土星五号:合金之躯
2019-07-11 10:43

土星五号:合金之躯

本文来自微信公众号: 永结无情游相期邈云汉 (ID:haibaraemily_planets),作者:天才琪露诺,编辑:haibaraemily,头图来自:东方IC


上回说到,在苏联节节领先的高压之下,洛克达因的工程师们奋起直追,终于打造出土星五号火箭强劲的心脏(发动机)。而就在洛克达因的工程师们为了火箭的心脏问题头疼不已的时候,给火箭安排上骨骼、血肉、皮囊的道格拉斯公司(负责土星五号芯三级S-IVB)、波音公司(负责土星五号芯一级S-IC)和北美航空公司(负责土星五号芯二级S-II)的工程师们也遇到了很大的麻烦。


土星五号的大小和结构。来源:National Air and Space Museum和NASA,改编:haibaraemily


那就是—这火箭实在是太太太大了。这些公司要如何建造如此大的土星五号外壳呢?


一、 S-IVB级:往死里减重就完事儿了


其实对于道格拉斯公司而言,上面级S-IVB的制造还稍微简单一点,这一方面是因为S-IVB毕竟还没那么大,还在可以接受的范围,另一方面我们在前传里也说了,S-IVB的前身S-IV早就基本成熟可用,而且早在1961年就已经由C-1运载火箭送上过太空了…剩下的就只是一些拉皮,适配J-2发动机的问题。


不过就算是这样,从S-IV到S-IVB还是经过了十分曲折道路。


S-IV的提出可以追溯到1958-59年,彼时土星系列的规划都还没确定,NASA一口气提出了C-1到C-5五个版本,当然后来砍了C-2,C-3,C-4,一步到位到C-5,也就是土星五号。而S-IV原本的计划是作为C-4火箭的第四级。


作为“土星”系列运载火箭首个主要构件,NASA对S-IV级慎之又慎,直到1959底到1960年初的时候才下定决心确定承包商。当然还有一个原因是那个时候冯·布劳恩跟陆军弹道导弹局(Army Ballistic Missile Agency ,ABMA,也就是马歇尔太空飞行中心的前身)还没划归NASA,虽然两边已经通好气了。


经过了复杂的招标-竞标程序后,1960年5月,道格拉斯公司从20多家公司中胜出,正式成为S-IV级的承包商。在前传中我们讲到,自C-5构型正式确定后,S-IV的要求略微提升了一些,S-IVB作为其改型被搬上了台面。为了测试S-IVB级,土星1号也相应地变为土星-1B,而由于上回提到的J-2发动机的一些进度问题,土星-1B的首射在土星1号发射近5年后才完成。


S-IVB级的结构。来源:NASA


由于最终的S-IVB级肩负着圆化轨道以及将宇宙飞船直接发射到地月转移轨道的任务,因此对它的要求最高,研究的优先级也最先。


“把1公斤的载荷发射到地月转移轨道需要50公斤的起飞质量(即2%的载荷比)”,这意味着,如果不使用高能燃料的话,就更带不动这么重的载荷了。于是毫不意外的,液氧-液氢燃料以其一骑绝尘的高比冲特质成为了不二选择



我们可以简单把比冲理解为1千克的某种燃料产生1千克力(在地球上就是9.8牛顿)的推力可以持续的时间,单位是秒(s)。不同混合比下的比冲会略有差异,但液氢-液氧的比冲相比于其他常见化学燃料来说太过优秀了。推进剂参数整理自:[3]和[4]


起初的登月方案是地球轨道交汇(Earth orbit rendezvous,EOR),因此S-IVB的初始设计为5.6米直径,能在地球轨道停泊30天。后来停泊时间缩短至4.5天,再后来决定采取一发直接送到月球,在月球轨道交汇后返回的方案,这样实际上S-IVB只需要在太空中待4.5小时就够了。


不过就算这样,5.6米的直径还是没做改动,直到土星五号的构型最终尘埃落定,S-IVB级的直径才上调了1米,变成了6.6米。


虽然S-IVB级时间紧任务重,但对于道格拉斯这家有着悠久的飞机设计历史、前一段时间还设计制造了“雷神”运载火箭的航空航天巨佬而言倒也并不是不能完成的。包括机加工、钣金、焊接、蚀刻在内的诸多技术都已经是心中有数的,这大约也是它最后获得合同的原因。


根据在“雷神”运载火箭上的成功经验,道格拉斯公司的工程师们很快就选择了铝合金2014作为燃料贮箱的主要材料,并轻车熟路地按照常规方法设计外壳和承力结构——就跟他们设计飞机一般。


结果很快全被打回去了——太重


航空器领域本身就对死重很敏感,奈何航天,特别是这次登月的要求更变态,所以工程师们不得不也跟着变态了起来。


1.先从燃料罐开刀吧…


针对燃料罐的内部壳体,工程师们很快就找到了减重的办法——将原先的一整片合金板设计为表面网格状的,更形象的说法是做成华夫饼似的。不过这样的板材可是十分地不好做,得用专用设备“雕刻”出来。这样一套下来,人们就得到了一个7.5平方米,1.9厘米厚的板材,这就是燃料罐内部壳体的原始材料了。


等等…1.9厘米厚?S-IVB的直径是6.6米。这是什么概念呢?举个栗子,想象你手里拿着一个330毫升的可乐易拉罐,直径是66毫米,壁厚是0.11毫米,如果把壁厚增加一倍的话,就是个100倍缩小版的S-IVB燃料箱了。什么叫变态的减重,这就叫变态的减重。


