肯尼迪在登月计划发表的演讲中说：……花这十年去登上月球，不是因为容易，是因为很难……（“to go to the moon in this decade and do the other things, not because they are easy, but because they are hard”）有无数科学和工程挑战摆在面前，时间只有10年不到，而且还要和冷战对手苏联进行竞赛。登月项目挑战了整个美国，在工程高峰时期，参加工程的有2万家企业、200多所大学和80多个科研机构，总人数超过30万人。在这个规模之下，想用好莱坞的登月录像来进行造假，还真是有点儿难度呢。
1969年7月20日（中国21日），航天员尼尔·阿姆斯特朗第一个登上了月球，也人类历史上首次踏足地外天体！纵览阿波罗计划所有7次登月任务，有一次任务非常特殊，也是唯一的一次，也就是阿波罗13号任务，这次任务中航天员未能如愿以偿的登上月球。任务中三名航天员险些因飞船的致命故障而命丧深空，但这是一次“成功的失败”，在任务团队的努力补救下，三名航天员最终成功返回地球。今天让我们跟随作者复盘再现美国这次登月事故及救援的细节，以及在救援过程中表现出来的优秀应急处理能力和训练有素的航天员团队。
在介绍这次事故前，首先要把土星五号和阿波罗飞船进行素描。
一、超高、超重、超限，土星5号不能再大了
（一）超高
土星五号火箭加上阿波罗飞船（登月系统），整个火箭高111米，比自由女神像高出18米！出师未捷身先死的苏联N1-L3登月系统、现在还在烧钱孵化的SLS，同为105米身高，比土星5号还矮了6米。
图1. 土星五号火箭加上阿波罗飞船高111米，比自由女神像高出18米
（二）超重
巨大的土星五号火箭的1～3级分别称为S-1C（液氧煤油）、S-II（液氢液氧）、S-IV B（液氢液氧），箭体加上携带的推进剂重量达到2903吨，而相比较N1-L3是2735吨。在起飞时，5台F1液氧煤油发动机每秒喝下13吨推进剂，产生的推力达到347万千克力（3470吨力）。
图2.土星5为典型的3级运载火箭，起飞推力达到347万千克力
（三）超限
土星5号低地球轨道（LEO）发射能力为130吨，进入月球转移轨道 (TLI，trans-lunar injection)的发射能力约48.5吨，矮胖敦实的苏联能源火箭在运载能力上也略逊一筹。迄今为止，还没有其他运载火箭成功做到（图纸上的祝融星-大力神、战神5中途放弃），超越了人类的极限！
更为暗黑，挑战自我极限的是土星5的后继者，Saturn C-5N，N是Nuclear，核热动力的第三级发动机S-IVB N替代原有使用液氢液氧的J2火箭发动机，比冲达到800秒，推力27206千克力，燃烧时间1250秒，LEO能力提升到惊人的155吨，不过这个不在本篇讨论范围内。（有兴趣的可以考虑看并不是异想天开，核热动力火箭——无畏的先驱者（上）、并不是异想天开，核热动力火箭——无畏的先驱者（下））
图3、Saturn C-5N核热动力，LEO能力提升到155吨
（四）土星5三高，只为阿波罗登月飞船
三高的最终目的，其实只是为了把阿波罗飞船送到月球转移轨道。阿波罗飞船由三大件组成，分别是登月服务舱/指令舱（Apollo Command/Service Module，CSM）、登月舱（Lunar Module，LM），两者合计重达44吨，以及顶部可抛弃的发射逃生系统。
图4、阿波罗飞船的3个分系统
1、阿波罗发射逃生系统（LES，launch escape system）
LES由洛克希德推进公司建造，其目的是在紧急情况下将指令舱拉离运载火箭来中止任务，确保宇航员安全。
图5. 阿波罗发射逃生系统（LES，launch escape system）
当系统激活时，最大推力为890 kN的固体火箭工作，同时在仰俯小火箭的配合下，通过4秒钟的燃烧，偏离有故障的运载火箭并达到足够的高度。最后LES被抛弃，指令舱的降落伞打开平安降落。在没有紧急情况，4100公斤重的LES也是累赘，一般在运载火箭的第二级点火后约20或30秒，在60公里高空，用固体燃料火箭发动机抛弃，轻装上阵去月球。得益于土星五号的出色表现，LES每次都坐冷板凳。
图6.注意在顶部仰俯小火箭的配合下，LES可偏离有故障的运载火箭并达到足够的开伞高度
作者宝地插个广告……如果喜欢土星五号这款火箭的话，推荐购买这款积木模型，放家里镇宅好用（读者别打我哈）
2、登月服务舱/指令舱
指令舱（Command Module）是宇航员在飞行中生活和工作的座舱，也是全飞船的控制中心。形状为截头圆锥体，高3.23米，底部直径3.91米，重约6吨。指挥舱分前舱、宇航员舱和后舱3部分。前舱内放置着陆部件、回收设备和2台姿态控制发动机等。宇航员舱为密封舱，存有供宇航员生活14天的必需品和救生设备。后舱内装有10台姿态控制发动机、推进剂罐，还有制导导航系统以及计算机和无线电分系统等。电源是通过CSM 脐带电缆，由服务舱提供。
图7. 登月服务舱/指令舱，Apollo Command/Service Module，CSM
把登月舱送到月球并把航天员再接回地球，全程陪伴的是登月的保姆车——服务舱（Service Module）。舱体为圆筒形，高6.7米，直径4米，重约24吨。其前端与指令舱对接，后端有推进系统主发动机。主发动机用于轨道转移和变轨机动，型号为Aerojet的AJ10-137，推进剂是典型的美系毒发专供，燃料和氧化剂分别为航空肼（Aerozine 50）/四氧化二氮，高压氦气挤压循环，依靠发动机喷管巨大的扩张比，真空比冲达到了314秒，推力91kN。姿态控制系统由16台火箭发动机组成，它们还用于飞船与第三级火箭分离、登月舱与指挥舱对接和指挥舱与服务舱分离等。
