朝更深更远的太空进发——NASA最重大的十大创新设备

       自1958年成立至今，美国国家航空航天局（NASA）一直以勇于创新而闻名世界，被广泛认为是全球太空机构的“领头羊”。尽管其财政预算不断缩减，从1966年占国家总预算的约5%下降到上世纪70、80、90年代的1%，再到目前创历史新低的0.5%，人数也不断减少，但NASA一直在用新技术、新项目、新设备，带领美国朝更深更远的太空进发。以下10款创新设备就是最好的证明。

“土星5号”运载火箭

       排名第一的是功能强大的“土星5”号运载火箭，它是NASA在阿波罗计划和天空实验室两项太空计划中使用的多级可抛式液态燃料火箭，也是历史上最高、最重、推力最强的运载火箭，由德国科学家韦纳·冯·布劳恩领导设计完成。

       1961年5月25日，时任美国总统约翰·肯尼迪发表演讲，鼓励美国和NASA实现将人类送上月球的计划。演讲中，肯尼迪总统说：“在1970年之前，我们必须将第一位美国人送上月球，并保证其安全返回。”这话不仅大力推动了全球太空探索向前大步迈进的步伐，也鼓舞NASA从事太空探索事业至今。

       “土星5”号运载火箭由布劳恩此前研制设计的更小型的V-2火箭演化而来，尽管有一定的技术基础，但研发者们仍然面临很多挑战。NASA的高层承认，肯尼迪总统的演讲让他们热血沸腾，但他们“甚至不知道从何入手”。

       然而，8年之后的1969年7月20日，“土星5”号运载火箭将全球第一艘载人飞船“阿波罗11”号送上了月球，并成功返回，此后，还有8枚“土星5”号运载火箭将载人的“阿波罗”号宇宙飞船送上月球轨道。在整个航空航天史上，“土星5”号运载火箭都是值得浓墨重彩抒写的一章。

       “土星5”号运载火箭由三级组成，最大直径10米，连通尾翼在内共达18米，总质量达2721554.22千克，安装阿波罗飞船和救生火箭后，总高度达到110.6米，相当于36层楼房。

       火箭的第一级使用了5台F-1火箭发动机，装有2075吨液氧煤油推进剂，发动机一旦点火，仅需2分34秒就可以将2000多吨“饮料”一饮而尽，产生的高温气体以2900米/秒的速度喷射，可产生3500吨的推力。

国际空间站

       国际空间站（ISS）是迄今最大也是最昂贵的地外设备，其运行于距离地面400公里的地球轨道上；它也是迄今最复杂、最成功的国际合作典范。国际空间站集合了美国、俄罗斯、日本和欧洲等不同国家的太空研究成果。

       国际空间站比一个足球场还大，身价精贵，建造成本高达1500亿美元。它也是太空持续使用时间最长的建筑，40年来，有多位科学家在国际空间站内从事过研究。随着国际空间站服役时间的不断增加，科学家们需要想出一些别出心裁的解决方案来修理日益老化的零件，比如，研究人员最近对出错的空调系统的修复等。但不管怎样，国际空间站已经证明自己非常“靠谱”，或许可以运行到2024年。

登月舱

       当美国格鲁曼飞机工程公司受命为NASA制造阿波罗登月舱（阿波罗宇宙飞船直接登月的部分）时，它们的口号就是让登月舱变得更轻、更轻、更轻。此前，格鲁曼公司一直以制造坚固耐用的战斗机而闻名，现在，它们被要求建造的是真正的航天飞机——只能在太空中飞行的飞机，这就意味着，在普通飞机那大行其道的流线型、空气动力学等都不再管用，他们必须另辟蹊径。他们首先采用的办法是：剔除了很多窗户、座椅甚至侧板，也就是说，凡是对登陆月球没有帮助的所有物品都被摒弃了。

       但这样做得到的机器仍然太重，无法飞起来，因此，格鲁曼公司采取了非常极端且富有突破性的办法：采用化学方法来蚀刻由机器切削而成的细小零件，直到它们足够坚固，最终有10台登月舱飞起来了，其中包括阿波罗13号登月舱。最能证明登月舱价值的是，阿波罗13号登月飞船发射后两天，服务舱的氧气罐发生的爆炸严重损坏了航天器，使其大量损失氧气和电力，但三位宇航员使用航天器的登月舱作为太空中的救生艇，在太空中经历了缺电、温度异常以及饮用水问题后，仍然成功返回了地球。

“好奇”号火星漫游车 

       “降落——我们安全登陆火星！”当飞行指挥员艾尔·陈说出这5个词时，一个长达10年的漫长征程以NASA的“好奇”号火星车在火星上安全着陆而完美收官。

       这个耗资25亿美元的研究计划是迄今最野心勃勃的计划，其对科技能力的要求超过以前所有的科学研究计划。复杂的“好奇”号火星车重达1吨，大小相当于一辆Mini Cooper汽车，其也是第一辆采用核动力驱动的火星车，最终使命是探寻火星上的生命元素。

