阿波罗13号(1970年美国发射的登月飞船)

阿波罗13号（Apollo 13）是阿波罗计划中的第三次载人登月任务，于1970年4月执行。

1970年4月11日，阿波罗13号成功在佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心发射升空，发射后两天，服务舱的氧气罐爆炸，太空船严重毁损，大量氧气和电力损失，在太空中，宇航员面临生命保障系统损坏所导致的种种危险，三位航天员立刻展开自救。团队选择了让飞船绕过月球背面再返回地球的方案，并且明智地选择了不再开启服务舱的发动机，使行到返回轨道成为可能。在1970年4月17日12时08分，阿波罗13号溅落在太平洋，三位宇航员最终安全返回了地球。

美国航空航天局称阿波罗13号任务是一次“成功的失败”，因为虽然它没能到达月球，但也没有造成生命损失。

任务历程

任务背景

现实背景

阿波罗计划是20世纪中叶美苏冷战背景下，美苏太空争霸的产物。在与美国的太空竞争中，苏联先后发射人类第一颗人造卫星、第一个月球探测器、第一艘载人飞船，处于领先地位。美国深感这是一个极其严重的政治问题，于是决定实施载人登月，全面赶超苏联。

1958年7月29日，时任美国总统艾森豪威尔签署《美国公共法案85 - 568》，成立了美国航空航天局（美国航空航天局）。1959年，以沃纳·冯·布劳恩为首的专家组也划归到NASA名下。在NASA的统一组织下，美国先后展开了一系列太空探索活动，其中包括为阿波罗计划奠定技术基础的水星计划和双子星座计划。NASA成立后，水星计划是美国实施的第一个载人航天计划，该计划开始于1958年10月，结束于1963年5月。期间通过25次飞行试验，帮助美国掌握了载人飞船的设计经验，证明了美国有能力在空间环境中控制飞船。

任务进程

1960年7月，美国航空航天局和工业部门在华盛顿哥伦比亚特区举行的联合会议上，向外界公布了载人登月计划，该计划没有得到总统的支持。1960年11月，美国航空航天局要求政府增加载人登月项目的经费，结果计划再次落空，此时距艾森豪威尔卸任已不到3个月。

随着肯尼迪政府的上台，恰好又遇到1961年4月12日苏联用载人飞船“东方一号”首次将航天员尤里·加加林送入太空的刺激，新政府急切表示，要开启大规模军备竞赛，要实施难度更大的航天行动，以证明美国的科学技术比苏联更先进，阿波罗登月工程就是在这样的背景下出台的。

1961年5月25日，约翰·肯尼迪在美国国会发表“国家紧急需要”的特别咨文，在咨文中肯尼迪第一次提出了关于载人登月的计划。肯尼迪表示，在今后5年内要为这一计划追加70亿到80亿美元，在10年内要把美国人送上月球，并安全返回地球。随后，美国国会以绝大多数口头通过了肯尼迪的国情咨文，这标志着阿波罗计划正式启动。 “阿波罗”是古希腊神话中太阳神的名字，他和月亮女神阿尔忒弥斯是双胞胎，所以，美国人用“阿波罗”作为登月计划的名字。

人才储备

20世纪二三十年代，德国方面率先展开了液体燃料推进火箭射程和威力方面的研究。与此同时，后来成为阿波罗计划的灵魂人物、土星5号运载火箭设计师沃纳·冯·布劳恩也加入了德国的研究计划。1942年到1943年两年时间，德国先后发展出来A-4火箭和V2火箭，其中V2火箭射程可达297千米。第二次世界大战接近尾声之际，美国和苏联等国纷纷争夺德国火箭项目的研发资料和技术人才。美国带走了包括沃纳·冯·布劳恩在内的大批德国火箭技术专家，以及一部分技术资料和火箭零部件，这为后来的阿波罗计划和美国的太空探索奠定了人才和技术基础。