8.阿波罗15号登月服务舱/指令舱，注意服务舱上2/4个一组RCS，每台R-4D发动机推力440N
3、登月舱以及他的莲花瓣襁褓适配器
登月舱由格鲁曼飞机公司设计和制造，是个大家伙，分为下降级和上升级组成，地面起飞时重15.2吨，高7.04米。宽 4.3米，四条腿张开，对角线长9.4米。
①下降级：由下降级发动机（LMDE）、推进系统等配套仪器组成，上期已经讲了其赫赫有名的超临界氦气贮存增压系统，详见，以及。
②上升级：是登月舱主体。宇航员完成月面活动后驾驶上升级返回环月轨道与指挥舱会合。上升级由宇航员座舱、返回发动机、推进剂贮箱、仪器舱和控制系统组成。宇航员座舱可容纳2名宇航员(但无座椅)，有导航、控制、通信、生命保障和电源等设备。
图9.阿波罗登月舱
这么大的胖子，腿收紧之后直接坐在土星五号的第三级火箭上，而依靠阿波罗飞船/登月舱适配器（Apollo Spacecraft/LM Adapter,SLA），托举瘦小的登月服务舱/指令舱。
图10.阿波罗登月舱的适配器，合拢之后托举瘦小的登月服务舱/指令舱
SLA由北美航空公司（Rockwell）制造，是一个重量1.8吨的锥形铝结构，底座用螺栓固定在S-IVB第三级火箭顶部的仪表单元上，通过铰链固定四块6.4米高莲花面板，它在发射期间类似整流罩保护月球模块（LM）。
4、服务/指令舱和登月舱的太空组装
在发射后约两小时，S-IVB第三级火箭二次点火进入月球转移轨道后，阿波罗飞船启动太空组装！
图11.Apollo 7 测试期间，图上SLA右上方面板没有完全打开呈45度，后更改设计
第一步，四块莲花面板通过火工品和登月服务舱/指令舱分离，并徐徐展开45度角。
第二步，服务舱上的R-4D姿态控制发动机工作，服务/指令舱起身向前一小步。
第三步，服务舱上的R-4D姿态控制发动机工作，服务/指令舱完成180度掉头。
第四步，服务/指令舱和登月舱来一个太空接吻—对接，并一起缓缓后退，开始奔月旅程。
图12.分为4步完成阿波罗飞船的太空组装
图13.组装后的阿波罗飞船，开始登月之行
二、载入史册的太空营救
在西方人眼里，13是一个不吉利的数字，即便已有两次非常成功的登月任务完成，个别宇航员家属还是忧心忡忡（怕事不过三……）。
三名宇航员分别为：指令长，吉姆•洛威尔（Jim Lovell），指令舱和登月舱的任务员分别为杰克•斯威格特（Jack Swigert）与弗莱德•海斯（Fred Haise）。
（一）开局有惊无险
阿波罗13号倒计时中规中矩，于1970年4月11日美国东部时间下午2点13分升空。不过刚发射就出现了一些异常，由于由于推进和结构系统中的高振幅振荡，S-II级中央的J2发动机提前132秒异常关闭，通过四个外围J2发动机额外工作34秒，弥补了大部分速度增量的损失，后续S-IVB三级又延长9秒的燃烧，使目标速度差异控制在-0.4米/秒以内，达到10.9公里/秒，顺利进入停泊轨道，算是有惊无险。（猎鹰9也发生过此类异常，算是向前辈致敬ORZ）
（二）休斯顿，我们遇到麻烦了！
虽然有个把小插曲，登月任务的前两天按计划进行，整体来说阿波罗13好像是整个项目中最顺利的飞行。以至于46小时43分钟，地面通讯主任Joe Kerwin说：“就我们而言，飞船的状态确实很好。我们无聊的想哭。” 这是最后一次有人提到无聊……
在55小时52分，宇航员被要求打开2号氧罐的搅动风扇，电门在55小时53分接通，大约90秒后，宇航员们听到巨大的“砰”的一声，同时B路直流总线（分为A路和B路两套）低电压警告灯频闪，航天器的遥测几乎完全失去了1.8秒。宇航员Jim Lovell报告：“休斯顿我们遇到麻烦了！“（休斯顿是任务控制中心所在地）
图14.“休斯顿，我们遇到问题了”Jim Lovell（图为阿波罗13号电影剧照）
诡异的是两分钟之后，告警自动恢复。但肯定有情况，在爆炸发生后十三分钟，宇航员宇航员Jim Lovell无意中发现左侧舷窗外的异常：“我们正在向太空释放出一些东西，是某种气体！”
爆炸产生的巨大冲击力，加上气体持续泄露，阿波罗13号偏离航线，尽管舱体外的RCS依在按程序努力调整飞船，但于事无补。
事发时间是4月13日21:08小时，甚至在休斯顿载人航天器中心大楼16楼顶上的5名工作人员兼业余爱好者，也通过16英寸的施密特-卡塞格伦望远镜发现阿波罗飞船在向太空喷射出什么东西。大家意识到不对劲……
几分钟后，1号燃料电池退服，再不到半小时后，3号燃料电池也退服。一开始地面控制人员判断为电气问题，是不是燃料电池到总线的跳闸？于是命令指令舱下电。但当发现1号氧罐压力下降，紧接着2号氧罐彻底变空，大家意识到情况危急！
（三）无奈的决断——放弃登月
航天员进行了几次尝试以节省1号氧罐中的剩余氧气，但其压力继续降低，仅剩的2号燃料电池的电压慢慢的变小。阿波罗登月任务规定，在仅有一个燃料电池情况下是不允许进行登月操作，何况现在是3个都快挂了！
大家心里都明白，登月无望！然而登月服务舱配置的两个氧罐耗尽，宇航员的生存都成问题了！因为这些氧不仅用于发电，还用于呼吸和饮用……宇航员Jim Lovell在回忆录写到，不能登月的遗憾消失无踪，现在是肚子里打了个结，要为生存而战！
爆炸发生后1小时29秒，担任地面通信主任的Jack Lousma在飞行总监Glynn Lunney的指示下说：“我们需要考虑登月舱用来当救生艇了。” 宇航员Swigert回答说，“这也是我们一直在考虑的问题。