而生产这样一个“易拉罐”需要7片这样的铝合金板。为了处理这些铝合金板,道格拉斯公司还特别找Giddings and Lewis公司设计了一个3.6*12米的巨大磨床,配合两个刀头,每片板平均需要加工120个小时。加工完后的板材需要进一步折弯,道格拉斯公司还把加工DC-8飞机的折弯机也给拎过来用了——这台能产生2.53 GPa的折弯机是全厂唯一能加工S-IVB的家伙了。


火箭的燃料罐刨去中间的圆柱状外壳之外,还有上下两个半球形顶/底面跟内部的肋。制造半球形这种曲面还是很复杂的,一般会采用多片曲面焊接的办法来合成。S-IVB上也不例外,每个半球形的面都靠9片三角状的曲面(俗称“瓜瓣”)组成,而且由于它是曲面的,机械打磨已经不适合,需要用化学方法来进行表面处理。


这个操作粗中有细——一方面表面处理的化学物质要整桶整桶地消耗,另一方面还需要让这些化学物质沿着特定路线在特定时间流干净。之后,人们为了不污染表面,会将它小心地转移到自动焊接装置上去,剩下的事情就让机器去解决吧。


S-IVB贮箱的底面。来源:NASA


这个自动焊接的机器也很有意思,它的焊头会自主沿着缝隙从上到下进行焊接,这样的好处就是融化的焊料不会过多地蓄积起来,也不会导致焊缝产生气泡、裂缝等瑕疵。然而比较神奇的事情就是这个自动化焊枪会有时候抽风,转了一段时间之后要么焊得断断续续的,要么压根就不按照焊缝走向焊接了。更加神奇的是,原因居然是瓜瓣做得太好,以至于这些需要焊的缝隙不够大,传感器没法感受到。最终的解决办法是一方面把传感器的灵敏度提了上去,另一方面则是把拼接面的缝开得大一点,好让这个人工智障能够知道自己该做什么。(工程师:大家看到了啊,这么神奇的要求我是第一次听说)


由于J-2发动机采用双组元燃料,因此需要将燃料与氧化剂分隔开来,常规的做法是做两个贮箱分别贮存,这也就意味着贮箱之间需要有固定环将它们固定住,这就又多了一部分质量。而NASA对于上面级的减重要求达到了变态的程度,因此这种常规的做法很快就被否决了。


既然不能做两个分开的贮箱,那就只能做成一个,然后在里面再加个隔板来分隔液氢/液氧。这个隔板就是个曲面壳,不过它由两层铝板夹一层蜂窝状的玻璃纤维隔热层组成,总共厚约5厘米。而氢箱与氧箱则共享一个半球形底座(就是上面这个巨大的半球),也由类似的结构组成。这种比较另类的设计方式让S-IVB级减少了约20%的质量,NASA表示心满意足。


不过隔板与底座用这样的三明治设计是有原因的:液氢的沸点是-253℃,而液氧的沸点则是是-183℃,为了防止液氧被冻住,就得做好隔热,而NASA和善的眼神又在注视着S-IVB的总质量,所以又得很轻薄——最终的结果是曲面壳顶端的铝板厚度仅有0.8毫米,底端的铝板厚度也只有1.4毫米。而它的直径,前面我们说了,是6.6米。


这么薄的厚度,这么大的面积,给道格拉斯的工程师们带来了不小的难题——玻璃纤维做成曲面实在是太容易了,但要把这么薄的铝板适配上去,可就要了命。


想象一下你要将一张纸攒成一个曲面吧,这张纸会不会变得褶皱不堪?铝板就是这样,适配玻璃纤维的一面会变得坑坑洼洼。在经历了很多次失败后,道格拉斯的工程师们索性放弃了治疗——既然褶皱不可避免,那我们就直接让玻璃纤维来适配铝板吧!经过了大量工时的人工修型之后,这个问题也总算是解决了,虽然感觉给人以一种暴力美学的风格。


这个玻璃纤维的隔热层也有一段故事。道格拉斯公司造飞机起家,一开始打算用巴尔沙木作为隔热材料。玩过航模的都知道,巴尔沙木又称轻木,还有个别名叫“飞机木”,因为其密度只有0.05-0.1克每立方厘米,很适合做飞机模型。


然而受到当年巴尔沙木减产的影响,好吧这不是主要原因,以及检测报告表明其存在结构上的显著缺陷,最后道格拉斯的工程师们不得不忍痛放弃这种材料,转而使用前面所述的玻璃纤维。


作为一个完成的火箭级,除了燃料贮箱之外,S-IVB也包括了上下裙环、级间段、外周围壳等等结构。分别位于顶部以及底部的裙环不仅支撑着燃料箱,其上面还安装了火箭的控制系统,用于发射前与地面连接;


级间段则联通着S-IVB与S-II级,中间还藏着辅助推进模块,这个模块作用很大,S-IVB需要两次点火,在两次点火中间是处于失重状态的,不仅人会失重,燃料也会失重,所以需要一个小的助推火箭推一下让燃料沉到底部,所以又叫做“沉底火箭”,除此之外还藏着若干反冲火箭,待指令/服务舱把登月小艇拖出去以后启动,与飞船系统快速分离;


外周的围壳不仅保护着燃料箱,中间也有各种各样的承力结构,像有托引擎的,有托设备的等等,这些结构大部分用的五轴机床加工而成;围壳内部还有9个氦气罐,在液氧被逐渐消耗的时候,氦气就被加热释放,用来维持液氧罐的压力(液氢罐就不用,因为液氢无论什么时候都在蒸发,自己就把压力维持住了)


