技术军官,虽然战略火箭军中的精英素以胆大心细,沉着冷静著称,但随后过于严苛的技能与心理测试还是让不少人顶不住压力纷纷弃权,最后通过测试的只有11个人。这批精英随后被派往克里米亚的试验场接受进一步培训。他们之中除了瓦西里·丘布金被选为替补成员,其余10个人被平均分为两个操作小组,他们将在之后月球车漫长的征程中进行轮换,以保证任务的效率。到培训结束后,苏联当局还给每个人颁发了一份特殊的驾照——月球车驾驶许可证

苏联月球车地面操作人员名单

月球车驾驶员维亚切斯拉夫·多夫甘获得的“月球车驾照”

1970年11月10日,在“月球-16”号发射成功不到两个月后,另一枚经过改进,并搭载着“月球-17”号探测器的“质子”-K/D火箭被推入拜科努尔的发射台。这艘拥有于月球-16号同款下降级、装载着月球步行者-1号的探月器,很快便冲出大气层,进入奔月轨道。在太空遨游了4天后进入绕月轨道。月球17号背着月球车绕行月球16圈,终于在UTC时间11月17日03:47平安降落在月球“雨海”(Mare Imbrium)内的一块平地上。不久,探测器下降单元的供月球车驶入月表的四道滑轨张开,最紧张也是最危险的时刻到来!此时负责月球车运行的是第一组成员,当月球车上的摄像设备启动,向地面传回第一幅画面时,月球车面前的滑轨赫然出现在操作人员的眼中。驾驶员根纳季·拉特波夫小心翼翼摆动着手柄,向月球车发出了第一道指令:“沿滑轨驶入月表”。

月球车运行期间,位于克里米亚的任务控制中心的场景

UTC时间06:47,月球车缓缓地从滑轨上驶下,成功接触到月球的土地——月球步行者-1号第一个任务宣告成功!遗憾的是探测器下降单元并未按照摄像设备,地面人员无法看到此时的月球车是何等威风:它携带着一面苏共党旗,一面苏联国旗以及一枚印有列宁头像的徽章,傲然注视着这片苍凉的异域。

在登陆日当天被月球车全景照相机拍摄到的月球-17号下降单元,右边的柱状结构是月球车高增益定向天线底部的支架。
月球车折返北向行驶时拍摄到的画面,画面上可以清晰看到新旧两条车辙

第一天在月球上亮相,月球步行者-1号行走了20余米,月表土壤上清晰可见的车辙成为苏联人在月球的首条足迹——尽管这些车轮的痕迹不及人类的足印更具有历史意义。接下来的日子了,月球车规律地作息:在规定时间段里向前行进几十米至百米不等,随后定时停下充电,定时进入休眠期。在1970年剩余的一个多月里,月球车主要向南部行驶,对附近的撞击坑进行初步勘探。不过在此期间它却第一次遭遇险情,12月10日,月球车被卡在了一处撞击坑的边缘,无论当时的驾驶员多夫甘如何下达指令,月球车都动弹不得,5人车组在耗费了9个小时后终于排除险情,把车子开到了平地上。

随后月球车的方向转向东南,在一片开阔地行走了300余米,最后在距离着陆点大约1400米处折返向北。两个车组虽然定时轮换,但成员除了在工作台前正襟危坐地操作外,大部分时间其实是聚在一旁的方桌前对下一步路线进行讨论,工作强度非常大。可偏巧这个时候,在任务控制中心外却聚集了一批想打听月球车进展的学者与科研人员——他们虽也都参与了探月工程的部分工作,但却从未亲眼见过月球车是如何行驶的。这群人中甚至包括了克尔德什,这位苏联科学院院士当时位高权重,颇有名望。任务中心无人敢拦他,在他的带领下,这群平时不苟言笑的学究们兴致勃勃地涌入任务中心,在控制室外开始围观。眼前是棘手的任务,背后是一群七嘴八舌的旁观者,这样的气氛实在让人不爽。站在一旁的巴巴金此时也顾不得领导的颜面,高声冲着克尔德什等人怒吼着,生把这些人给撵了出去。

成员组利用月球车休眠的间歇,分析传送回来的图片,加紧时间指定下一步的行走路线

四.尾声

到了第二年的4月8日,已经平安行驶了近半年的月球步行者-1号再次陷入到一个撞击坑的边缘,这次情况要棘手得多。这是一个颇有规模的大撞击坑。成员组使用吃奶的力气,将档位调至最大,才让月球车踉踉跄跄的走了出来,但为此消耗了大量宝贵的电能。进入5月份,月球车就开始显得电力不足,除了做一些例行的静态实验外,操作人员尽可能缩短每次行进的距离。8月5日,在月球车继续蹒跚向北行驶时,美国阿波罗-15号指令舱掠过了雨海上空。美苏两国的航天器第一次同时出现在月球的同一区域内。而就在此前两天,年仅57岁的ОКБ-301设计局首席设计师巴巴金突然去世,苏联的探月工程又失去了一位灵魂人物。

"月球步行者-1"号行驶路线图

1971年10月4日,月球步行者-1号电力与同位素热源全部耗尽,最终停在了距离着陆点约3公里的地方。在为期近一年的时间里,这台人类首个无人月球车总共在月表行进了10.54公里,共发回多达两万余张照片,为人类探索月球的事业写下了新的不朽的篇章,为日后其他国家的探月计划提供了宝贵的经验。苏联月球车取得的丰硕成果甚至让美国同行都羡慕不已,只是在那个阿波罗的光芒照耀世界的年代,苏联月球车的辉煌却被当时的人们有意无意地忽略了。

苏联月球车任务列表

1973年,苏联再次向月球发射了载有月球车(即月球步行者-2号)的探月器——月球-21号,并获得成功。而采样器项目还在同步进行,在70年代上半叶又先后发射了4次,其中两次获得成功,一次接近成功。不过此时的苏联已经无力在庞大的太空站项目之外,继续维持探月工程,况且美国的阿波罗计划也步入尾声,失去对手的苏联终于决定终止探月计划。1976年8月19日,当“月球-24”号采样器的上升单元携带最后一次采集的月壤样本离开月表,踏上规程后,曾经一度喧嚣的月球,霎时间沉寂了下来。

美国发射的月球勘测轨道飞行器于2012年拍摄到的残存在月球上的苏联“月球-24”号下降单元

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:知乎用户(登录查看详情)

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