摇动 8 号球：阿波罗 8 号的替代任务概况

想（有点）重温阿波罗 8 号吗？为了纪念这次令人敬畏的飞行 45 周年，我将在推特上直播主要任务事件，包括相关图片和视频剪辑，从美国东部时间 12 月 21 日凌晨 4:58 的机组人员登机开始！关注我 @astVintageSpace ，一起回顾历史吧，虽然不一定完整，但仍然很有趣！

明天是 NASA 发射阿波罗 8 号 45 周年纪念日，这是 NASA 登陆月球表面的一次重大任务。阿波罗 8 号于 1968 年 12 月 21 日发射，这是宇航员弗兰克·博尔曼、吉姆·洛维尔和比尔·安德斯首次进入月球轨道，也是阿波罗指挥舱首次执行设计任务。但硬件故障也很有可能不仅危及飞行，还会危及机组人员的生命。NASA 无法预防某些灾难场景，但对于可以预防的灾难场景，NASA 制定了一系列替代任务计划，旨在在发生重大故障的情况下从任务中挽救尽可能多的数据。

主要飞行计划

按照预定的飞行计划，阿波罗 8 号创造了比几乎所有任务都要多的“第一”。这是：人类首次从 39A 综合设施发射升空；人类首次搭乘土星五号火箭发射升空；人类首次摆脱地球引力，离开地球势力范围；首次载人绕月飞行；人类首次通过音频和视频媒介跨越月球距离进行通信；宇航员首次从月球拍摄地球图像；人类首次看到月球的背面；航天器首次离开月球轨道；首次在黑暗中着陆。这也是宇航员首次在太空度过圣诞节。

要实现这些目标，需要制定一个明确的飞行计划，阿波罗运载火箭和航天器的每个部件都必须完美运行。土星五号火箭的所有三个级，即 SI、S-II 和 S-IVB 第三级，都必须按完美顺序点火，才能将机组人员送入地球停泊轨道。在两到三次旋转之后，机组人员将检查他们的航天器，他们将第二次点火 S-IVB 级，以获得离开地球轨道前往月球所需的动量。这就是月球外层空间注入或 TLI 燃烧。二十分钟后，他们将与 S-IVB 级分离，只剩下服务舱的服务推进系统来进行所有后续燃烧，而且燃烧次数很多。

根据 TLI 机动的精确度，在使用 SPS 发动机的 66 小时月球滑行期间，有四次中途修正点火机会：一次在 TLI + 6 小时，第二次在 TLI + 25 小时，第三次在月球轨道插入或 LOI – 22 小时，最后一次在 LOI – 4 小时。无论轨道如何，第一次主要的 SPS 点火都是在机组人员到达月球后进行的。两次月球轨道插入或 LOI 点火将使阿波罗 8 号进入月球周围的椭圆形稳定停泊轨道，他们将在那里执行月球地标跟踪和摄影任务，确定可能的着陆点并收集对未来任务至关重要的大量数据。

在月球轨道上飞行 20 小时后，任务中最紧张的时刻到来了：在月球的远端，与地球失去无线电联系后，宇航员将再次启动 SPS 发动机，进行跨地球注入或 TEI 燃烧，从而返回地球。同样，在跨地球海岸阶段内置了航向修正机会，一次在 TEI + 15 小时，一次在 TEI + 30 小时，一次在进入地球前两小时。在重返大气层之前，宇航员将以烟火技术将指令舱与服务舱分离，并乘坐软糖形状的航天器穿过地球大气层，溅落太平洋。

替代任务

考虑到即将进行的更为复杂的登月任务，这一飞行计划相当简单。但在任务中，有多个环节发生故障不仅可能危及飞行，还会危及宇航员的生命。最大的可能故障是 S-IVB 级故障，也是 NASA 可以轻松制定应急计划的故障。尽管机组人员会在主要任务的早期抛弃火箭级，但在多种情况下，过早关闭该级可能会显著改变飞行路线。NASA 希望在 S-IVB 故障的情况下获得宝贵的经验，因此制定了一系列替代任务计划。