当这些配件准备停当之后,就可以进行组装了。


2.终于可以组装了


S-IVB的组装中心就在亨廷顿海滩,它有一个组装大楼,高36米,周长约2230米,两台吊机负责将各种零配件送入组装区。


忙碌的S-IVB组装车间。来源:NASA


把火箭结构组装好也是一件大工程——


第一还是大,这么大的东西想装上去肯定挺费事的;


第二就是脆弱,稍微磕着碰着就可能出问题,轻则泄露重则报废,特别是液氢箱,稍微有一点缝隙碰出来,这不安定的氢分子就敢给你跑出去。


前面讲到液氢箱跟液氧箱共用一个底座,就用隔板隔开。而实际上液氧箱勉强算是个球,液氢箱实际上是一个缺了底座的油桶,因此需要把它的圆柱面跟液氧箱的上半球给焊起来。


这个工序也十分繁琐:这两个大配件为了保证气密性,常温下是会过盈配合的,因此在正式焊接之前,需要对液氢罐部分稍稍预热一下使之膨胀,再套到液氧储罐上去,之后工人们就可以去焊接了。而此时的燃料贮箱还不能承力,所以就得用吊机一直吊着——没错,想象一下你的面前吊着一个两层楼高的庞然大物,仿佛风一吹就能糊你一脸似的,这给人的压迫感不亚于达摩克里斯之剑,所以那个年代不仅工程师是英雄,一线工人也是十分有勇气的。


在十分小心地焊接完之后,燃料箱需要进行X射线探伤,同时辅以渗透剂染色检查有没有肉眼难以发现的瑕疵,验证合格之后就可以立刻开展静力试验,并接受超过设计压力5%的轻微过载,就是常规的水压测试。


道格拉斯公司造飞机起家,这种测试已经做了很多遍了,有一套完整的水力测试的体系,包括了一套自动控制系统跟让人眼花缭乱的配套仪表。一切都很完美,除了偶尔会控制不当压了过多的水导致把燃料箱压垮。


人工智障的再一次令人窒息的操作让人们不得不拥抱大自然——我们要是做一个超级大的竖管,然后往里面注水,灌多了就会溢出来,这不是比什么仪器仪表管用多了吗(想起了那个风扇吹空盒子的笑话了吗?)。所以亨廷顿海滩旁边很快就竖起了一根 43米高的水塔来补水,完成水压试验。为了防止飞机撞上去,顶部加了个灯,为了防止鸟儿在上面的筑巢,四周还有捕鸟笼。


什么?连鸟也会干扰?


当然啦,要知道组装车间高度可是有36米,而且顶部还有各种各样的支架来支撑,再加上亨廷顿海滩气候宜人,所以很快就有鸽子在房梁上做窝了。鸟屎落在人身上是小事,落在火箭结构上那可就是大事。


为了驱赶鸽子,组装车间里头安装了高分贝汽笛,动不动就叫唤两声。但一旦人们开始干活了,汽笛就得关上,然后那群鸽子又回来了。


有几位暴躁老哥拿起了土枪洋枪,但这除了收获了人道主义的批评以外,只收获了屋顶上的几个洞。把能关的所有门窗关上,看起来是个很棒的注意,但是组装车间的大门底下有一条长长的运输轨道,没错,那个熟悉的身影就又从铁轨跟门之间的缝隙钻进来了!这群白色的信使虽然是和平的象征,但是在这里,它们俨然成为了敌人。


最后还是靠鸟类专家给出了解决方案…所以你看,就算是个鸟类学家,你也一样可以为人类登月事业做出贡献。


3.测试…然后又炸了???


在如此恶劣的组装环境下,S-IVB到底靠不靠谱,自然需要测试来验证。


不同的火箭级有着不尽相同的测试方法,但总体上还是遵循“地面测试-静态点火测试-飞行测试”这个流程的。


土星五号的火箭级测试环节与测试内容。来源:NASA


具体可以细分为以下几个方面:


Structural test,结构测试。包括了除了F-1发动机以外的土星五号主体部分,也包括了S-IU仪器单元。发动机不用测试,因为它已经是最底层了。这个测试是最基础的测试,用来验证各个单元组件是否合格;


All system test,全系统测试,把发动机也加了进去。这是用来给各个承包商的工程师开展交流(以及互喷)的,各个组件需要在这一阶段联调联试,磨合到位;


Dynamic test,动态测试,这部分模拟了火箭发射时的震动等等情况,不仅要验证火箭结构在动态环境会不会故障,也验证了仪器会不会故障;


Battleship test,这里没有添加S-IC,因为在动态测试中已经把S-IC级点火启动了。而S-II级与S-IVB级作为上面级,需要额外开展点火测试;


Facilties checkout,到这一步就是最终验收,一旦合格的话,距离最后一步Flight test,即飞行测试也就不远了。


从上一篇我们知道,道格拉斯公司在萨拉门托有个自己的测试中心,这个测试中心里面有着比较完善的自检以及倒计时设施,从亨廷顿海滩到萨拉门托有一定的距离,S-IVB需要搭飞机前往,而考虑到这一级直径有6.6米,所以道格拉斯公司调用了一架名叫“怀孕彩虹鱼”的运输机来完成这个任务。


从“怀孕彩虹鱼”上卸下的S-IVB。来源:NASA


而中心里面的工作人员似乎对S-IVB这个烫手山芋颇有微词,毕竟这可是一个装满了高能燃料的罐子啊!如果氢气因为液氢贮箱发生泄漏而散逸,就会跟空气混合,在适当的条件下就会引燃。不过考虑到散逸出的氢气浓度较高且压力较大,这个火苗往往是稳定持续的。但问题就在于一旦下达了点火指令后,大量的氢气引燃就会引发爆炸。更要命的是白天产生的小火苗会在阳光的掩蔽下变得不可见,尽管液氢箱旁边有很多红外相机在不间断拍摄,但死角依然存在。