       让“好奇”号火星漫游车在火星上安全登陆是科学家们面临的最大挑战之一，鉴于以前的登月方法无法胜任这一任务，NASA专门为“好奇号”火星车设计了一套复杂的着陆程序。该火星车进入火星这颗红色行星的大气后，借助一个大降落伞把它的隔热板及后壳扔掉，以减慢下降速度，然后再利用被称作“天空起重机（Sky Crane）”的推进器慢慢下降。这个起重机利用电缆把该车放在火星表面，然后，它会飞走最后坠毁。这一疯狂而新奇的想法刚一提出，就让人心跳加快，觉得简直不可思议。

       但在2012年8月5日，开怀大笑的是喷气推进实验室内那些既紧张兴奋又激动热烈的工程师、控制人员以及科学家，“好奇”号火星车成功地在火星登陆，开始了其在这片红色星球的冒险之旅。

阿波罗导航计算机的键盘和显示屏

       借用上世纪60年代的技术，如何能让宇航员们飞到月球呢？仅仅将希望寄托在火箭上？当然不行，你还需要一台复杂的导航计算机。在“阿波罗”计划刚开始的时候，阿波罗导航计算机被认为是整个计划风险最大的部分。实际上，在“阿波罗”计划中，辅助人类登上月球的技术奇迹正是飞船上的导航计算机。在上世纪60年代，大部分计算机都要占据整个房间，但飞船的机载电脑却要求体积小且功耗低。

       怎么办？NASA的研究人员同美国麻省理工学院（MIT）的设备实验室携手，设计并制造出了阿波罗导航计算机，这是有史以来第一台集成电路数字飞行计算机，参与“阿波罗”计划的宇航员们使用这台计算机在地球和月球之间来回往返了9次。尽管今天人们可能无法相信能用如此“原始”的电脑来控制宇宙飞船，但它的确有即使以今天的标准来看都很高级的功能。

       阿波罗导航计算机能够为飞船提供从地球到月球、从月球轨道到月球表面、接着再回到地球的导航，所有这些都依靠计算机上2KB的随机动态存储器（RAM）和36KB的编程指令。

航天飞机

       NASA如何执行一个又一个令人惊奇的太空计划——将人送往月球？当然是使用航天飞机。航天飞机又称太空梭或太空穿梭机，是可重复使用的、往返于太空和地面之间的航天器，结合了飞机与航天器的性质。它既能像火箭一样垂直起飞；像太空飞船一样在轨道上运行；又能像飞机一样水平着陆。航天飞机在轨道上运行时，可完成释放卫星、回收及维修卫星、进行各种微重力科学实验等多种任务。

       航天飞机一般由轨道器、外贮箱和固体助推器组成，其拥有庞大的载荷，每架航天飞机能飞行30次。美国从上世纪70年代开始研发航天飞机，直到1981年才发射了第一架航天飞机，但自此以后，每一次航天飞机的发射都吸引着人们的目光，共有5种型号的航天飞机接受了世人的检验，分别为“哥伦比亚”号、“挑战者”号、“发现”号、“亚特兰蒂斯”号和“奋进”号。

       2011年7月8日23时30分许，美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机成功启动其太空之旅，这也是美国航天飞机的绝唱，标志着美国航天飞机时代的终结，NASA官方也宣布了代替航天飞机的新方案：多用途载人飞船（MPCV）。

F－1火箭发动机

       上世纪50年代末，整个美国社会陷入“火箭狂热”中，俄罗斯的火箭总是比美国的火箭更大更好，因此，不甘心的美国空军授权加州洛克达因公司（Rocketdyne）研制全球最大、功能最强的火箭发动机。最终研制出的发动机名为F-1，用于“土星5”号运载火箭的第一级，最终将阿波罗宇宙飞船送上了月球。F-1是投入使用的推力最大的单喷嘴液体发动机。

       洛克达因公司刚开始在现有的知识和经验上建造火箭，但在对小型发动机进行升级测试时，发生了令人胆颤心惊的爆炸，主要问题是发动机自己会因为声音振动而晃动不止。那么，洛克达因公司的创新是什么呢？工程师们将少量爆轰炸药放在燃烧室中，并在发动机运转时引爆炸药，以此测试燃烧室在压力变化时将作何反应。设计师随后测试了几种不同的燃料喷射器，并得到了最佳匹配方案。这一想法大胆甚至令人觉得有点疯狂，F-1也因此成为同时代最成功的火箭发动机。

“海盗”号火星登陆器

       在上世纪50年代末，NASA喷气推进实验室构想出了一个极富野心的计划：将机器人着陆器送到火星，进行地理学、天气和大气传感方面的测试，有可能的话，搜寻生命存在的迹象。

       尽管此前，NASA的宇宙飞船从来没有飞到火星那么遥远的地方。但10年后，NASA的工程师们就让这个不可思议的梦想走进了现实，他们创建了一个小型的生命科学实验室，并将其从占满一间教室那么大缩小到小型洗衣机那么大。“海盗1”号和“海盗2”号这两艘宇宙飞船都配备有登陆器，它们于1976年登上了火星。

