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阿波羅4號

阿波羅四號（英語：Apollo 4）又稱AS-501，是美國阿波羅計劃第一次無人飛行任務，也是首次測試日後將宇航員送上月球的土星5號運載火箭。航天器在航天器裝配大樓組裝，是專為土星五號建造的佛羅里達州肯尼迪航天中心首次發射任務，從39號發射台升空。

阿波羅四號
阿波羅四號從肯尼迪航天中心39號發射台升空，是第一個採用土星五號運載火箭的阿波羅任務
任務類型服務與指令艙地球軌道無人飛行（A任務）
運營方美國國家航空航天局
國際衛星標識符1967-113A（服務與指令艙）
1967-113B（S-IVB）[1]:124
衛星目錄序號3032
任務時長8小時36分59秒
圈數3
航天器屬性
航天器Apollo CSM-017
Apollo LTA-10R
製造方北美羅克韋爾
發射質量36856公斤
任務開始
發射日期協調世界時1967年11月9日12:00:01
運載火箭土星五號SA-501
發射場肯尼迪航天中心39A號發射台
任務結束
回收方班寧頓號航空母艦
著陸日期協調世界時1967年11月9日20:37:00
著陸地點北太平洋
30°06′N 172°32′W / 30.100°N 172.533°W / 30.100; -172.533 (阿波羅四號濺落)
軌道參數
參照系地心軌道
軌域大橢圓軌道
近地點-204公里
遠地點18092公里
傾角31.9度
週期314.58分（首圈）
曆元1967年11月9日[2]

阿波羅四號屬「全面啟動」測試，即所有火箭級和航天器都能正常工作，這在美國國家航空航天局史上尚屬首次。此次任務還是S-IC一級火箭與S-II二級火箭首飛，S-IVB三級火箭首度二次啟動。阿波羅四號採用的服務與指令艙屬第一批次，但經修改測試第二批次的關鍵調整，如模擬從月球返回時的速度與角度來測試防熱大底。

航天器原定1966年發射，但因航天器部件的各種問題和前期測試困難重重推遲。1967年1月阿波羅1號發生重大事故，三名宇航員死於火災，阿波羅四號推遲到11月9日以便全面排查和調整。

火箭發射近九小時後，實現預定目標的航天器濺落太平洋。航空航天局認為任務圓滿成功，證明土星五號火箭不辱使命，朝20世紀60年代結束前載人登月並安全返回的主目標邁出堅實步伐。

背景

1961年，約翰·肯尼迪總統宣布美國要在60年代結束前將宇航員送上月球並安全返回[3]。為達成目標，美國國家航空航天局（以下簡稱航空航天局）需早早選定運載火箭，入選的土星C-5號火箭此時已在開發。1962年該局正式批准採用新火箭，計劃在1965年首次試飛，1967年結束前首度載人飛行，留下充足時間實現肯尼迪的目標。[1]:21–221963年初，航空航天局把C5更名土星五號[4]:60。

航空航天局經過大量探討於1962年末決定登月任務採用「月球軌道交會」模式，用第三級火箭S-IVB把完整的阿波羅太空船推向月球軌道。到達軌道後負責登月的宇航員進入登月艙，與太空船分離後登月，登月艙從月表起飛把宇航員送回太空船後拋棄，太空船帶領宇航員返回地球。[1]:25–26此時已在開發的發射設備不能滿足新發射火箭所需，航空航天局1962年宣布計劃在佛羅里達州沿海為阿波羅登月任務建造新發射場[4]:70。1963年11月肯尼迪總統遇刺後，原稱發射操作中心的新發射場更名肯尼迪航天中心[1]:34。阿波羅四號是肯尼迪航天中心首次飛行任務，也是專為土星五號火箭打造的39號發射台首秀[5]:30–31。

前三次搭載阿波羅設備的任務採用土星1B號運載火箭發射，這種比土星五號小的火箭不在肯尼迪航天中心發射，但解決土星1B問題的經驗對土星五號很有價值。兩款火箭都採用S-IVB，但土星1B號只有兩級，S-IVB就是第二級，土星五號的S-IVB是第三級。這樣土星五號有效負載的許多飛行鑑定問題只需老款小火箭就能驗證。[6]除設備飛行資格鑑定外，航空航天局還需在真人飛行前證明肯尼迪航天中心的地面設施足以滿足土星五號需要，而不是直接拿宇航員的生命冒險[7]。

1966年航空航天局用土星1B號火箭成功發射AS-201、AS-202、AS-203。據查爾斯·本森和威廉·弗萊赫蒂的肯尼迪航天中心歷史著作記載：「1966年發射的阿波羅－土星1B號火箭為美國國家航空航天局發射人員提供寶貴經驗，用於自動檢驗的34與37號試驗台尚有不足。AS-201至AS-501（即阿波羅四號）的20個月間，肯尼迪航天中心糾正自動化操作遇到的主要問題。AS-501是阿波羅史上最艱巨的發射任務，但要是沒有這些試驗與試錯推進，恐怕還要困難得多。」[8]