于是最令人窒息的操作来了:总有一个勇士拿着扫帚在液氢箱旁边走一圈,一旦扫帚点燃了,那就是有泄露。


然而就算是有了这种检查工作,该炸的还是会炸。


1964年1月24日,在对S-IV级进行全系统点火测试的时候,发生了惊天动地的大爆炸,TNT当量已不可考。正巧赶上土星一号SA-5飞行发射之际,由马歇尔太空飞行中心(MSFC)的W. R. Lucas与J. B. Gayle组织了11人的团队开始归零,根据磁带记录发现是液氧箱底部(同时也是液氢箱的底部)因为过压而导致出现裂缝,继而导致了在数毫秒内,整个S-IV级化作一场大火。


而卡角的工作人员经过评估后居然还让SA-5继续进行,理由是“既然液氧箱过压了会爆炸,那我们盯着点液氧箱压力就行了”。而所幸1月29日的发射还算成功,不然谢罪名单上还得多添几个人。


有前面S-IV的事故,S-IVB的测试也变得十分地谨慎,然而该来的还是躲不过,1967年1月,S-IVB 也炸了。


爆炸之后的残骸。来源:NASA


发生爆炸的是S-IVB-503,当时是作为验收测试的测试三号机。这件事情说来诡异,在倒计时150秒的时候,箭载计算机报了个错,不过很快就被解决了,在模拟点火之前11秒,这台测试机就在又一场大爆炸中灰飞烟灭,爆炸掀掉了旁边一幢房子的屋顶跟窗户,也把测试二号机的验收测试给整中止了。


事故的调查结果很快指向了氦气罐焊接问题:由于使用了纯钛而不是特种合金焊料进行焊接,导致了氦气罐无法承压而破损,破片最后导致J-2发动机燃料混合管路的损坏,继而引发爆轰,最后爆炸。


不过好在S-IVB-503的问题是彻头彻尾的人为问题,强化了生产过程的管理之后,同年五月,S-IVB-503N(原S-IVB-504)终于通过了验收测试,也算是赶上了进度。


S-IVB起步早,直径小,都研发得磕磕绊绊,那S-IC和S-II级又面临着一副怎样的光景呢?


二、 S-IC级:延迟再延迟


波音公司在1961年12月15日正式取得了S-IC级的研制合同,很快就收到马歇尔太空飞行中心(MSFC)的指示,要制造一个直径10米的第一级,采用液氧-煤油燃料体系。


不用高能的液氧-液氢燃料的原因很简单:液氢的密度不到煤油的1/10,而第一级的燃料罐不能做得太大了(再回去看一下前面那张表里的密度比冲就知道啦)


1.几台发动机?


而S-IC一开始要装多少台发动机也扯了很久的皮。在1960年底,C-5的构型开始论证的时候,芯一级的设计方案为4台F-1发动机并联。很多人都不喜欢这个方案,觉得不够稳。


特别是时任载人航天部飞行器及动力系统主任罗森(Milton Rosen),他跟顶头上司、载人航天部主任霍姆斯(就是上一篇打算用备用方案登月的那位)组了一个讨论组,在亨茨维尔的一间会议室就土星五号一级构型讨论了两个礼拜。


据罗森后来回忆,其中有一场讨论连续开了足足5天!在这两个礼拜里面,5台发动机的支持者们认为多一台发动机就多一份推力,载荷设计就能更加宽松;4台发动机的支持者们则表示,现在冯·布劳恩的设计团队已经按照4台发动机的设计在出图了,你这样子会拖累进度。最后还是冯·布劳恩出面询问了设计团队的意见,结果设计团队表示:什么鬼!我们巴不得要5台发动机好么!


原因很简单:由于土星五号的发射质量极大,因此第一级需要承受很大的力,由于此前并没有如此大直径火箭主体结构的设计经验,设计团队采用了一种比较保守的结构——使用两根交叉梁实现承力,四台发动机分列在交叉梁的四个端点,而实际在物料核算上,设计团队发现两根交叉梁的质量已经超过了预先的估计,而如果再加一台发动机在两个交叉梁的支撑点上,不仅不会对已有的设计方案做出改动,反而还会因为运力增大减少限制。


罗森后来也不得不表示:“保守的设计也是有好处的,它挽救了阿波罗计划。”


正在装配S-IC的米修工厂生产线,可以看到第五台发动机直接加在了两个交叉梁的支撑点上,并没有对已有的设计方案做出改动。来源:NASA


不过随着项目的推进,反对者们也不得不接受5台发动机的方案——每次火箭团队去休斯顿会商的时候…都会发现飞船系统又吃胖了,4台发动机的方案很快就不能满足需要。


1961年的12月21日,S-IC级的发动机构型尘埃落定,就是我们今天看到的那样——5台发动机


冯·布劳恩领衔的团队对S-IC级进行了初始设计,后续更进一步的细化则交由MSFC进行,很快MSFC发现了自己人手不够,就让承包商波音派人协助设计。这些外援力量让MSFC室变得摩肩接踵。


到1962年夏天,在MSFC工作的,吊着波音工作牌的工程师就达到了500人,不仅如此,波音还有另外600人在亨茨维尔的一座由废弃棉纺厂改造的“亨茨维尔工业中心”工作。


