阿波罗13号——一次真实版的太空营救丨科学史
编者按：1970年4月11日， 美国阿波罗13号飞船起飞进入太空，准备执行登月计划。这次任务被称为史上“最成功的失败”的任务。事故到底怎么发生的？来看中科院空间中心的解读。
在太空探索题材的电影中，营救在太空中遇险的宇航员是编剧导演们喜爱的素材。从《地心引力》到《火星救援》，这些影片在获得不俗的票房成绩的同时，也向公众传播了与航天活动相关的科普知识。与这些虚构的影片相比，汤姆·汉克斯主演的《阿波罗13号》显得极为特别。这部斩获两个奥斯卡奖项的影片是根据1970年美国阿波罗登月计划中的一次真实事故改编的。47年前，在奔月的路上，阿波罗13号飞船突然遭遇了服务舱氧气罐爆炸的险情。在地面控制人员和航天员的通力配合下，重重危机终于被化解，宇航员们也得以成功返回地面，让阿波罗13号任务成为NASA历史上“最成功的失败任务”。
历尽艰险返回地球后，美国总统尼克松为三位宇航员颁发了总统自由勋章
1970年，那是一个春天，阿波罗13号飞船正在飞往月球富拉· 摩洛高原的旅程中。作为阿波罗计划的第三次登月任务，阿波罗13号的飞行在一开始显得颇为顺利。除了土星5号火箭有一点无关紧要的异常外，任务的各个系统都在正常工作。在发射后的第46小时43分钟，地面负责与宇航员讯通的工作人员打趣地抱怨道：“飞船的状况太好，我们已经无聊到流泪了。”发射后的第55小时46分钟，阿波罗13号上的宇航员通过电视直播，向地面观众展示了他们舒适的太空生活。在49分钟的电视直播结束时，宇航员吉姆·洛威尔向关注这艘飞船的人们道了晚安。
阿波罗13号爆炸发生前的控制大厅沉浸在轻松愉快的氛围中，电视直播正在进行
然而等待阿波罗13号的，却是一场噩梦。
登月的阿波罗飞船采用三舱式的结构。位于飞船尾部的服务舱产生飞船变轨所需的动力，同时为指令舱提供电力和氧气等供给。飞船中部的指令舱是宇航员在大部分时间所处的舱段。宇航员们可以在这里控制飞船的飞行，也会乘坐指令舱返回地球。飞船顶部的登月舱由上升段和下降段两部分组成。在登月时，登月舱与飞船分离并在月球表面着陆。在宇航员们完成月球表面的各项活动后，登月舱的下降段会留在月球上，上升段点火将宇航员们送回绕月轨道，与指令舱、服务舱对接，并返回地球。
阿波罗飞船
在电视直播结束后十多分钟，宇航员杰克·斯威格特按照地面的指令开始搅动服务舱中的氧气罐，以获得更准确的气压读数。忽然，服务舱传来一阵巨响，飞船内的告警灯随即开始闪亮。斯威格赶紧向地面控制人员报告：“休斯顿，我们这摊上事了！”（Houston,we've had a problem here.）
一首混进阿波罗13号宇航员跟控制人员通话的电音曲子
飞船的各个系统中，最先出现异常的是B总线的电压读数。B总线是飞船的两个主要供电回路之一，爆炸发生后B总线的电压读数开始下降。随后，宇航员接连收到了一系列告警：两个燃料电池失效，服务舱中一个氧气罐内的氧气不翼而飞，另一个氧气罐的气压也在不断下降中。巨响刚刚发生时，宇航员们忙于处理驾驶舱内各个仪表的告警，直到十三分钟后，洛威尔望向飞船舷窗之外，才真正发现了意外的来源：服务舱已经被爆炸破坏，正在向外冒气！
原来，飞船服务舱中的二号氧气罐发生了爆炸，在毁坏自身的同时也毁坏了一号氧气罐。氧气罐的泄漏不但直接威胁了宇航员的基本生存条件，更连带引发了多重危机：阿波罗飞船的供电依靠的是液氧与液氢在燃料电池中的反应，当液氧供应不足时，燃料电池就无法继续工作，飞船面临的失去电能、在太空中“关机”的威胁。同时，燃料电池内化学反应产生的水也是宇航员饮水的来源，燃料电池停止工作后，飞船同时进入缺水的窘境。此时，飞船正在从地球向月球飞行的过程中。如果要立即返回地球，必须让服务舱中的发动机开机才能改变飞船的轨道。在服务舱已经发生爆炸的情况下，谁也不知道发动机开机有会不会引发更大的灾难。
阿波罗13号危机发生后紧张的工作人员