飞船建造

阿波罗飞船系统的研发制造汇集了诸多大型军火制造商，主承包商是北美人航空，飞船登月舱的主承包商是诺斯罗普·格鲁门公司。阿波罗飞船总高29米，重约50吨，由指令舱、服务舱和登月舱3部分组成，发射上升段时还有救生塔。指令舱为圆锥形，高3.5米，底部直径3.9米，重约6吨。服务舱是一个高6.4米、直径4米的圆柱体，重约25吨。登月舱质量为14.7吨，直径4.3米，高约7米，由下降级和上升级组成。

1964年5月至1966年1月20日，美国进行了阿波罗飞船的逃逸救生系统测试，试验结果为三次成功一次失败。1966年2月到8月，美国进行了阿波罗飞船的不载人飞行试验，试验全面考察了阿波罗飞船和土星火箭的综合性能，试验结果顺利，证明了设计的可靠性。

1967年，兰利研究中心的月球轨道研究计划小组扩大了组成规模和任务，并形成了宇航局总部的一个新部门。1968年，副局长乔治·穆勒批准建立月球研究工作组，由谢勒担任主任。这个小组的主要任务是：对以后的月球着陆点进行进一步选择，主要是那些研究月球地质和演化具有特别意义的地区；设计宇航员月面科学活动以及安放的科学探测仪器，同时对宇航员带回的样品进行初步研究。与此同时，载人航天器中心的约翰·霍奇正领导一个部门研究改进登月舱，重点是延长在月球上的考察时间，另外还研制包括月球车在内的月球科学考察工具。

1969年5月底，美国宇航局长佩因获悉，载人航天器中心已被授权对生产型飞船和登月舱进行改进，目的是使登月舱在月球上的停留时间达到3天，改进工作应当在1970年底完成。阿波罗12号到阿波罗14号的飞行被称为H系列，最大可能地利用现有硬件条件，在月面上停留的最长时间是36小时，月面活动有两次，每次最长时间为6小时，在返回时收集至少40千克的月球样品。

飞行历程

发射升空

1970年4月11日，阿波罗13号成功在在佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心发射升空。洛威尔报告火箭开始进行俯仰滚转机动，18s后俯仰滚转机动完成，在000:02:16GET（Ground Elapsed 时间，即发射后时间，下同）时一级主机正常关机并分离，此时阿波罗13号的加速度已经达到3.5G。随后洛威尔报告二级主机（S-Ⅱ）点火，逃逸塔分离。在000:05:30 GET时箭上的三名宇航员突然感觉到一阵异常的震颤，阿波罗13号和地面同时检测到二级火箭的5号引擎出现故障，而此时距离预定关机时间还有2分12秒。所幸故障的引擎的位置位于火箭正中央，不至于对发射产生太大影响，为了弥补推力上的不足，地面控制中心不得不让二级火箭剩下的4台引擎延长燃烧34秒，同样，二、三级分离后，第三级火箭也要延长燃烧9.2秒。12:31GET，S-ⅣB第一次关机。00:13:39 GET，船箭组合体进入远地点100.2海里（约185.5千米）、近地点98.0海里（约181.4千米）的低地球轨道。

爆炸事故

1970年4月13日，航天员们刚刚结束了49分钟的电视直播，准备回到指令舱中休息。当最后一位航天员——登月舱驾驶员海斯回到指令舱中，突然发生一声巨响。洛弗尔发现飞船正在向太空中排放气体之类的东西，随后，洛弗尔发现阿波罗13号服务舱的2号液态氧贮箱压力表已经降到了零，1号液氧贮箱正在下降。这说明，在服务舱仅有的两个液氧贮箱中，2号液氧贮箱发生爆炸并排空了氧气，1号贮箱泄露，正在排空。随后，地面人员迅速提供了一个救生方案：希望利用登月舱作为救生船，先绕月飞行使飞船掉头，然后在月背启动登月舱发动机，进入返回地球的轨道。这样不仅能够借助月球引力为飞船提速，而且不会一次性耗尽全部推进剂，减少让飞船受损的可能。