这还不是全部,在新奥尔良的米修工厂还有450名波音员工将要参与S-IC的加工、装配工作。此外,波音公司位于西雅图的测试中心也把风洞以及测试装备腾了出来,位于威奇塔的重型加工设备也已准备就绪,只待做好零件之后就送到米修去组装。


这个米修工厂以前是克莱斯勒公司用来制造S-IB级的,就是土星一号的第一级,由于S-IB的直径仅有S-IC的60%,工人们不得不拆掉厂房里面一些过高的支架以及空调系统,腾出了12.2米的净高,好让S-IC能够顺利进出。


波音与MSFC的密切联系很快使两家都获益良多:MSFC收到了来自工业界的很多新内容、新方法,同时也摸索出了一套与承包商合作的方法;而波音也学到了很多航天方面的经验,为后来在航天领域做大奠定了基础。时至今日,ULA(联合发射联盟)中,波音公司的份额都占据了很大一部分。


2.S-IC级的结构


S-IC级包括了煤油贮箱、液氧贮箱、以及主体结构部分。


S-IC级的结构,可以在底部看到前面所说的交叉梁。来源:NASA


由于是火箭的第一级,S-IC在重量上面的需求比起上面级来说要宽松一些,因此采用了更为稳妥的双贮箱设计,上层液氧箱,下层为煤油箱。液氧箱中贮存有1204立方米的液氧,煤油箱中贮存有730立方米的煤油。


为了保证液氧能够以每秒7.3立方米的速度到达发动机,液氧箱的输送管道还穿过了煤油箱,而煤油箱则靠10条不同的管道分别分配给5台发送机,每秒输送4.9立方米的煤油。


在贮箱之间存在承力结构,其中便有燃油加注口,分别可以以每分钟5.5立方米的速度灌注液氧,每分钟7.3立方米的速度灌注煤油。S-IC顶部有裙环与S-II连接,其中也包括了一部分控制系统来保证S-IC的正常运行。


底部为了适配5台发动机的布局,稍稍往外突出了一部分,并用一个半锥进行气动修型,内部还藏了若干个反冲火箭,在S-II分离后快速远离。四片稳定尾翼保证了其在大气层段内的稳定飞行,其特别考虑了发动机工作时产生的逾1100℃的高温,使用了钛合金制作。


在飞行测试版中,S-IC还有几个摄像机,用来观察燃料罐内机构的运行情况。还有两个顶部的彩色摄像机可以来拍S-II分离的场景,这个设计也保留到了阿波罗正式载人飞行的时候——它们在分离后溅落至南大西洋,打捞上来后就可以欣赏精彩影像。


S-IC级在设计建造的过程中也势必会产生一些问题,毕竟S-IVB有以前的技术打底,而S-IC几乎就是全新的,这便成为了横亘在工程师们面前的一道障碍。


和S-IVB一样,S-IC贮箱的设计也都是由若干片曲边板材组成的,只不过对于S-IC而言,这个数量与大小与S-IVB不同。


燃料箱顶部以及底部的半球壳,分别由8块铝合金2219的三角形板组成,它在美国最大的5万吨冲压机下成铝板基材,再送上磨床打磨,最后利用水胀液压机将其弯至合适的角度。


而圆柱面则由约3*4.8米的铝板作为基板,经过类似的工序实现贮箱的制造。以上这些零件都在电炉中进行热处理以使表面变得坚固,在波音威奇塔工厂中完成了这些工序以后,90%的工作已经完成了,剩下的就可以装船送往米修工厂进行焊接。


3.终于可以焊接和测试了


在焊接之前,各个零件需要进行清洗,特别是液氧罐,液氧虽然没有液氢那么暴力,但作为氧化剂也不是稳定的,理论上,哪怕在储罐内壁留个指纹都可能会引发爆炸。


而铝板一般会在表面有一层油,所以就先用化学试剂去油,再用去离子水洗脱,接着用硝酸在铝合金表面形成一层抗氧化层,之后第二次用清水洗脱,最后就可以送往热风箱里面烘干了。用清水洗脱的步骤均在一个12米见方高6.7米的不锈钢水池子里进行,因此也被米修工厂的工人们揶揄是“全美最大的洗碗机”。


之后就是焊接了,但焊接就要加热,加热就要变形,对于这种薄壳贮箱而言,变形得就更厉害了。为了降低温度,工程师们把环境温度调到25度以下,相对湿度控制在50%以下。但这种操作显然治标不治本,波音的工程师们又使用了“钨极惰性气体保护焊”(TIG)的方法, 来保证焊接过程的顺利进行。


像这样的焊缝,总长度约10公里,而其中每一厘米都需要保证可靠,因此需要一个15人的焊接团队连续工作8小时来完成。


焊接S-IC,可以看到基本上实现了自动化焊接。来源:NASA


焊接完之后的贮箱需要进行105%的水压轻微过载测试,10米的直径让人们利用大自然的力量变得不可能,只能重新拥抱人工智障。这个水压是如此的巨大,以至于测试完了之后罐体会膨胀1.3厘米。


为了不让人工智障导致前功尽弃的悲剧发生,人们安装了一大堆的摄像头来密切监视。去离子水会加入特殊处理的染料,一旦有泄漏发生,人们就能及时看到。


像这样的轻微过载测试只是大大小小测试的一环而已,不过在全部走完历时10周的测试流程之后,S-IC终于可以开始正式测试了。两台S-IC分别被送到了亨茨维尔以及密西西比测试装置(MTF),尽管第一次静态点火测试在1965年于亨茨维尔完成,但MTF建成之后,大部分的点火测试都在那边进行了,因为MTF有两个这样的试车台。