       这对“双胞胎”着陆器分别降落在火星的两端，在90多天的探测任务中表现得非常出色（其中“海盗1”号着陆器运行到1982年），NASA希望“海盗”号能搜寻到未知的火星生命，但它们在火星表面一无所获。

       2008年，NASA的科学家们对实验进行了重新评估，他们认为，火星土壤中可能存在微生物，至少是有机物质。目前，困扰科学家们的问题是，为何有大量的有机物从众多小行星和彗星不断流入火星，但实际上火星土壤中的有机物含量却非常低。主流观点认为，火星土壤中存在的某种神秘的氧化物与这些有机物发生了化学反应，从而减少了有机物的含量。一切都还未盖棺论定，有望于2020年发射的新的火星探测器可能让我们获得更多信息。

       “海盗”计划是火星探测史上最昂贵的计划，也是1990年到2000年最成功且提供信息最多的火星探测计划。

阿波罗月球服

       如果你不能在月球漫步，那么，飞到月球有什么好处呢？这也是上世纪60年代初，NASA的工程师们面临的问题。他们已经为X-15超音速飞行机设计出了太空服，“水星（Mercury）”以及之后的“双子座（Gemini）”，每套航天服都比前任好一点，但这些航天服都僵硬、庞大、笨重且穿着不舒服。而且，或许最不好的是，当穿着这种衣服时，人们几乎什么也没法干，因为，他们就像背着僵硬、厚重的气球。

       至于“阿波罗”月球任务，NASA的工程师们在执行“阿波罗”登月任务时，充分考虑了这一点，并进行了大胆的革新，他们制造出了数十套月球服并逐一进行了测试，最后为执行“阿波罗11”号登月任务的宇航员们选中了一套看起来很笨重的衣服。

       这套太空服比其看起来要轻巧灵便很多，专门为在月球表面工作而设计。月球服由16层材料组成，用于保温并防止微陨石的袭击。月球服内装有冷却和供氧系统，以维持航天员生命，胸部还装有一组用于操纵和检测背包系统的控制盘。月球服的背包可供给航天员氧气、冷却航天服中循环的水，其中还包括一个小型无线电发报机和一个氧气净化装置。头盔有两层面罩，可以防护航天员眼睛不受紫外线、红外线和流星微粒的伤害。加压手套外层由一种特殊的纤维制成，内层是绝热材料，以防航天员在工作中接触热物体或冷物体时受伤。手套的指端由硅有机橡胶制成，可提高航天员手指的敏感性。

       尽管没有人表示，这套月球服“穿着舒适”，但它确实很实用，能保护宇航员们免受月球极端温度以及高度真空的伤害。

“旅行者”号探测器

       上世纪60年代，野心勃勃的NASA并不满足于仅仅探索火星和金星，他们勾勒了一幅宏伟的太阳系“大旅行”图，计划探索太阳系的大部分行星。太阳系的主要行星：木星、土星、天王星、海王星都于上世纪70年代进入了他们的探索列表中。

       这一计划曾因预算不足而被受阻，但NASA坚定地执行了原有计划，并在喷气推进实验室建造了两架更小且没那么野心勃勃的宇宙飞船“旅行者1”号和“旅行者2”号。

       这些机器人探索者于1977年发射，前往木星和土星，并于1980年完成了最基本的任务。1980年11月13日和1981年8月26日，这对探测器分别飞近土星考察，“旅行者1”号着重探测了原来被认为是太阳系最大的一颗卫星——土卫六，但从拍回的照片上发现土卫六的直径只有4828公里，而不是过去认为的5760公里，因此判定它小于木卫三，从而退居为太阳系的第二大卫星；“旅行者2”号则对新发现的土星环和几个卫星作了近距离探测， 向地球发送回一万多张照片。

       考察了木星和土星后，“旅行者1”号开始飞离太阳系，而“旅行者2”号不仅要像“旅行者1”号那样穿过火星轨道和危险的小行星带，相继与木星（1979年）和土星（1981年）交会，还要与天王星和海王星交会。最终，“旅行者2”号于1985年到1989年之间先后探测了天王星和海王星。

       除了科学仪器外，“旅行者”号探测器上还携带了一张镀金铜板声像片和一枚金刚石唱针，它可以在宇宙中保存10亿年，上面记录了用54种人类语言向外星智慧生物发出的问候语，还有117种地球上动植物的图形，以及长达90分钟的各国音乐录音，其中包括中国传统古琴名曲《高山流水》。这些地球之声将带着人类的期望回荡在宇宙空间，人们希望它在宇宙中漂流的漫长岁月里能遇上地外生命，而这张唱片则传达了来自地球的信息。

       [font=MS Shell DLg]这两台探测器38年后传回数据，2013年6月，NASA发布消息说，于1977年发射的“旅行者1”号探测器发回的数据显示，其运行速度约为每秒17公里，距地球约180亿公里，其正赶赴与另一颗恒星在5万年之后的约会。