登月舱成为唯一能够安全返回地球的足够电力和氧气来源，阿波罗13号登月任务被迫终止。在58小时40分登月舱被启动，惯性制导参考从CSM舱转移到登月舱制导系统，CSM舱被关闭。
（四）在脆弱的“生命之舟”过五关斩六将
救援行动分为两条主线，一是回家，操作登月舱在距离茫茫宇宙准确变轨，将宇航员带回地球；二是生存！管理重要的生存资源氧气、水、电和用于清除空气中二氧化碳的氢氧化锂。
1、第一关：拿什么变轨回家
回家必须要进入地球-月球自由返回轨道并进行必要的中途修正，正常情况下是由服务舱完成。但是，启动服务舱主发动机需要电，没电不行。并且鉴于爆炸之后服务舱不确定的状况，经过决策，使用登月舱下降级发动机替代。
在爆炸后5小时，登月舱下降级发动机进行了第一次工作，历时34.23秒，在61小时29分43秒将原本月球进场轨道，转移到地月自由返回轨道。这里也解释一下，地月自由返回轨道（free-return trajectory），这种特殊设计的轨道巧妙利用地球和月球引力，让探测器飞抵月球附近后借助月球引力，完成转弯并返回地球，走一个8字，不需要使用推进力，仅需中途小幅修正，这个轨道是NASA的Arthur Schwaniger在1963年研究的结论。
图15.利用登月舱下降级发动机三次调整加速，走省力的8字形自由返回轨道回家
其实将登月舱作为应急救生艇的理论在1962年选择月球轨道交会模式就被讨论过，后续在阿波罗10号训练期间进行了深入的可行性分析，虽然NASA认为服务舱出事故的可能性非常小，但NASA的工程师和飞行控制员仍然为这种可能制定了改进和一系列应急程序，未雨绸缪，比如在阿波罗12号后续的发射，三级二次点火将飞船射入高偏心椭圆轨道，该轨道具有自由返回轨道特性，以防服务舱推进系统出现异常。因此在此次阿波罗13号的抢险中，这些应急程序被找出并迅速用于指导抢险。
图16.阿波罗12号后的发射，三级二次点火打高偏心椭圆轨道，具有自由返回轨道特性
飞行控制人员同时着手宇航员回地球的回收舱打捞工作。调整飞船的速度可以控制在地球上的落点，经过计算，按现有速度阿波罗13号回到地球会溅落在印度洋，任务时长152小时；而全速前进，最快是溅落在大西洋的133小时，但由于负责回收的队伍部署在太平洋地区，因此阿波罗飞船选择小幅加速，提前10小时达到地球，于发射后142小时40分溅落于太平洋。
于是三名宇航员在接近月球时，收到了休斯顿的指令：在绕过近月点（pericynthion）之后两小时，简称PC+2，使用登月舱下降级发动机进行时长5分钟的点火，加快回家的速度。
图17.前队变后队，后队变前队，登月舱临危受命，勇挑重担，力挽狂澜
在渡过难熬的24分35秒绕月球背面的失联后，79小时27分飞船使用登月舱下降推进系统进行263.82秒点火，返回地球的速度增加了262.3米/秒。
由于加速过程中出现导航偏差，在105小时18分第三次使用登月舱下降级发动机进行了14秒的修正点火，纠正了2.377米/秒的速度偏差。原本用于月球降落的下降级发动机出色的进行了3次点火，工作时长累计达到312秒。
2、第二关：解决电的问题
3名宇航员拥有的是一个死机的服务舱，一个电池已经大量耗尽的指令舱，而没有电的指令舱无法进行重入大气层的操作。
任务控制中心想出了一个办法，利用登月舱的电池对指令舱的电池充电（好比拿个充电宝给手机充电），即便这样的充电法“只有20％到25％的效率”，但这已足够。但满足45小时任务时长的登月舱，电池仅有有2181安时，因此绝非必要的电器统统被关闭，能耗降低到正常水平的五分之一，剩下登月舱电源为指令舱电池充电。这些控制是非常有效的，在和登月舱分离时，服务舱仅剩下20％的电力。
不过由于关闭电气系统，宇航员失去了热源，浮光掠影的太阳并没有什么用，温度下降到3.3摄氏度，宇航员和冰冻游泳池的青蛙一样冷，特别是Jack Swigert，脚湿却没有月球套鞋。
3、第三关：解决水的问题
水是真正的问题，大概仅剩下28.2磅的水，这些水要给人喝，还要和乙二醇混合后通过空间蒸发放热的方式，给电子设备冷却。但如果登月舱断电以节省电力，就会产生更少的热量并节省冷却用水，情况就会大大改善。
一个来自阿波罗11号的数据点，关闭导航系统，登月舱电子设备可以在没有水冷却的情况下在太空中坚持工作七到八个小时。但航天员依旧严格的控制水的消耗，每天的食物减少到六盎司，仅为正常摄入量的五分之一，宇航员变得非常脱水，最多一名减重31.5磅。
图18.留一名宇航员站岗，其他宇航员休息减少消耗。图为宇航员Haise打了个盹
4、第四关：解决二氧化碳浓度高的问题
登月舱的设计任务时长是满足2个宇航员45小时的消耗，而现在不得不满足3个人90小时的消耗。计算下来，氧气充足，但登月舱用于去除空气中二氧化碳的氢氧化锂过滤罐（LiOH，LiOH + CO2 = Li2CO3 + H2O）明显不足，必须要用到指令舱的氢氧化锂过滤罐。
但问题出来了!登月舱、CSM舱的承包商分属于格鲁曼公司、北美航空（1967年合并为北美洛克威尔）两个，规格完全不同！登月舱是圆形氢氧化锂过滤罐，不适配指令舱方形氢氧化锂过滤罐，拿方的过滤罐塞到登月舱圆形安装开口，塞不进去！
图19.圆形和方形，两个供应商分别提供的氢氧化锂过滤罐
在登月舱呆了一天半之后，二氧化碳浓度告警显示已经达到危险水平，如果休斯顿地面团队再没有想出解决办法，宇航员真的会死于二氧化碳中毒。
连续两天，地面团队日以继夜，使用飞船上的一切可用材料，比如袜子、塑料袋、飞行手册的封面、布基胶带来解决这个问题。最终的方案是用纸板做成方盒，盖在方型氢氧化锂罐背面，留拱形通气，再套上塑料袋密封；开一个口接宇航服呼气软管用来抽取空气，宇航服呼气软管另一端用胶带纸连接在登月舱过滤罐的圆形入口，用风扇抽取并循环净化。