绕月旋转

1970年4月14日，阿波罗13号飞入了月球背面，由于月球阻隔，航天员们失去了与地面的无线电通信。地面人员此时只能等待和期待。而飞船上，首次看到月球的斯威格特和海斯兴奋不已地看着如此近距离的月球，他们不停地对月球拍照。

返回地球

1970年4月14日18时49分，阿波罗13号飞船出现在了月球的另一面并与地面取得联系。两个小时后，洛威尔和海斯启动了登月舱发动机，持续工作了4分26秒，飞船顺利进入了返回地球的轨道，并且，返航时间缩短了9小时。4月16日，航天员们隐约看到了地球，他们兴奋了起来。然而此时，阿波罗13号飞船偏离了重返地球的正常轨道，需要确定进入地球大气层的角度。如果角度太小，飞船会在大气层中烧毁，反之，则会弹出大气层，飞向无尽的宇宙中。尽管航天员们非常疲劳，但他们还是在地面人员的帮助下共同校准了航线。

再入与溅落

1970年4月17日，阿波罗13号飞船进入再入轨道，地面控制中心指示斯威格特抛掉了炸坏的服务舱。航天员们终于看到了服务舱损坏的样子。12时08分，阿波罗13号指令舱溅落在太平洋，被随后赶到的硫磺岛号两栖攻击舰救援队打捞，三位宇航员最终安全返回了地球。

任务目标

以上资料参考

基本设计

登月飞船

总体设计

阿波罗飞船是人类发射的第一个登月飞船，该型飞船总高29米，重约50吨，由指令舱、服务舱和登月舱3部分组成。指令舱是整个飞船的控制中心，是航天员工作和生活的场所。同时，指令舱也是飞船唯一能够穿过地球大气层返回地球的部件；服务舱装有一个火箭发动机、姿态控制系统和电气系统。宇航员点燃主发动机后，阿波罗飞船开始绕月飞行。宇航员再次点火时，可使飞船脱离月球轨道返回地球；登月舱由下降级和上升级组成，可携带两名宇航员抵达月球表面，并可从月球上再次发射与指挥舱对接。

分系统设计

指令舱是一个锥形压力容器，底部最大直径为3.9米，高度为3.65米。它由夹在铝合金板之间的铝蜂窝制成。指令舱的底部由一个隔热罩组成，该隔热罩由填充有酚醛 ep作为烧蚀材料的焊不锈钢蜂窝制成，厚度为1.8至6.9 cm。在圆锥体的顶端是一个舱口和对接组件，旨在与登月舱配合。指令舱分为三个隔间。锥体前端的前舱装有三个直径25.4米的主降落伞、两个5米的减速伞和用于着陆的引导迫击炮降落伞。后舱位于指令舱底部周围，包括推进剂箱、反应控制发动机、线路和管道。乘员舱占指令舱的大部分体积，约6.17立方米的空间。三个宇航员沙发面朝前排列在舱中央。一个大的出入舱口位于中央沙发上方。一条短通道通向指令舱机头的对接舱。乘员舱装有宇航员使用的控制装置、显示器、导航设备和其他系统。厘米有五个窗口:一个在入口舱口，一个在两个外部座位上的每个宇航员旁边，还有两个面向前方的会合窗口。五个银/氧化锌电池在指令舱和服务舱分离后提供电力，三个用于重返大气层和着陆后，两个用于飞行器分离和降落伞展开。指令舱有12个420 N四氧化二氮/反应控制推进器。指令舱在任务结束时与服务舱分离后提供重返能力。

服务舱是一个直径3.9米、长7.6米的圆柱体，连接在指令舱的背面。服务舱的外壳由2.5厘米厚的铝蜂窝板制成。内部由铣削的铝制径向梁分成围绕中心圆柱体的六个部分。安装在中心圆筒内的服务舱后面是一个万向节，安装有可重新启动的自燃液体推进剂91，000 N发动机和锥形发动机喷嘴。姿态控制由四组相同的450 N反作用控制推进器提供，每组推进器围绕服务舱的前部间隔90度。服务舱的六个部分装有三个31电池的氢氧燃料电池，提供28伏电压，两个低温氧和两个低温氢罐，四个主推进发动机罐，两个燃料罐和两个氧化剂罐，子系统是主推进装置。两个氦气罐安装在中央气缸中。电力系统散热器位于气缸顶部，环境控制散热器面板分布在气缸底部。