登月舱在宇航员登陆月球过程中要自主飞行，因此登月舱中有独立的供电、供氧设备，还有能提供动力的发动机。此时，它成为了宇航员求生的唯一依靠。在确定爆炸给服务舱造成的损害无法管制后，洛弗尔和海斯两人进入登月舱，与留在指令舱中的斯韦格特一同开始抢险救灾的工作。他们首先把服务舱中剩余的氧气导入指令舱中，再将指令舱的电源切换到登月舱的蓄电池中。为了尽可能的节省登月舱氧化银电池里极为有限的电能，宇航员们关闭了一些非必需设备，使飞船进入了“超级省电模式”，功耗降低到了正常情况下的1/5。在飞船上，需要“喝水”的除了三位宇航员外，还有各种电子器件的水冷设备。为了尽量节省用水，宇航员们每天的饮水量只有正常情况下的五分之一，这样虽然勉强维持了生命，却给宇航员带来了很大的痛苦。返回地面时，三位宇航员因为脱水，体重总共降低了31.5磅（请急于减肥的读者不要效仿这种方式），海斯特还因为缺水引起的排尿困难症入院治疗。
登月舱与指令舱分离后航天员为它拍摄的照片。在危急时刻，它是航天员们的救生船
登月舱原本只设计供两名宇航员使用两天，如今却有三名宇航员要靠它存活四天。登月舱上储备的氧气足够航天员们使用，但过滤二氧化碳的氢氧化锂过滤器却坚持不了那么长时间，飞船上的二氧化碳浓度一度触发了报警，提示宇航员有中毒的危险。指令舱中储备了一些备用氢氧化锂过滤器，但是这种方形的过滤器无法安装到登月舱过滤系统圆柱形的安装槽中。在千钧一发之际，地面人员想出了解决办法，指导宇航员们用飞船上能够得到的物资拼装上了两种不同形状的过滤装置，成功降低了登月舱的二氧化碳浓度。
宇航员们临时拼装的二氧化碳过滤装置，工程师们将其戏称为“邮箱”
为了利用登月舱下降级发动机有限的推力返回地球，地面人员计算出了一条利用月球引力返回地面的轨道。飞船在绕过月球背面后，下降级发动机点火工作一次，以加速飞船返回。在茫茫太空中有如一叶扁舟的阿波罗飞船，使用的导航方式和人类在早期航海中使用的定位导航方式一样：宇航员们用一个原理与六分仪类似的望远镜寻找导航用的星星，飞控计算机会帮助宇航员们算出飞船正确的前进方向。然而爆炸的发生使得导航望远镜丧失了部分功能，宇航员们最后依靠测量太阳的方位才找到了自己回家的路。
服务舱分离后航天员们拍摄的照片，可见爆炸对服务舱的毁坏程度
与危机战斗的不止三名宇航员。在地面上，NASA和飞船承包商的工程师们不分旦夕地工作。发送给航天员的每一条指令，都需要工程师们反复设计，并在模拟器上进行测试。美国总统尼克松亲自前往控制中心了解情况。通过新闻媒体不间断的报道，全美国人民都密切关注着三位宇航员的安危。教皇保罗在梵蒂冈为三位宇航员祈祷祝福。就连与美国处在冷战敌对状态的苏联都公开表示“苏联政府已经向他的公民和军队下达命令，要求他们利用一切可能的手段帮助美国宇航员。”
在历经艰险之后，回家之路终于快要走完了。在着陆前四个小时，受损的服务舱与指令舱分离，宇航员们也得以亲眼看到了服务舱的受损情况：服务舱被炸出了一个洞，一块面板已经被炸飞。在着陆前一小时，庇护了宇航员生命的登月舱完成了任务，与指令舱分离。三名宇航员最终乘坐指令舱，降落在南太平洋中，被美国海军的搜救舰队打捞，平安返回了地球。
平安回家的三位宇航员
之后的调查让所有人都大跌眼镜。在太空中惹祸的2号氧气罐居然是个二手产品！这个编号为10024X-TA0009的氧气本来安装在阿波罗10号上，在安装过程中不慎被损坏。当阿波罗10号换用其他的氧气罐成功发射后，这个氧气罐被修复测试，安装到了阿波罗13号飞船上。阿波罗13号在发射前进行的一次测试中，这个氧气罐的氧气始终无法彻底排空。控制人员决定启动罐内的加热器，排出剩余氧气。这个操作需要接通65伏的电源，但氧气罐内的电路一开始的设计电压是28伏。在8小时的加热后，靠近加热器的导线温度一度达到了1000华氏度，导线的绝缘层被破坏。在太空中，这段导线短路，点燃了绝缘层，引发了爆炸。
作者系中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室研究人员