S-IC正在被吊装至密西西比测试装置。来源:NASA


这台124米高的测试装置成为了当时密西西比州最高的建筑,底部是1600根30米长的桩基,4根12米长的吊臂可将S-IC缓缓吊起。远远看过去,这栋建筑就是一个张牙舞爪的钢筋混凝土怪兽。


在它的混凝土结构中则聚集了包括办公室、数据中心、机械室、电梯等等组件,当然为了防止大火烧毁MTF,其底部有一个巨大的蓄水池,一套供水系统以每分钟782立方米的流量向内供水,在点火测试开始后,第二套供水系统将会以每分钟1100立方米的流量,通过密密麻麻的管线,均匀喷射在发动机底部,以保证S-IC不会过热,好开展下次实验。在持续时间为5分钟的静态点火测试中,这两套供水系统能够满足一个10000人的小城市一天的用水需求。


S-IC的焊接问题一直影响着这一级的进度。1963-64年,由于焊接问题引发的燃料箱质量不可靠的问题导致了S-IC-T全系统测试组件宣布延迟6周才能交付;而同年10月,液氧储罐的焊接问题,导致了S-IC-S也跟着推迟,至于S-IC-T更是又推迟了19周。而不断发生的其它小状况也拖累着整个项目的进度,比如S-IC-1的飞行测试就因此跟着延后了3个月。


不过没关系,这些问题最后还是解决的了,而且,反正落后的不止S-IC一家,S-II也是难兄难弟。


三、 S-II级…也是多灾多难


S-II是土星五号的第二级,也是整个火箭系统中最难制造的部分。第一级S-IC的难点在于其尺寸巨大,第三级S-IVB的难点在于液氢系统。而很不幸的,位于中间的S-II把这两个难点凑齐了


S-II最早来源于1959年12月的大型氢氧火箭级的计划,包括了J-2火箭发动机以及适配的S-II火箭级的计划。这个计划是由NASA太空飞行项目主任希尔弗斯坦(Abe Silverstein)主导的委员会开始的,而实际上希尔弗斯坦本身也是非常有经验的学者。


希尔弗斯坦在1943年就进入刘易斯研究中心开展了空气动力学研究,此后帮助自己的美国同胞进入了喷气时代。而1959年NASA成立时,他时年51岁,很快提出了一系列设想,不得不说这些设想还是很有前瞻性的。


在1969年,他从工作岗位上退休了,但同年阿波罗11号成功实现载人登月的目标,想必他也是感到十分高兴的。老爷子于2001年去世,之后于2014年跻身美国航空名人堂。


希尔弗斯坦正面照,这深邃的眼神中是对宇宙的向往。来源:NASA


而就在希尔弗斯坦做完报告后一周,NASA便启动了调研,用了一年的时间针对各种重难点问题进行了梳理,最终就S-II开展了初步设计。到1961年1月,NASA认为C-1运载火箭只能作为一个开端,不会用得很久。C-2火箭才是需要重点发展的,因此需要S-II作为第二级。


在初始的设计中,S-II的直径为6.5米,高度为22米,由4台J-2发动机作为动力。而在6月,C-2的设想被证明是不可行的,它无法让飞船进入月球轨道,由此产生了C-3的设计,它的一级S-I由两台F-1发动机作为动力,S-II则变得更粗了一点,直径达到了8.13米,而很快MSFC就建议把直径进一步扩大到9.14米。


频繁的项目改动让招投标流程延后了6周,最终NASA在1961年11月11日决定将S-II交由北美航空公司生产,并在海豹滩建立一个组装车间。


而这来来回回的捯饬也似乎预示了S-II充满荆棘的建造之路。


S-II结构。来源:NASA


S-II的燃料箱结构与S-IVB类似,为了减轻第一级以上部分的质量,S-II的燃料箱也做成了氢箱/氧箱共底,中间加个隔断壳的构型。这个承接了426.4吨液体燃料的贮箱,其结构质量只占到燃料质量的3%,可想而知这个贮箱又会是一个怎样的“易拉罐”,而且这个易拉罐还是10米直径的。


S-II整级承接S-IC与S-IVB结构,同样有裙环、级间段、反冲火箭等等内容。实际上S-II的建造方法可以参考S-IVB与S-IC,因为做大体积燃料箱的套路都是一样的。


不过可以从图上看出来,液氧箱看起来似乎不是个球形的,实际上液氧箱的高度仅为6.7米,比直径还小,所以看起来就是一个矮墩墩的样子。这么个矮墩墩的贮箱可不好做,它由12片面积又大表面又复杂的瓜瓣焊接而成。S-IVB因为面积小还能折一下,S-IC的贮箱形状又没这么复杂。


被逼无奈的北美航空工程师们居然异想天开的想出了“水下爆破成型”的办法,利用爆炸在水中产生冲击波,而水又是难以被压缩而且分布均匀的,只要合理布置炸药位置以及起爆时间,就能得到想要的结果。很快北美航空洛杉矶分部就找了隔壁埃尔托罗海军陆战队基地帮忙,建了一个211立方米的水池子以及合适的“含能材料”开始了试验,结果很成功,唯一的不足就是每制造一片适合的瓜瓣就要爆破3次。


而中间的隔断壳制造起来也很麻烦:首先是对氧箱的顶部进行成型,再是在顶部覆盖一封蜂窝状的酚醛树脂隔热层,这跟S-IVB用的玻璃纤维不太一样,之后是上层壳(也是液氢箱的底部)的粗对齐,然后利用机械在表面进行修饰,将多余的部分打磨掉。