图20.地面团队日以继夜终于想出了解救办法
宇航员在太空如法炮制，二氧化碳水平立即开始落入安全范围。任务控制创造了另一个奇迹。
图21.任务控制中心需要想到一种方法，把方的罐“塞”到圆的槽。
图22. 后续的阿波罗任务操作手册说明和描述了应急搭建二氧化碳过滤系统的教材
5、第五关：解决导航的问题
没有航向修正，返回的航天器将完全错过地球或撞向地球。在阿波罗进行长达5分钟的PC + 2点火前，必须确保导航准确性。通常，通过六分仪（称为对准光学望远镜，六分仪，AOT）找到合适的导航星，并在计算机的帮助下校准导航平台是很简单的。但爆炸后的服务舱，一大堆破裂碎片在阳光的反射下发光，让人无法看到真正的星星。
图23.服务舱爆炸之后的残骸反光，影响了宇航员用星光进行惯性平台的校准
如何解决导航的问题？休斯顿任务控制中心的天才想出了使用太阳来替代星星的想法，没有哪块碎片的反光会让你看不清楚那个最明亮的恒星！虽然太阳的大直径可能带来误差，但没有更好的选择了。
宇航员Jim Lovell把太空船转向休斯顿所要求的方向，如果对准了，太阳将处在六分仪中心！向太阳对齐方法被证明误差不到半度，宇航员在此情况下，准确进行了时长达到5分钟的PC + 2点火，顺利踏上了快速回家的路程。
在137小时40分13秒，还有约6小时就要重入大气层，宇航员使用登月舱的姿态控制发动机RCS进行了最后一次中途修正，燃烧时长21.5秒，最终指令舱在和登月舱、服务舱分离以后以11.88公里/秒的速度重入，4月17日准确溅落在距目标点约1.0英里，也就是距离硫磺岛号航空母舰3.5英里外的太平洋海面。
图24.指令舱溅落太平洋，3名宇航员平安回家！
电影《阿波罗13号》对这个情景进行了艺术加工，把对准的太阳替换为地球，宇航员透过舷窗对准地球点火发动！隐喻回家的信念。
上篇提到了燃料电池、氧罐等一堆莫名其妙的设备，事故究竟是怎么回事？下篇，将带你了解事故背后，殚精竭虑的登月项目电源设计以及一个阴差阳错装上飞船的超临界氧贮罐。
在空调房的你，吹着习习凉风，你不曾想过这电是怎么来的。而当时设计登月供电系统的科学家和工程师为此是伤透了脑筋。这阿波罗13号的事故究竟是怎么回事？还需要从登月项目的电源设计说起。
三、了解事故背后，殚精竭虑的登月项目电源设计
在上篇《虽败犹荣，力挽狂澜的阿波罗13号太空营救行动(上)》中提到了燃料电池、氧罐等一堆莫名其妙的设备实施上都和登月项目的供电系统相关。
登月项目的供电系统要满足飞船上的计算机、地月之间通讯（中继）、生命保障系统工作的需要，但电源设计必须和任务特征紧密关联。载人登月的任务时间不长，仅为14天，总能量需求不高，但要求有极端的可靠性、轻质量。
现在天上的卫星，尤其是静止轨道卫星，动不动就张开几十米宽的太阳能电池帆板，尽情享用取之不竭的太阳能，特别适用于以年为单位的长期项目。但太阳能发电技术用在十几天的登月项目上，水土严重不服。
60年代的太阳能发电技术，转换效能差，体装式太阳能电池阵功率不满足；而大面积帆板，折叠、展开和对准太阳的机构死重，还要防止打不开的悲剧情况；其次在任务期间遇到的地影、月影，仍旧需要蓄电池顶上；最后月球尘埃多，登月舱下降扬起的尘埃遮盖，影响发电效能，因此服务舱和登月舱采用太阳能发电并不适合。
难道用普通的、死沉死沉的、占体积的化学电池？这对于本来已经三高的土星5号已是亚历山大！不甘心屈从现实，对于阿波罗登月计划来说，供电系统设计是一次挑战人类科技极限的大胆尝试，不走寻常路，为了最优方案，NASA剑走偏锋！（其实NASA算理性的，见文末彩蛋，苏联偏的要命，转向核动力，灾难不断）
（一）摒弃死重，兼顾多重任务需要的燃料电池设计
燃料电池是直接高效的将氧化剂、燃料的化学能变成电能的电化学装置，只要氧化剂、燃料充足，不会像普通化学电池饱受容量不足的焦虑感困惑。
第一个实用的燃料电池是由F.T.培根于1932年在英国开始研制的，开发的5千瓦氢氧碱性燃料电池通过为焊接机，圆锯和2吨叉车提供动力证明了其能力。在美国太空飞行的早期阶段，燃料电池的各种优势崭露头角，除了满足功率、效率、重量、寿命、可靠性、安全性、开发成熟度等要求之外，燃料电池还提供了许多优于竞争电力系统的特殊优势。其中值得注意的优势是氢氧燃料电池的电化学反应的产物----水，能够为机组提供饮用水和用于机舱空气加湿。它更有希望满足计划的NASA较长时间载人任务的机载电力需求。
在NASA和其他美国政府组织关注和投入下，在工业界、大学和国家实验室中对于燃料电池的开发项目几乎爆炸式增长，成果也非常喜人。
1962～1965年在7次双子座（Gemini）绕地球轨道飞行任务中，燃料电池第一次成功地实现了高可靠度的供电。通用电气（GE）公司的Grubb和Niedrach开发了氢氧燃料电池，使用固体聚合物电解质，被称为离子交换膜技术（当时称为IEM，ion-exchange membrane，后续改名为质子交换膜技术），单个1kW动力由三组32个电池单元组成，两个1千瓦的动力单元满足最大负载要求，平均功率为620瓦，支持双子座8天的任务时长。燃料电池在双子座任务中一战成名！
不过登上月球的燃料电池技术不是基于双子座类型的质子交换膜燃料电池，而是基于之前提到的培根发明的更高性能的碱性燃料电池（AFC）。普惠公司（Pratt＆Whitney）于1959年获得了培根燃料电池技术的专利，并将该技术改进应用于阿波罗登月任务。
图25.登上月球的更高性能碱性燃料电池（AFC），现在已经可以不用昂贵的铂，推广性强
