从旅行者到毅力号:NASA的10大创新
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2021-02-23 22:30
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火星译客
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NASA的顶级创新

航天飞机

在2010年5月的STS-132期间,第四个加入轨道飞行器的航天飞机亚特兰蒂斯(图片来源:NASA)。

Rod Pyle是一位航空作家和纪录片制作人。他在美国国家航空航天局(NASA)的约翰逊太空中心培训高层领导,并撰写了大量有关太空探索和组织原则的文章。 Pyle的最新著作是创新NASA方式:利用组织的力量取得突破性成功”(McGraw-Hill,2014年)。他为Space.com的Expert Voices:Op-Ed&Insights提供了这篇文章

自1958年成立以来,NASA就一直是创新的代名词。一个又一个计划证明了这一点,但也许没有一个时期比1961年至1972年的太空竞赛年代更具创造力。随着七十年代的发展,预算已经在减少,美国宇航局和航空航天承包商在1960年代后期开始裁员的速度也在加快。该机构的预算从1966年占国家预算近5%的高点下降到1970年代、1980年代和1990年代的大约1%,降至目前的0.5%--这是有史以来最低的比例。[创新将如何使美国进入2020年火星(OP-Ed)]

尽管如此,NASA仍通过不断推出新的创新计划和技术,在国家航天局和太空探索领域保持领先地位。尽管航天飞机的任务授权与阿波罗完全不同,即使航天飞机从理论上讲更便宜,更高效,这个计划实际上是要把创新投入到日益紧缩的预算中。 [ “创新NASA方式”(美国,2014年:摘录

国际空间站是全球范围内的一个创新案例,涉及与全球各国的许多初级和二级伙伴关系。

然后是喷气推进实验室(JPL),以不同的节奏前进,用机器人进行探索。 JPL始终处于筹资渠道的狭窄末端,一贯以超越其预期的世界性和超越其自身的期望,其壮观的深空探险之旅在其主要任务结束后持续了数十年。

然后是NASA的十项主要创新,其中一些是“最佳时机”。

旅行者号

航海家

旅行者2号于1989年超越海王星。(图片来源:NASA)

不满足于仅仅探索火星和金星,在1960年代,美国宇航局计划探索大部分太阳系。主要行星--木星、土星、天王星和海王星--在上世纪70年代进入了一条崎岖曲折的轨道,美国宇航局(NASA)希望用双航天器进行一次“大巡回”。这样的机会在约180年内不会重演。

该计划因预算问题而受挫,但美国宇航局坚持不懈,并让喷气推进实验室(JPL)制造了两架规模和目标较小的太空船,名为“旅行者”号。这些机器探险者是在1977年发射的,它们在木星和土星附近飞驰,并在1980年完成了它们的主要任务。凭借巧妙的轨迹设计和强大的脑力,JPL设法将旅行者1号转移到研究土星最大的卫星[土卫六,然后离开太阳系。旅行者2号继续前进,在返回前访问了海王星和天王星(而且仍然是唯一这样做的机器)。

这两个探测器在近38年后仍在传输数据,这要归功于创新的机械和电子设计、核燃料来源以及第一台飞向太空的自主计算机。旅行者1号去年正式离开太阳系,在大约5万年后与另一颗恒星会合。

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阿波罗月球服

阿波罗月球服

1972年,宇航员尤金·塞尔南(Eugene Cernan)在阿波罗17号飞行期间为拍照摆姿势。(图片来源:NASA)

如果你不能在月球上行走,飞到月球上有什么好处?这是上世纪60年代初NASA工程师面临的难题。他们为X-15航班设计了宇航服,水星然后是双子星,每套服都比前一套要好一些——但它们都僵硬,笨重且不舒适。

最糟糕的是,当宇航服被加压时,很难做任何事情--感觉就像穿着坚硬的、厚厚的气球。对于阿波罗登月任务,美国宇航局迅速创新,建造和测试了十几种设计,然后确定了阿波罗11号登陆的宇航服。

这种专门为月球表面工作而设计的太空服比看起来更灵活。手套和太空服的其他部分都有旋转的关节,指尖由薄得足以“感觉”的橡胶制成,肩部由精巧的缆车和滑轮支撑。虽然没有人会称其为“舒适”,但宇航员能够使用它们,不受月球的杀灭温度和硬质真空的影响,每次最多可使用8个小时。