延期

 
放在航天器裝配大樓的AS-501

1965年1月，阿波羅計劃總監塞繆爾·菲利普斯少將預定1967年1月土星五號首秀並發射AS-501（當時還沒有阿波羅四號之名）。同年還有另外兩次土星五號發射，時間已是分秒必爭。[9]許多官員對這麼快就要發射缺乏信心，事實證明他們的疑慮絕非空穴來風。用於AS-501發射的39號發射台液氧管線發生爆炸事故，可能是任務延遲數周的重要原因。[10]

北美航空承包建造土星五號火箭第二級S-II和阿波羅服務與指令艙，但航空航天局對生產進度、成本、質量表現都不滿意，促使菲利普斯1965年11至12月帶隊前往加利福尼亞州的北美航空工廠調查，並對項目管理存在的問題提出解決方案。菲利普斯後把發現寫入報告上交喬治·慕勒。[11]技術人員在S-II發現裂紋，航空航天局驗收前的試射因此延期。北美航空修復S-II期間，火箭部件陸續運抵肯尼迪航天中心，首先是1966年8月14日大肚魚運輸機送來S-IVB，9月12日駁船運送的第一級火箭S-IC抵達。航空航天局用梭芯狀間隔器代替S-II，以便其他部件送入航天器裝配大樓檢查和裝配。原計劃1966年7月送到的S-II到11月仍未現身，航空航天局希望1967年1月能到，三個月後發射。服務與指令艙1966年12月24日送達，S-II次年1月21日抵達。1月31日最後的部件趕到，是第一與第二級火箭之間的一二級間段。[10]

1967年1月27日阿波羅1號發生火災，三名宇航員死於發射台試驗，航空航天局的發射計劃面臨進一步質疑。AS-501是無人任務，但航空航天局官員仍打算仔細檢查服務與指令艙。該局原計劃在檢查事了後重裝航天器，[10]沒想到會在航天器上發現多達1407個問題[10]。檢查員發現大量雜亂布線和剝皮電線，很可能引起短路[12]。

 
1967年8月26日，阿波羅四號運載火箭（右）運出航天器裝配大樓（左）

全面排查還發現螺栓鬆動掉入J-2火箭發動機等問題，找到多餘零件後航空航天局並不滿足於移除，更重要的是查清為什麼出現問題，確保不再發生同類失誤。1967年3月菲利普斯等人會晤，會上批露土星五號的1200處失誤，技術人員提議每天處理80個。[4]:352服務與指令艙修理期間，工作人員用S-II取代間隔器。但因承包商建造的另一個S-II發現細微裂紋，航空航天局5月24日宣布拆下S-II檢查。六月中旬檢查完成，服務與指令艙隨後裝回，火箭與航天器終於組裝完整。1967年8月26日AS-501運到39號發射台，[10]兩天後專用運輸車拉來移動發射服務塔，以便在發射台完成各項準備和調整[5]:28。這是航空航天局史上首次在其他地點組裝航天器後運到發射點，此舉主要是為保護設施與人員免受佛羅里達州濕熱氣候影響[5]:31。

原定9月20日開始的倒計時演示測試很快推至25日，實際上27日晚才開始。截至10月2日又有兩天浪費在各種延誤上，10月4日發射倒計時經過各種延誤終於進展至倒數45分鐘。接下來又發生計算機故障，10月9日倒計時重置為發射前13小時。此後計算機及其他設備問題此起彼伏，發射組人員筋疲力盡宣布休息兩天。10月13日實際耗時三周的測試結束，[13]遠超預期的一周左右。全世界都在關注此次火箭發射，航空航天局公關主任朱利安·謝爾向局長詹姆斯·韋伯轉達媒體質疑：阿波羅四號會不會永遠都飛不起來。經過激烈討論，韋伯表示會在自認合適時宣布發射日期。[4]:353

前期遭遇的重重困難為發射組提供寶貴經驗，但也意味着阿波羅四號至少要到11月7日才能發射。10月19日的飛行準備檢查認定剩餘測試和調整圓滿完成，准許阿波羅四號發射。[13]工作人員11月2日提出，發射台上的火箭已經長時間曝露在佛羅里達州烈日下，可能導致聚四氟乙烯密封圈和航天器液氧罐排液閥泄漏，菲利普斯把發射日期推遲到11月9日[4]:353。

目標

阿波羅與同樣用土星五號發射的無人飛行任務阿波羅6號一樣，旨在鑑定發射火箭、阿波羅太空船、地面系統能否滿足未來登月任務所需。阿波羅四號是土星五號首秀，也是第一級火箭S-IC和第二級火箭S-II首飛（第三級火箭S-IVB此前已隨土星1B號上天）。[7][1]:75

阿波羅四號旨在獲取土星五號火箭、太空船結構完整和相互兼容與否的飛行數據，包括飛行負載和每級火箭燃料耗盡並分離拋棄的數據。航空航天局還希望獲取應急檢測等子系統運作數據，同時模擬從月球返回的任務環境，評估指令艙防熱大底能否滿足需要。[5]:1此外該局還打算測試S-IVB在太空的重啟能力[14]。這些目標最後全部實現[1]:127–137。