阿波罗CSM模块电源来自服务舱中的三个并联的“氢氧燃料电池”。每个燃料电池包含31个串联的独立电池单元，组合产生27至31伏特电压。每个燃料电池单元的正常功率输出为563至1420瓦，最大功率为2295瓦（20.5伏特）。标称工作时长为400小时，但实际跑了690小时没有失效过。 每个燃料电池的高度为1.1米，直径为0.56米，重量为111千克。
图26. 三个并联的“氢氧燃料电池”矮胖墩
（二）高科技的低温氧罐和低温液氢罐
碱性燃料电池需要的氢和氧，如何高效的带上天？阿波罗的CSM舱带了氢、氧罐各两个。液氢两个一组，由直径为0.806米圆罐子贮存，每个罐子装有13千克液氢；氧，由两个直径为0.66米的“高科技”超临界氧罐贮存，罐体材料为Inconel 718合金，每个罐子装有148 千克氧，合计296千克，其中204千克用于发电，其余用于太空舱增压、呼吸。
传统的环境温度气体增压贮存技术，钛钢瓶厚重，效率低下。而超临界技术可以巧妙的解决这个问题。比如氧的临界温度为154.8K，临界压力为5.03MPa，初始填充液氧，液氧受热后膨胀达到临界压力，成为单相的超临界氧，不会出现棘手的液气分层的情况，而10MPa以下范围在工程实现上并不是特别难的事情，密度又可以和液氧媲美，相关技术详见《漫谈阿波罗登月项目的超临界氦贮存增压技术 》。
显然超临界氧贮存技术可以有效减轻重量、体积！实际使用的超临界氧罐的压力设计为6～6.45MPa，工作温度范围可以在-207～27摄氏度，每个罐体内有一个加热器用来排出氧，为了防止出现意外，罐体安装了泄压阀，泄压门限值为超过6.9MPa。但当压力超过15.17MPa的时候，超临界罐会破裂。
实现超临界贮存的难题是在于绝热，阿波罗的超临界氧罐用了8道隔热层，每道包含6层：3层0.0005英寸厚的覆铝薄膜，两道玻璃纤维纸（Dexiglas Paper），一道玻璃纤维。蒸发吸热管在8道隔热层之间。
不过凡事也有利有弊，球形侧壁漏热, 热量从外部传入, 靠近外壁的氧温度升高、密度减小，导致超临界氧在微重力条件下出现热分层现象，分层使得难以测量罐的填充水平和温度。因此在罐体内配置两个1800转/分钟的电机驱动的风扇用于搅动氧，搅拌更均匀提高测量准确性。而各种导线都用特氟龙涂覆绝缘，防止和氧产生反应。
图27.2号氧罐内部组件说明
图28. 两个罐体紧挨着装在了服务舱的架子上，挤在燃料电池和液氢罐边上
图29.三个燃料电池和两个氧罐以及复杂的管路紧挨在一起，高密度但也一损俱损。
（三）氢氧燃料电池反应的产物——水
阿波罗飞船的氢氧燃料电池结合氢和氧产生电和水，据称每生成350g水可以提供一度电，在为期14天的月球任务中，阿波罗的燃料电池除发电同时产生约220升的饮用水、空气加湿用水，一举多得。
一开始由于水里面还渗了少量的氢，宇航员普遍抱怨口感不好，后面加了氢过滤膜之后，循环水利用的创新得以真正实施。这些水还用于个别功耗较大电子设备的冷却。
（四）对于工作时间短的登月舱上升级、下降级采用了化学电池
普惠公司其实也为登月舱开发了三个燃料电池、外加辅助电池的供电方案。不过NASA认为，对于使用时间设定为45小时的登月舱，此类任务周期短、能量要求不高，采用更轻巧的一次性能源更为划算。最简单的就是化学电池，比如银锌电池，虽然能量密度比不过燃料电池，但银锌电池已具有较高的能量重量比，在锂离子电池面世前长期拿该排行榜第一，广泛使用在军事、航天。
银锌电池使用氧化银阴极，锌作为阳极，加上碱性电解质，通常是氢氧化钠（NaOH）或氢氧化钾（KOH），银在阴极从氧化银还原为银，锌被氧化为氧化锌，产生的电压为1.55V，现在要价20块钱的斯沃琪Swatch手表电子（嗨，行话，无奈.jpg，科普还需给力），就是用的这个。
登月舱的下降级电池配置了4套28-32V，415安时的银锌电池，每个61千克；上升级配置了2套28-32伏，296安时银锌电池，每个57千克。登月舱合计携带了378千克电池，可以说是运费最贵的电池组了。后续的阿波罗的月球车也使用了银锌电池。
对于指令舱来说，是依靠电缆脐带用着服务舱的燃料电池。自身携带的三套40安时银锌电池只用在和服务舱分离、重入大气层的时候。
四、罪魁祸首——一个阴差阳错装上飞船的超临界氧贮罐
虽然戏剧性的救援为整个阿波罗团队赢得了喝彩，但任务失败了。调查组于 1970年4月17日成立，并于6月15日提交了最终报告，得出的结论是“事故不是统计意义上的偶然故障造成的，而是由于一系列罕见的错误组合，再加上设计上的不足。”
这些错误包括贮罐掉落、缺乏内部检查、糟糕的氧排空策略和灾难性的高温烘烤。简单来说，阿波罗13号遭遇的问题主要是围绕2号氧罐。
（一）1965年埋下的祸根
1962年登月服务舱的承包商，北美洛克威尔公司（North American Rockwell)分包给比奇飞机公司制造氧罐的加热器组件，包含安装在氧罐内部热保护恒温开关（控制最高温标不超过80华氏度，约26.6摄氏度)，规格为使用28 V的直流电源。但1965年，北美洛克威尔公司发布了修订后的规范，规定加热器组建改用65 V直流电源进行氧罐加压，主要是适配肯尼迪航天中心使用的65V电源，同时可以减少加压时间。
不过这个修订，并没有执行到位，比奇飞机公司为氧罐订购的开关还是28V的老型号。NASA，北美洛克威尔公司、比奇飞机公司在核查图纸时均未检测到热保护恒温开关型号的差异，测试也没有发现开关与肯尼迪航天中心地面支持设备的不兼容性，因为无论是认证还是验收测试都不需要加载长时间运行。一个小错误，华丽丽的通过了各个检查，三方均对此负有严重疏忽责任。
（二）阿波罗10号的拆机件