登月舱是一种两级飞行器，设计用于月球附近和月球上的太空行动。航天器的质量为15，188千克，相当于包括宇航员、消耗品和10，691千克推进剂在内的长征一号的质量。登月舱的上升和下降阶段作为一个单元运行，直到上升阶段作为一个单独的航天器与指令和服务舱交会对接。下降级由航天器的下部组成，是一个直径4.2米、厚1.7米的八边形棱柱。四个带有圆形脚垫的着陆腿安装在下降平台的侧面，并将平台底部保持在离地面1.5米的高度。相对着陆腿上的踏板末端之间的距离为9.4米。其中一条腿上有一个小型宇航员出口平台和梯子。一米长的锥形下降引擎裙从舞台底部伸出。下降级包括着陆火箭、两箱aerozine 50燃料、两箱四氧化二氮氧化剂、水、氧和氦罐以及用于月球设备和实验的存储空间，而阿波罗15号、16号和17号则包括月球车。下降级被设计成从月球发射上升级的平台。

运载火箭

发射阿波罗13号飞船的土星5号运载火箭

土星五号高110m，相当于36层楼的高度。直径10m。土星五号的质量有2910t，仅仅推进剂就占了2640t。土星五号由三级火箭组成，它的第一级采用的是液态氧/煤油推进剂，总推力约3400t；第二级使用氢氧发动机，总推力约450t；第三级也使用了氢氧发动机，推力约90t。土星5号超重型运载火箭是仅次于苏联能源号运载火箭的推力第二大运载火箭。在1967~1973年间共发射了13枚“土星5号”运载火箭，保持着良好的发射记录。共有9枚“土星5号”运载火箭将载人的“阿波罗”号载人飞船送上月球轨道。土星5号”运载火箭的生产线于1970年关闭。“土星5号”的最后一次发射是在1973年，该次发射将“天空实验室”空间站送入了近地轨道。续任者太空发射系统（SLS系统），号称史上最强运载火箭系统。

发射场地

肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center），位于佛罗里达州。

苏联1957年成功发射了卫星一号，在约翰·肯尼迪的关注下，筹建了美国航空航天局，并且提出了阿波罗计划，以与苏联在航天方面进行竞争。当肯尼迪遇刺的消息传人美国航空航天界寸，为感激和表彰肯尼迪在任内对美国宇航事业的极大关注，人们把卡纳维拉尔角的航天器发射场更名为肯尼迪航天中心。

肯尼迪航天中心气候温暖湿润。平均每日的最高气温在1月份的2l℃和7月份的31℃之间波动。平均每日的最低气温在1月份的11℃和7月份的23。C之间波动。在夏季，中心有很高的雷击频率。每年正常的降雨在54—56英寸，其中70％的降雨集中在6—9月间。降雨量春季最低。

中心共有14个发射区，其中多数区已停止使用或拆除，在使用的是39号发射场及其工业区。它是为实施阿波罗计划计划而建造的，经改建后用于航天飞机的发射和试验。主要设施包括飞行器装配大楼、发射控制中心、39A和39B发射区、活动发射台、运输车、运输车轨道、固定式勤务塔和航天飞机服务塔、防爆的自然推进剂贮存库和加注设施、监测设施、轨道器着陆设施、轨道器处理设施、处理控制中心、新闻场所等。

任务成员

正式成员

小詹姆斯·亚瑟·洛威尔（James 'Jim' Arthur Lovell, Jr. ），昵称“吉姆”，阿波罗13号指令长，美国海军飞行员、试飞员、美国国家航空航天局宇航员。

小约翰·莱昂纳德·斯威格特（Jack Leonard Swigert, Jr. ），昵称“杰克”，阿波罗13号指令舱驾驶员，美国空军飞行员、试飞员，美国航空航天局宇航员、机械师、航空航天工程师。