最后再用超声波进行探伤,保证这层三明治中间不存在任何的空隙。跟S-IVB类似,这层曲面壳的顶端铝板厚度仅有0.79毫米,底端也只有1.3毫米,甚至比S-IVB做得更薄。而这层分隔液氢液氧的隔板总厚度则为13厘米。


液氢贮箱的顶部也由12片瓜瓣组成,做法类似液氧贮箱。而液氢箱的圆柱形部分则分成了5组圆环,每组圆环都分别由4片铝板折弯而成,除了最底下一层圆柱高69厘米之外为了适配裙环使之与外壁固定之外,剩余的4层圆柱均高2.4米。裙环上有636个高强度销钉,足够保证燃料箱牢牢固定。


不过显然的,由于S-II用了液氢作为燃料,S-IVB上的隔热问题在S-II上还得让工程师们挠头。


一开始他们选择了简单的外保温措施,先包上一层聚氟乙烯薄膜,再贴上一圈酚醛树酯。然而这样子有个坏处就是过冷的材料表面一旦存在气穴,里头的空气就会被液化,游移到液氧箱附近就会被液氧吸走热量再次气化,从而导致粘接剂与材料表面之间形成气泡,长此以往就会大面积剥落隔热层。而北美航空公司给出的方案是利用液氦的超流性,流过这些可能的气穴,将气体挤出去,从灌液氢开始就流动,一直到发射为止。


理想很好,现实却很无情。且不说液氦多贵这个问题,实际上这套操作的效果很不稳定,在持续失败了N次之后,北美航空的工程师们不得不另外想办法。既然不用贴的,那么索性直接把隔热材料喷上去再修型,这样子又方便经济,还能减重。


所有材料准备完毕后,S-II在经过了与S-IVB类似的垂直组装、焊接、水压静力测试、X射线探伤这些常规操作后,就可以把燃料箱装到外结构里头去了。组装完之后安排上5台J-2发动机,只要经过了MTF的一系列测试,就能正式上架准备发射。


听起来很美好,而实际上在焊接这一步又出了问题。


燃料箱储罐的材料是铝合金2014 T6,跟道格拉斯公司同样的选择,然而这个材料并不很适合焊接,但实在没得选,因为这种材料在低温条件下的强度依然足够。在这样的一个直径10米,单条焊缝长度31.4米,焊接误差要求小于0.33毫米,还不是很适合焊接的材料上做文章,那真是搞艺术。焊接的热量以及材料的形变同样深深困扰着S-II的工程师们,后来S-II海豹滩工厂主管Norm Wilson在1968年接受采访时说:“刚开始我没几根白头发,你看看我现在。”(指了指自己的满头银丝)


这满头银丝是被大量的实验整出来的。这些实验包括焊接形状、尺寸、厚度、铝合金能想到的参数都考虑进去,然后一项项实验,厚度从16毫米一路测试到不足6毫米,然后又回到了13毫米,然而统统不能用。不断的失败让工程师们的脾气逐渐暴躁,特别是焊接工程师们。


于是更多的参数被纳入实验:焊接速度、电弧电压、焊接路径、工作环境条件,甚至连焊料里头加什么辅料也要被考虑进去!所有人的实验只为了一件事——焊出完美的焊缝。


然而这注定是一场苦旅。氢箱的圆柱面是由不同的板折弯焊接而成,而不同的板处于不同的位置,受的力也不一样。在第一次焊接尝试中,圆柱部分已经完成了80%,最终却由于板材的应力突然释放,导致了整个圆柱变形,不得不前功尽弃。曲面球壳的焊接过程也是十分辛苦,好不容易焊好了,却发现公差过大,又不得不把焊缝重新切开…


在其它工厂采取了自动化的焊接技术的时候,海豹滩的工人们却依旧在做这个看起来已经过了时的活——这些人个个手持着焊枪,仿佛擎着火炬,焊接的火光在他们的眼前炸开,散作漫天的星火。而他们用经验、用不间断的尝试则化作一个个参数,转变为一行行代码,输入磁带中——没错,那个年代的程序还是烧录到磁带里面去的。这些代码蕴含了各种细节:精确的电流,电弧的温度,焊头的路径,移动的速度,甚至包括了不同的焊接工具。


时间到了1966年,这一年是土星五号研制的关键一年,所有的问题都需要在这一年内解决。各个承包商的工程师以及NASA,MSFC的代表们来到了海豹滩,他们也来协助进一步完善S-II。


在考察了现场后,他们提出了很多改进措施:降低环境湿度至30%以下;隔离出一片洁净区,它用帆布帘过滤出洁净的空气,所有焊接工人在进出洁净区时需要通过气闸舱,之后换上白色的工作服——就跟养细胞的生物PhD们一样;新的焊接技术也得到了使用。


这些操作最后还是落实到了产品上:直到1968年前,所有的S-II都有或多或少的小毛病,而自S-II9之后,这些毛病都不复存在,都是完美的产品。


在MSFC卸下的S-II,大型运输车在它面前宛如一个玩具。来源:NASA


当然事情还没完,毕竟S-II多灾多难。


还记得S-II的厚度比S-IVB还薄吗?还记得设计S-IC的时候,每次会商,飞船都吃胖了吗?飞船还在不断地长胖,飞船每重1公斤,就需要从S-IVB上省1公斤,或者从S-II上省5公斤,或者从S-IC上省14公斤。而很遗憾,S-IVB已经开始量产了,S-IC减这么多也不现实,所以只能委屈S-II了。而这也为后面的灾难埋下了祸根。