肇事的氧罐原本被安装在1969年发射升空的阿波罗10号上。但就在阿波罗10号发射前，这个液氧罐却被拆卸了下来进行维护和改装，但不慎从大约2英寸(约合6厘米)的高度上摔落下来。娇贵的薄壳氧罐被怀疑受损。
因此这个氧罐没有被装回到阿波罗10号上，但经过检查，并未发现有损坏的情况。不过这种检查其实未能发现其内部有一根管线遭受了轻微的损伤。
图30.肇事的2号氧罐同款，由Esthr拍摄
（三）氧排空测试导致的电线绝缘层损坏
阴差阳错的，NASA便把这个序列号为10024XTA0008，带着内伤的氧罐装在了阿波罗13号的服务舱上。3月27日，即发射前两周，技术人员再次对各项部件进行了严格检查，检查中发现这个氧罐再一次无法正常排空氧，降至92％就下不去了，通过排气管线施加80psi的气氧也无法排出超临界氧，测试主管经请示决定使用氧罐内的电加热器“蒸发”剩余的氧。
加热器开启了很长一段时间，达到8小时，不适配的65V电压的大电流导致热保护恒温开关被烧化，无法在异常情况及时断开电路，于是液氧罐内的温度持续升高，一直到了超过1000华氏度。
图31. 事故调查复现银触点在大电流状态下被烧熔短路，失去断开电流恒温保护的能力
工作人员过度关注排空的问题，却忽视了温度超标等的其他警告，使得加热器附近的布线经受了非常高的温度（1000°F，约合537.7摄氏度），特氟龙绝缘层遭受了严重的损坏……
（四）直接原因——电弧短路
充满液氧的氧罐躺在架子上，好比是一枚定时炸弹。当宇航员接通风扇电机搅拌液氧后大约2.7秒，绝缘层受损的电线发生了电弧短路，飞船电气系统中记录了11.1安培的电流尖峰和同时的电压降，短路点燃了损坏的特氟龙，十三秒后2号氧罐压力和温度突然增加，达到6000 psi（约41 MPa），还没等工作压力为6.9MPa的泄压阀工作起效，高压很快使罐体破裂……
图32.事故调查模拟使用约10到20焦耳的电能即足以点罐内的特氟隆
2号氧罐爆炸的同时也会破坏1号氧罐的导管，或导致其中一个阀门泄漏，随着1号氧罐的泄漏，最后一个燃料电池也退服了。
遥测到的服务舱温感轻微温升表明，泄出的氧气很可能点燃了隔热用的覆铝薄膜，和泄出氧气共同对4号隔舱加压，结果把面板炸飞！弹出的面板又击中高增益天线，中断了与航天器的通信1.8秒，后续依靠备份的全向天线恢复通信。
图33.博物馆内模型再现了当时的爆炸场景
（五）一系列的改进
NASA迅速从阿波罗13号的经验中汲取教训！从阿波罗14开始，增加了第三个氧罐，确保容量充足而无需反复测量氧的消耗量，对所有的氧罐进行了改进，拆除氧罐内搅拌风扇设备，避免故障。同时在服务舱中添加了400 安时辅助电池以备紧急使用，比如在三个燃料电池同时出现故障的时候赢得宝贵的抢救时间（阿波罗12号遇到了类似的险情）。
图34.新款氧罐做了9处改进，彻底杜绝事故隐患
九个月之后，阿波罗14号飞出佛罗里达州的天空，这一次成功登上月球。
五、虽败犹荣，可圈可点的阿波罗13号奇迹
耗资3.75亿美元的阿波罗13号没有成功登上月球，在突如其来的灾难面前，凭借着地面团队和航天员的出色表现，以及登月舱系统的卓越性能终于化险为夷、平安回家，否则这起事故几乎是灾难性的。
（一）出色的航天系统工程和设计
阿波罗登月舱由指挥舱、服务舱、登月舱组成，其实最复杂、难度最大的是登月舱，这个最让人关注的登月舱，也是到目前为止唯一成功实现载人登月的航天器，虽然已经过去近50年，但对各国登月航天器的设计仍具有借鉴作用。
格鲁曼公司在20世纪50年代末和1961年开始进行月球轨道交会研究，1962年11月7日格鲁曼成功夺标，成为阿波罗登月舱的主承包商，共制造了13个登月舱。不过整个登月舱的研制进度滞后，第一次无人飞行延后10个月，载人登月也因此滞后三个月，差一点让60年代末登月的计划黄掉。尽管如此，登月舱被证明是阿波罗飞船/土星5号火箭等各个分系统中最可靠的部分，未在任务中出现瑕疵，而且体现了优异的应急操作能力，在应急抢险中为机组人员提供了两倍于设计预期的寿命。关于读者非常想了解的登月车是怎么装上登月舱，我会写另一个专题。
图35.阿波罗16号登月舱在月球上的留影，一堆垃圾是月球车的地月快递包装
而格鲁曼公司的另一波工程师还在同一时期研发猫迷们心爱的F14，TOMCAT雄猫重型可变翼舰载机。
（二）四套班子，齐心协力！——给力的地面团队
在把宇航员送上太空的同时，地面上的控制人员必须掌握轨道上的航天器的实时数据并进行应急处置，这一点至关重要。1958年飞行运行部门的负责人，前NACA工程师克里斯托弗•卡夫特（Christopher Kraft）第一个提出了任务控制的概念，其主要思路是在控制中心建立航天器系统在地面的复本并进行全真模拟。卡夫特后续加入NASA的太空任务组，该组负责将宇航员送入轨道，并担任水星计划的飞行控制员。在他的指导下，该组进行了无数次模拟，编写任务指导手册，在实际飞行期间据此进行可靠的决策。
单个班次的飞行控制团队对于短时间的水星飞行来说是可行的，但随着双子座的任务变得更长，分工变得必要，一天二十四小时被分成三个八小时的轮班，这就需要三个任务控制小组，采用简明扼要的颜色命名法，称为红队、蓝队和白队。卡夫特悉心培养的克兰兹（Gene Kranz，37岁）加入了白队，并迅速成长晋升。
图36.克兰兹标志性的平顶短发和白背心（1965在休斯顿任务操作控制中心控制台吃便饭）
按照卡夫特的理解，飞行总监拥有飞行任务执行的最高权力，如果要给这个岗位职责进行描述，只有一句话“飞行总监可能采取任何必要的行动，以确保宇航员安全和任务成功！”。