如果 S-IVB 在发射过程中关闭，将机组人员送入低轨道，他们可以使用 SPS 发动机进行最多两次应急轨道插入或 COI 燃烧。在将轨道微调到高椭圆轨道后，他们将切换到备用 1 任务计划，这是一次为期 10 天的地球轨道指挥服务舱飞行，类似于阿波罗 7 号两个月前的飞行。同样的 10 天地球轨道任务是备用 2 任务计划。如果 S-IVB 将机组人员送入地球轨道但未能点火进行 TLI 燃烧，机组人员将使用他们的 SPS 发动机调整轨道，然后再开始地球轨道飞行。

S-IVB 可能影响任务的唯一其他故障是 TLI 燃烧期间的故障。在这种情况下，备用任务（备用 3a 至 3d）取决于 S-IVB 发生故障时航天器的高度。

备选方案 3a 和 3b 导致 TLI 燃烧早期出现故障，导致机组人员在 115 至 28,800 英里之间的地球轨道上飞行。在这种情况下，与备选方案 1 类似，他们将使用 SPS 发动机将轨道调整到适合 10 天低地球轨道任务的高度。但如果 S-IVB 在 TLI 燃烧后期停止，情况就会变得稍微复杂一些。

如果 S-IVB 发生故障，导致机组人员处于 28,800 至 69,100 英里之间的轨道，SPS 发动机将无法调整轨道以执行地球轨道任务。它没有足够的燃料进行大的轨道调整，也没有足够的燃料让机组人员开始重返大气层。相反，机组人员将留在这个高轨道上，保留他们的 SPS 发动机，直到他们处于正确的脱轨位置。

如果 S-IVB 发生故障，导致机组人员处于 69,100 英里以上的轨道，则别无选择，只能遵循自由返回轨迹轮廓。使用 SPS 发动机调整轨迹，重力将完成将航天器带到月球的腿部工作，航天器将在月球背面绕行，然后开始返回地球的旅程。一旦返回，它将直接重新进入大气层；就像月球返回任务一样，机组人员在重返地球之前不会在地球轨道上停留。

SPS 故障比 S-IVB 故障更具灾难性。SPS 故障不要求执行替代任务；它要求救援机组人员。

有可能 SPS 可以完美运行至 LOI 燃烧，然后在 TEI 燃烧时失效，导致机组人员被困在月球轨道上。发动机也有可能在滑行阶段失效，导致无法进行中途修正。在月球滑行期间，这可能会导致机组人员完全错过月球，最终进入太阳轨道或最终撞击月球表面。如果 SPS 在地球滑行阶段失效，机组人员可能会错过再入走廊，从而脱离地球大气层。还可能导致航天器再入角度过大，机组人员面临在大气层中燃烧殆尽的风险。

这些灾难性的故障没有应急措施。NASA 没有准备好发射救援任务，而且很可能在找到某种救援方法之前，机组人员就已经用完了消耗品。其中最关键的是空气。飞船上只有 20 个氢氧化锂罐，足够在大约两周的时间内清除空气中的有毒二氧化碳。如果滞留的机组人员用完了这些过滤器，他们很快就会因缺氧而死亡。

阿波罗 8 号的巨大成功

在阿波罗 8 号任务中，NASA 从未求助于替代任务计划，机组人员也从未面临生命危险。飞行中出现的少数异常情况不足以破坏任务。在任务后报告中，NASA 称阿波罗 8 号是“阿波罗计划中最成功的一次”，是“登月能力发展的一次大胆进步”。

大胆也许是描述这次飞行的最佳方式。这是 NASA 第三次发射土星五号火箭，也是第一次将人类送上月球，而且这只是第二次让机组人员进入指挥服务舱。一切按计划进行，任务完成了主要目标，这对 NASA 在 1970 年之前成功将人类送上月球起到了重要作用。

来源/进一步阅读：NSSDC 的阿波罗 8 号页面；阿波罗 8 号新闻资料包；阿波罗 8 号任务报告。