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维京人火星登陆器

维京人火星登陆器

1980年,著名的天文学家卡尔·萨根(Carl Sagan)站在维京1号登陆器的一对双胞胎旁边。(图片来源:NASA)

上世纪50年代末,NASA喷气推进实验室(JetPropulationLab)构想出一项雄心勃勃的任务,即向火星发射双机器人登陆器。一旦到了那里,这些机器将进行地质测试、天气和大气探测,也许最渴望的是寻找生命。在设计任务的时候,NASA甚至还没有飞过火星--在大型望远镜中,这颗行星只是一个红色的污点。

但是在不到十年的时间里,NASA的工程师们进行了令人难以置信的创新,并缩小了生命科学实验室的规模,这些实验室相当于洗衣机的大小。 1976年,两架维京号航天器抵达火星,每架维京号航天器都有一个轨道组件以及一个着陆器。

这对双着陆器位于红行星的对岸,它们的执行时间都远远超过了90天的主要任务(海盗1号着陆器一直运行到1982年)。尽管对微生物生命的探索是雄心勃勃的(许多人会说是大胆的),但结果令人困惑且没有定论。

但是在2008年,美国国家航空航天局(NASA)的科学家对实验进行了重新评估,并确定火星土壤中可能存在微生物或至少存在有机物质。计划于2020年进行的新的火星漫游者任务,。可能使我们更加了解,无论以何种方式。

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F-1火箭发动机

F-1火箭发动机

(图片来源:NASA。)

在20世纪50年代末,美国遭受了“火箭嫉妒”。俄罗斯人总是有比美国更大更好的东西。火箭(他们的洲际弹道导弹(ICBM)核导弹使我们的导弹看起来很小)。因此,美国空军委托加利福尼亚的一家名为Rocketdyne的公司制造有史以来最大,最强大的火箭发动机。

它被称为F-1,最终将为阿波罗登月飞行提供动力。关于F-1的一切都是大胆而新颖的……而且意义重大。最终设计产生了150万磅的推力。

Rocketdyne最初是建立在先前的知识基础上的,但在测试时,按比例放大较小的引擎只会导致爆炸。一个主要问题是,发动机由于声音振动而摇晃爆炸。 Rocketdyne的创新?火箭发动机发射时,故意在火箭发动机内引爆小型炸弹,使其以可控的方式振动,直到工程师们明白问题所在。这是大胆的想法(有些人可能会说是疯狂的)。 F-1是当时最成功的火箭发动机。

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航天飞船

航天飞机

在2010年5月的STS-132期间,第四个加入轨道飞行器的航天飞船亚特兰蒂斯(图片来源:NASA)。

如何跟进一项令人惊叹的太空计划,将一个人送上月球?当然是使用可重复使用的太空飞船。

航天飞机将经历许多重新设计,从一个完全可重复使用的双空间飞机与一个飞行员,可重复使用的第一阶段,到它的最后一次投生带助推器和一个消耗性的橙色燃料箱。但从其巨大的载货能力到难以置信的散热瓦和每架飞行30倍以上的能力,美国的五艘航天飞机--挑战者号、哥伦比亚号、发现号、亚特兰蒂斯号和奋进号--都是令人惊叹的机器。

尽管发生了两起致命的飞行事故,但这支舰队总共飞行了134次,是一项将成功的创新纳入高度受限预算的研究。

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阿波罗制导计算机

阿波罗制导计算机

月球模块内部的阿波罗制导计算机。雪茄盒大小的机器可以导航到月球表面,然后再次返回。 (图片来源:NASA。)

如何利用20世纪60年代的科技飞到月球?瞄准然后发射火箭?不。你需要一台精密的导航计算机,1963年,当美国宇航局认真考虑去月球的时候,这样的设备填满了整个房间。

但该机构毫不畏惧,并与麻省理工学院(MIT)的仪器实验室合作设计了阿波罗制导计算机。结果是有史以来第一台集成电路数字飞行计算机。阿波罗号宇航员用电脑从地球飞到月球并返回了9次,六次成功着陆。

该计算机可以从地球导航到月球,从月球轨道到地面,然后返回月球集合点并返回地球……所有这些都以2兆赫的RAM和36兆赫的程序运行在一兆赫兹上。它远没有现代洗衣机智能,但功能却强大得多,是当今精密数字计算机的基础。