1965年9月29日,在S-II-S/D(S/D表明其需要先后进行结构测试以及动力测试)开展结构测试,模拟其安装上S-IC的时候,它发生了破裂并碎成了渣。


由于事故时间敏感,MSFC很快开始了点对点对接,在收集了残骸进行分析后,确认是底部的裙环因为缺陷受到了144%的极限压力而导致结构损坏。不得已,下次结构测试只能用原本要送到亨茨维尔的S-II-T(T表明需全系统实验测试)来替代,至于后面的实验,全部排队吧。


S-II-S/D的损失不仅拖累了S-II的后续测试,更是要拖累整个项目进度。“S-II的进度已经失去控制了,”MSFC工业处主任康纳(Brigadier General Edmund F.L. O'Connor)对冯·布劳恩说,“现在他们还有很多的问题没解决。”也正是因为这个原因,在10月份的简报中,康纳直言“S-II是目前最让人忧心忡忡的部分……我觉得北美航空似乎在S-II的制造上面存在制度上的不足。”他还给太空信息系统部(Space and Information Systems Division,S&ID)主任斯托姆斯(Harrison Storms)写信,请求他的协助。


这场事故过于敏感,甚至惊动了阿波罗任务主管菲利普斯中将(Major General Samuel C. Phillips),在1965年12月19日,他带着一个空军人士组成的团队直接去了海豹滩的北美航空工厂,并面见了北美航空总裁阿特伍德(J.L. Atwood),当面表示:“我对现在的进度很不满意。”


第二场事故发生在1966年5月28日,S-II-T也倒下了。尽管它此前完成了长约350秒的热试车,但在三天前的25日,其液氢阀门附近发生了燃烧,由于及时扑灭,并无大碍。不过就算如此,工程师们还是需要查找出原因。而就在他们手忙脚乱的理思路的同时,S-II为了赶进度,也进行了动态测试的预实验。空的液氢罐被吹入了氦气进行清扫,而这时,压力传感器离线了。


按说这不是什么大问题,接下去的莽操作来了:有一位不知名的工作人员启动了压力测试。也由此,只听得一声响,液氢箱由于承受了过大的压力豁了一道大口子,连带五人受伤,其中两个人住院。


S-II产生的大豁口。来源:NASA


事故发生的时候正好是周六,冯·布劳恩正在一个湖边休息,而斯托姆斯风一般地满世界找他,最后甚至直接打电话到他家,当然肯定找不到本尊,只能找到布劳恩的妻子。在下周二两人碰面的时候,布劳恩说“我爱人说你在电话那一头带着哭腔。”不过他安慰道:“改来改去改了这么多次,错误也难免发生啊。”


S-II-T的损坏直接导致了AS-501测试飞行的推迟,而已经造好的S-II-2(第二次飞行测试用S-II)也因为发现了其它问题而不得不返厂整修。菲利普斯中将听说了以后更是气的说“这群人怎么连这点小事都干不好!”对于北美航空公司的员工而言,那一天无疑是一个“黑色星期六”。


但问题还是要解决的。1967年1月,气消了的的中将大人又让MSFC又组织了一批专家前往海豹滩工厂去现场解决问题,传授新的技术方法。在月底前,新的焊接技术已经得到了普遍应用。


而就是在1月27号,随着一场大火,阿波罗1号3名宇航员在地面测试中不幸殉职。土星五号的飞行测试被迫推迟,而这一推迟则给S-II-1一点时间来进行修复。在一群航天大佬们的联合要求下,已经被安装上土星五号的S-II-1被重新取下来进行了全面而细致的检测,目的只有一个:确保S-II的安全。


在检查中发现了S-II-1的多个小瑕疵,这些修复工作持续了3个月。直到1967年11月9日,土星五号终于开始了AS-501飞行测试任务,圆满成功。


在发射成功的一瞬间,又会有多少人为此流泪呢?来源:NASA


四、 奔月之门终于打开


火箭的主体结构与火箭发动机一样,需要大量繁复而又细致的工作。根据齐奥尔科夫斯基公式可以看出,火箭的结构(死重)越轻越好,而这也让火箭主体部分的研制成为了“刀尖上的舞蹈”,稍有不慎就会引发大问题。


无论是S-IC,S-II,S-IVB,从发动机到外壳,土星五号火箭这个庞然巨兽的每个部件都承载着千千万万工程师以及一线工人们的智慧与汗水


土星五号的大小和结构。来源:National Air and Space Museum和NASA,改编:haibaraemily


从1959年论证到1967年首飞,土星五号足足走过了8年的坎坷发展历程。而这8年间,人们实现了从草图到实物的巨大转变,这是前人从未完成过的事业。


探索未知的旅途是一条光荣的荆棘之路,道阻且长,注定不会一帆风顺。但唯有这份勇气,才是照亮人类短暂历史的永恒光辉。


至此,擎天巨擘已然准备完毕,奔月的大门终于向人类打开。


谨以此纪念伟大的火箭工程师们,运载火箭部分到此基本结束,我们下集再见。


 参 考


[1] SP-4206 Stages to Saturn

https://history.nasa.gov/SP-4206/contents.htm

[2] SATURN | ILLUSTRATED CHRONOLOGY - Saturn's First Eleven Years: April 1957 through April 1968   https://history.nasa.gov/MHR-5/contents.htm

[3] https://settlement.arc.nasa.gov/Nowicki/SPBI1LF.HTM

[4] Haidn, O. J. (2008). Advanced rocket engines. Advances on Propulsion Technology for High-Speed Aircraft, 1, 6-1.


本文来自微信公众号: 永结无情游相期邈云汉 (ID:haibaraemily_planets),作者:天才琪露诺,编辑:haibaraemily

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