然而人类在太空征程上是以付出生命为代价，在1967年阿波罗1号在进行测试过程中，三名宇航员在发射台因电气火花引燃纯氧而丧生。（本来作者提供了一张更血型且震撼的照片，来向读者展示阿波罗1号事故和太空探索的惨痛代价，但是考虑到大家的承受能力和对航天员的尊重，在此不公开了，主页君注）
图37.烧毁的阿波罗1号指令舱——人类在太空征程上是以付出生命为代价
克兰兹经历了这一不幸，他听到了三名宇航员在牺牲时的呐喊并深深为此愤怒和自责，他把“坚韧而得力胜任（tough and competent）”作为任务控制者的座右铭。
不过登月任务的时长延长到7～14天，三班倒吃紧，因此地面飞行控制团队被划分为4个班次。每个班次根据任务分别配置了飞船通讯员、飞行动力学主管等11个岗位，甚至包括外科医生。阿波罗13号的地面控制团队分为白、黑、金、褐四个。
作为白队的飞行总监，克兰兹负责奇数编号的阿波罗任务，包括完成阿波罗11号登月，是阿波罗13号四位飞行总监中最资深的，由于克兰兹的出色表现，他被任命为担任首席飞行总监。从T-9开始，黑队在控制中心执行当班，每个班次的工作时长大致为8小时。
图38.白、黑、金、褐四个团队根据值班任务不同，分别配置11个岗位的专家
克兰兹领导他的飞行控制员团队由工程师和科学家组成，平均年龄26岁，刚入职时并没有太多的经验，但年轻、精力充沛、意愿强烈、刻苦好学、工作投入，外加黑咖啡和雪茄提供的“特殊支持”，弥补了不足，在太空竞赛过程中成长迅速。在阿波罗13号发射前，飞行控制团队和宇航员都进行了数百次模拟任务。每位专家都非常详细地了解其专业领域的系统，甚至达到熟悉电路程度。
团队中还有一位奇人，约翰•亚伦（John Aaron），他是EECOM，也就是CSM舱的电气、环境、时序系统工程师。四个月前，亚伦拯救了阿波罗12号。当时在发射过程中，火箭被闪电击中，其中第二个闪电使CSM的燃料电池脱机，发回了令人晕头转向而且拼凑不全的遥测数据，警告灯四闪，看起来机组人员在升空后几秒钟必须中止任务。作为EECOM的亚伦看到满屏翻滚的遥测数据，突然想起一年前一次地面测试，一次电气故障导致了类似的问题，由于他在地面测试后投入了数小时的研究，他清楚的知道如何修复它。他向他的飞行总监格里芬提交了简洁的命令：“将SCE设为Aux。”和任务控制中的其他人一样，格里芬不知道这意味着什么，然而他信赖他，立即将指令传递给宇航员，执行后立刻恢复了有效遥测数据，凭借有效的信息，亚伦确认问题为燃料电池脱机并发出复位的指令，确保了阿波罗12的任务顺利完成。这一事件让亚伦赢得了“钢铁导弹侠（steely-eyed missile man）”的美誉。
亚伦只是经验丰富的地面团队一员，但也正是这支训练有素、身经百战的团队在遇到阿波罗13的危机时，能够从容应对。
当时克兰兹领导的白队从T+49开始执勤，离交班仅剩下1个小时的时候发生爆炸。来源于之前经历的各种灾难事件，克兰兹有一种直觉，不能再使用服务舱发动机“我不相信CSM舱的推进系统。爆炸后，在确认有效前我们不知道它是否有用。我们需要花点时间思考并制定回家的策略和程序。我相信我们能找到新的力量，我们唯一正确的选择是绕月飞回。”他下达了绕月飞行和改用登月舱下降级两个关键的决策，并在T+57小时移交给了黑队后开始了连续36个小时的持续工作，他安排奥尔德里奇，比尔•彼得斯和约翰•亚伦三名骨干各司其职，解决了变轨、指令舱充电、二氧化碳等棘手的问题。
在爆炸发生后，地面团队在短短6小时内做出大量极其复杂、极其困难、所有关于宇航员安全返回所需的主要决策，这些决策使得阿波罗13号通过绕月环绕飞行并在太平洋溅落，后续又解决了水、电、二氧化碳等一系列生命保障难题，这并不是偶然，而是在很多次事故中磨练出来的一支能打硬仗的团队。
图39.阿波罗13号关键决策和执行时间表
营救任务也得到休斯顿和世界各地数百名地面宇航员、工程师和承包商技术人员的支持，甚至得到了来自苏联的协助。其中最艰巨的是让登月舱计算机处理整个回程的计算，虽然指令舱和登月模块都有几乎相同的计算机，但它们运行的软件差别很大。登月舱软件中的飞行参数不适用于处理一些特殊指令，以及拖着死重的服务舱模块所引起的飞行质量中心模型变化。该解决方案需要通过地面仔细计算才能得出适当的点火参数，并回传到登月舱执行。这个任务交给了IBM，IBM建立和维护着载人航天器中心一组大型计算机，称为实时计算机综合体（RTCC）。没有现成的使用下降级发动机来操纵CSM/LM组合体的程序，那么就现编！IBM的工程师仅用2个多小时临时编写这个程序，计算生成了下降级发动机燃烧的时长、方向和弹道数据，终于使得61小时30分执行的转移到地月自由返回轨道的34.23秒点火成功。
图40.指令舱和服务舱分离后，宇航员拍下受损严重的服务舱，验证了克兰兹的直觉判断
在临近重返地球大气层前，指令舱、服务舱、登月舱分离，宇航员终于有机会一睹服务舱，发现受损严重，启用服务舱发动机风险巨大！这验证了克兰兹之前的直觉判断（其实这是理性的选择）。
在营救成功之后，克兰兹和他的团队，被媒体成为“老虎队”。4位飞行总监和宇航员，一起获得了美国平民的最高荣誉——总统自由勋章。
（三）训练有素的航天员团队
1、备用机组人员的概念首次证明有效性
在发射前三天，宇航局的医疗团队怀疑宇航员有感染麻疹的可能，而三人之中只有指令舱任务专家肯•马丁利（Ken Mattingly）没有得过麻疹——换句话说他对麻疹没有免疫力，因此航天局高层决定撤换，原本是替补的宇航员斯威格特（Jack Swigert）临时替换了肯•马丁利，然而斯威格特表现依旧优异。
2、宇航员是出色的应急任务专家