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好奇号火星探测器

火星漫游者的好奇心

在从降落阶段开始的最后阶段,好奇号的一种叫做“空中起重机”的动作。 (图片来源:NASA / JPL-Caltech)

“安全逐着陆-我们在火星上很安全!”当飞行主管陈晨(Al Chen)说出这五个字时,长达十年的传奇故事以美国宇航局(NASA)的好奇号探测器成功降落而告终。

这项耗资25亿美元的计划是迄今为止最雄心勃勃的计划,其仪器和功能比以往任何时候都要好。但所有这些科技奇迹都是有代价的--复杂的探测器重达一吨,大小相当于迷你库珀(Mini Cooper)。安全着陆是一个巨大的挑战。

以前的任务中使用的方法不足以应付这台重型机器。因此,工程师想到了一个新的,古怪的,疯狂的想法:使用降落伞和火箭将飞船缓慢降落到悬浮状态,然后使用尼龙绳放低流动站。他们称其为“空中起重机”,这种设计一下就引起了人们的关注。 JPL的总工程师罗伯特·曼宁(Robert Manning)回忆说:“我们首先必须通过笑声测试……”

但是在2012年8月5日,唯一开心的人是JPL任务控制中那些欣喜若狂的工程师、控制人员和科学家--好奇号到达了火星,他们的冒险才刚刚开始。

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登月舱

登月舱

来自阿波罗16号的登月舱模块。这些出色的机器以1960年代技术的最先进水平运行,并且在飞行中从未失败。 (图片来源:NASA。)

打火机,打火机,打火机。这就是格鲁曼公司的口头禅,因为他们努力使美国宇航局的阿波罗登月舱飞行有价值。长期以来,该公司是一家制造硬式战斗机的制造商,现在的任务是制造一小批真正的宇宙飞船--这些机器只能在太空中飞行。没有流线型,没有空气动力学。

工程师们努力将这一概念转变为金属。最终结果是与早期设计大相径庭:他们已经剥掉了大部分窗户,座椅甚至下层的侧板。对于登月来说,并非绝对必要的一切都取消了。

但是机器仍然太重而无法飞行,因此格鲁曼公司采用了极端而开创性的方法-甚至是化学蚀刻微小的机械零件,直到它们勉强能够工作为止。最后,十个月舱飞行(包括阿波罗13号LM,在氧气罐爆炸时救了机组人员),并且每一个都完美地完成了工作。

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国际空间站

国际空间站

国际空间站于2006年完工。自2000年以来一直在有人居住。(图片来源:NASA)

国际空间站(ISS)是迄今为止离开地球的最大,最昂贵的机器,它代表着有史以来最复杂,最成功,有时甚至是最紧张的国际合作。最终的建造结合了原本打算在单独的国家空间项目中飞行的设计--包括美国、俄罗斯、日本和欧洲。

国际空间站比足球场还大,价格昂贵,价值1500亿美元。它也是太空中持续时间最长的结构,机组人员轮流工作了近十四年。随着空间站的老化,需要新的和有创造性的解决方案来维修故障部件(例如最近对故障空调部件的维修)。但事实证明,国际空间站非常坚固,并计划至少在2024年之前保持在轨道上。

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阿波罗月亮火箭

阿波罗月亮火箭

阿波罗15号(Apollo 15)发射升空。 (图片来源:NASA。)

排在榜首的是强大的土星五号卫星。这种三级怪物的体积相当于二战驱逐舰的大小,甚至更大,超过600万磅。

火箭的第一阶段使用了5个F-1火箭发动机,产生了总计750万磅的推力1.6亿马力。如果火箭在发射台上失败,它将具有小原子弹的爆炸力。它是以前飞过的小型火箭的高度进化版本,其根源是维尔纳·冯·布劳恩(Wernher von Braun)的V2火箭,后者在第二次世界大战中重创了伦敦和安特卫普。

它的创造者所面临的未知因素是巨大的,所需的科学和技术创新是巨大的。当美国总统肯尼迪(John F. Kennedy)宣布打算在1961年代末使美国人登上月球时,震惊的NASA高层承认他们“甚至不知道自己不知道的是什么”。尽管如此,在短短的八年中,土星五号火箭将阿波罗11号太空船发射升空,并于1969年7月20日降落在月球上。所有的土星号太空船都安全地运送了他们的宝贵货物,而且没有一个在飞行中失败。

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