小弗莱德·华力士·海斯（Fred Wallace Haise, Jr.），阿波罗13号登月舱驾驶员，美国空军飞行员、试飞员，美国国家航空航天局宇航员、航空航天工程师。

替补成员

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

杰克·斯威格特（Jack Swigert，曾执行阿波罗13号任务），指令长。

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

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。

约瑟夫·科文（Joseph Kerwin），曾执行天空实验室2号,STS-85任务。

成员变更

肯·马丁利是原计划中的指令/服务舱驾驶员，但是他由于接触了麻疹，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号任务的指令舱驾驶员。

飞控主任

• 白队：吉恩·克兰兹（Gene Kranz），首席飞控主任。

• 黑队：德雷蒙德·格林伦尼（Glynn Lunney）

• 褐队：米尔特温德勒（Milt Windler）

• 金队：格瑞格里芬（Gerry Griffin）

调查和影响

航天员首先面临的是返回地球的轨道问题。为了能在特定的区域着陆月球进行探索，阿波罗13号在进入奔月轨道后离开了之前任务采用的自然返回轨道，也就是说，如果不改变发生故障时的飞船轨道，他们将无法返回地球。但整个飞行任务中承担变轨任务最多的服务舱已经发生爆炸，而选择登月舱的推进系统变轨则面临诸多限制。任务团队选择了让飞船绕过月球背面再返回地球的方案，并且明智地选择了不再开启服务舱的发动机，使得飞船变轨到返回轨道成为可能。最终，登月舱的下降段发动机工作了30.7秒，重新建立了自然返回轨道，并在绕过月球后再次启动，使飞船能够提前10小时着陆，并把溅落地点从印度洋调整到太平洋。

航天员紧接着要面临的是生存问题，3名航天员若想返回地球就要在登月舱内存活4天时间，而小小的登月舱仅可供2名航天员生存1天半的时间，发生爆炸的服务舱氧气罐恰恰是确保给飞船提供电力和水的燃料电池所必需的。因此，在之后的几天中3名航天员想尽办法节省电力，仅靠登月舱小小的锌银电池维持飞船的正常运行。此外，他们还要解决二氧化碳浓度升高的问题。由于登月舱仅能将两名航天员呼出的二氧化碳吸收，因此必须使用指令舱的相应装置，但两者接口又不兼容，地面人员绞尽脑汁，让航天员利用舱内设备制作了临时的接口。

因为所有的过程都偏离了正常的程序，救生返航之路处处荆棘，由于热控设计的原因，发生故障的服务舱不能过早地被抛离，却又必须在指令舱与登月舱分离之前抛掉，如何使之安全分离是一个头疼的问题。此时，多伦多大学的团队临危受命，在一天时间内，提出了利用两舱对接过渡段的压力保证两舱安全分离。这是一个条件非常苛刻的设计：压力太小无法满足安全分离的要求，压力太大则有可能损坏飞船的指令舱。

在解决了如此之多的致命问题后，3名航天员安全溅落在太平洋上。这次“虽败犹荣”的飞行任务集结了飞船设计人员的智慧和力量：设计人员如果不是在系统设计层面上采取了母舱+登月舱的冗余措施，就不可能让航天员在母舱发生致命故障的情况下采用登月舱作为救生舱；如果不是飞行任务控制中心大胆提出逃生轨道方案并谨慎地核算，以阿波罗13号当时糟糕的状态，也不可能有逃生的机会；如果没有地面完善的平行系统，让地面的专家能够从容地应对供电、供水、氧气不足和二氧化碳超标、低温等问题，也不可能以如此有限的资源换来航天员的生存。

阿波罗13号的事故调查带来了诸多启示。在营救航天员的过程中，地面控制中心在确保航天员安全的前提下，仍然头脑清醒地进行拍照，为查明故障原因留下了宝贵的资料。而发生故障的氧气罐在生成过程中的一系列错误决策都提醒航天任务的参与者，如何在工程进度与可靠性、安全性之间进行取舍。