在任务执行前，宇航员的专业培训，以及与地面团队反复训练磨合，很好的体现在此次应对紧急情况的技能和精确度上。
太空营救中，作为“生命之舟”的操作任务员弗雷德•海斯（Fred Haise），其实在格鲁曼工厂，也就是登月舱的制造基地长岛，接受了14个月的培训，是登月舱的顶级专家。在这段时间里面，海斯被训练在特殊情况下的应急处置，既包括将登月舱下降级发动机作为服务舱发动机的应急备份，也包括在登月过程中用上升级作为应急逃生发动机，中止登月。虽然这些应急方案并没有缜密筹划过，但所接受的这些训练，让宇航员在突发情况下，能熟练上手。
指令舱任务专家斯威格特，在漆黑的指令舱下层，像一个瞎子一样执行了登月舱为指令舱充电的加电过程，如果犯错后果不堪设想，然而斯威格特完成起来似乎毫不费力，同样也证明了训练有素。
3、宇航员的心理素质和出色体能的原因
对于阿波罗13号来说，事故发生时，生存的可能性很小，但三名宇航员并没特别的情绪起伏；在营救后期三个人都筋疲力尽，饥肠辘辘，口渴，缺乏睡眠，即便是飞行经验丰富的吉姆•洛威尔（Jim Lovell）在处置过程中也曾意外地调用了登月舱下降级引擎的计算机程序，而不是机动推进器，但这些都被训练有素、配合默契的宇航员团队化解。
三名宇航员保持冷静并解决一系列问题，从一次致命的事故中毫发无伤地逃脱，这是奇迹但也绝非偶然。卡夫特指出，这与阿波罗计划选择试飞员作为宇航员密切相关。试飞员，习惯于命悬一线的危急处境，习惯于做出准确的判断而不会慌乱。阿波罗13号的三名宇航员均为试飞员，在极度情绪压力和生理困境下表现冷静和优异，是该理论的具体实践。
（四）燃料电池的活广告
图41.阿波罗13号的徽章，拉丁语“Ex Luna，Scientia”的意思是“从月球出发，科学知识”
阿波罗是希腊神话中的太阳神，代表太阳，三匹马驾驶着他的战车越过月球表面，象征着阿波罗飞行将科学知识之光传播到全人类。
好像是神谕，阿波罗13事故，全世界都在关注太空营救行动，不亚于首次登月的盛况。但具有讽刺意味的是，类似于事件营销，电视直播把将“燃料电池”这个概念带入寻常百姓家。由于最后确认是氧供应部件引发的故障，燃料电池本身被证明是可靠的，这使得燃料电池得到了广泛的认可，成了航天科技的高大上形象象征。联想近几年概念兴起的氢燃料电池电动车，事实上是阿波罗登月计划当时孵化的技术、打下的基础。
阿波罗登月工程虽然耗资巨大，达到255亿美元，但先于苏联成功登月，让美国在冷战的太空竞赛中扳回一局，确立了航天领域的领先地位，可谓有付出就会有收获！该项目本身不仅让美国获得了一系列宝贵的大型工程计划和管理经验，而且在各个领域的技术上都取得了重大突破，成果转化率很高，阿波罗工程产生的3000多项专利有1000余项直接转化为民用成果造福民众，比如“尿不湿”最初就是用来解决航天员在太空行走生理问题的，其他还有覆铝薄膜、特氟龙等等。阿波罗工程的间接受益远远大于直接受益，投入产出比更达到1:14，也就是说投入1美元，受益14美元，这说明了阿波罗工程是一项“赚钱”的项目，而不是像苏联航天那种纯投入性航天工程。
六、过五关，斩的第六将——把放射性同位素电源安葬于深海
上集说的过五关斩六将，算下来还有斩杀的第六将留到末尾讲，算是彩蛋！
阿波罗13号还带了一个放射性同位素热电发电机（Radioisotope Thermoelectric Generators ,RTG）上天。从阿波罗12号开始，为了在月球地面开展实验，登月舱携带了这种将钚-238裂变产生的热量转换成电能的核电池，含3.8公斤放射性燃料，初期功率73瓦，满足后续5～8年的月球实验用电需要，主要是研究月球是否有熔化的核心，以及月球深层内部结构是什么样的。
图42.阿波罗12号宇航员Alan Bean从登月舱取下并装配RTG核电池
图43.阿波罗14号的ALSEP（Apollo Lunar Surface Experiments Package）实验仪器
问题是阿波罗13号放弃登月，依靠登月舱送宇航员回家，也注定要把这个本该待在月球、编号为SNAP-27、极度危险的核电池带回地球、重入大气层……
其实登月舱的第二次点火、加速赶回地球，是美国原子能委员会（AEC，Atomic Energy Commission）召集的。美国原子能委员会担心这个核电池重入大气层不当会对人类产生危害，希望确保它尽可能远离任何人。为了以防万一，精心设计的加速回家的轨道，虽然溅落地点重回原计划的太平洋，但实质上修改了着陆点，满足登月舱分离、重入大气层之后，RTG落在太平洋中南部十公里深的汤加海沟。硫磺岛号航空母舰按要求修正了目的着陆区。
图44.注意图中四脚朝天的登月舱，他把核电池也一同带回了地球！
钚是以氧化物形式，被严严实实的包裹在石墨和陶瓷燃料容器内。与宇航员一样，他显然安然无恙的重返大气层，登月舱未燃烧完全部分的轨迹数据表明它们溅落斐济以南的汤加海沟，在水下大约6-9公里处找到它的安息之所，但其确切位置未知。对该地区进行了直升机空中取样分析，但从未检测到放射性。目前的预期是在未来的870年，核燃料包裹层是安全的。
结束语：
阿波罗13号，虽然任务没有取得圆满成功，但三名宇航员安全返回，同时项目完成了月球飞行任务，实施了三次实验，包括闪电现象，地球摄影和S-IVB月球撞击，虽败犹荣！不过很不幸，这一折腾也间接导致了阿波罗18、19和20任务被国会取消。
阿波罗13号的三名宇航员，大难不死，虽然他们怀着未能登月的遗憾，但是三个人有一个记录迄今为止未被打破，飞的最远的地球人！
阿波罗13号保持了距离地球最远距离人类的记录：离地球248,655英里，距离月球158英里（1992年吉尼斯世界纪录，第118页）