設施

 
1967年6月20日，17號服務與指令艙與運載火箭匹配

阿波羅四號搭配的17號服務與指令艙（編號CSM-017）屬第一批次，專為阿波羅早期地球軌道飛行設計。與用於登月的第二批次相比，第一批次服務與指令艙不能對接登月艙。[15]17號服務與指令艙由17號指令艙（編號CM-017）和20號服務艙（編號SM-020）組成[16]，前者是向航空航天局交付的第二個全功能指令艙，第一個編號CM-012，用於阿波羅一號，因火災嚴重受損[12]。原計劃與17號指令艙配對的17號服務艙因爆炸事故受損後報廢，原定第二次土星五號運載火箭測試時組建20號服務與指令艙（CSM-020）的20號服務艙（編號SM-020）頂替[16]。

第二批次太空船都將用於載人飛行，為驗證部分功能，17號服務與指令艙包含許多第二批次才有的調整[15]。如防熱大底按第二批次標準升級，使用第二批次的服務艙與指令艙臍帶連接器，安裝第二批次的甚高頻與S波段天線，此外指令艙門也有調整[5]:19。阿波羅一號火災時，宇航員因無法在緊急情況下及時打開艙門喪生，故艙門重新設計。根據計劃，新艙門要到第二次測試土星五號火箭時（阿波羅六號）才能使用，阿波羅四號的艙門窗戶改為試驗板，按飛行鑑定所需模擬密封和外部防熱大底。為模擬未來任務從月球返回，阿波羅四號需高速再入，故防熱大底按第二批次標準升級。[5]:2, 19–20太空船上裝有特殊設備，以便地面任務控制中心遙控服務與指令艙，還裝有能在最後一圈軌道飛行時自動從指令艙窗口拍攝照片的相機[5]:18–19。阿波羅四號是無人任務，指令艙沒有飛船坐椅、控制器、顯示器[17]。

太空船載有編號LTA-10R的登月艙試驗品，任務期間一直在土星五號第三級火箭上、太空船與登月艙適配器連接部分內。試驗品相當於沒有起落架的登月艙下降段，燃料貯箱與氧化劑貯箱都裝有水、乙二醇、氟利昂混合物。試驗品上方還有鋁製登月艙上升段，並有壓艙重物但沒有飛行功能。登月艙試驗品和適配器用於測量飛向地球軌道時兩種設備的應力，[5]:20S-IVB再入大氣層時LTA-10R燒毀[5]:3。

 
1967年11月8日發射台上的阿波羅四號

阿波羅四號是土星五號首秀，這是當時最大的運載火箭[18]。航空航天局早在1963年下半年就決定採用「全面啟動」測試，即所有火箭級和航天器都能正常工作，四年後才在阿波羅四號落實[19]。航空航天局載人航天飛行辦公室主任慕勒擅長系統工程，曾參與軍方導彈項目。他認為美國空軍民兵導彈項目的快速進展離不開全面啟動測試，阿波羅計劃可以參考這種方法以求在預定期限實現目標。[20]他在1963年的備忘錄規定，土星1B和土星五號均采無人首飛並裝載能夠使用的航天器，每級火箭必須功能完整。兩種火箭第二次飛行同樣是無人任務，第三次才需載人。[4]:349韋恩赫爾·馮·布勞恩以往在馬歇爾太空飛行中心帶隊測試新火箭時把每級分開測試，順序逐級遞增[20]。土星五號各級一起測試，每級都完全符合飛行要求，阿波羅服務與指令艙也不例外[19]。慕勒的決策大幅簡化阿波羅計劃試飛階段，需要的阿波羅任務減少四次，但各項功能首次飛行時就必須正常運作[19]。阿波羅項目各主管對如此測試心存疑慮，但按老辦法根本不可能在60年代結束前達成前總統遺願，故最終勉強同意[21]。

任務編號

1967年4月24日慕勒批准阿波羅任務正式編號方案，阿波羅四號是第一個以該方案正式編號飛行的任務。首次載人任務的三名宇航員死於準備階段，航空航天局接受三人遺孀請求把任務定名阿波羅一號。此后土星1B號火箭已經執行三次無人任務，其中兩次載有阿波羅太空船（AS-203僅攜帶空氣動力學鼻錐），但慕勒沒有指定阿波羅二號或三號，從阿波羅四號開始恢復編號次序。[22][23]

公眾關注與傳媒報道

貴賓在火箭發射前幾天扎堆肯尼迪航天中心，11月6日抵達的馮·布勞恩計劃當晚舉辦晚宴和會議，僅限高層人員參加。航空航天局高管、業界名人、國會領導人、外交官紛紛前往觀看發射。[4]:355參與阿波羅計劃的各航空航天局機構均備有貴賓名單，哥倫比亞特區的總部也不例外，名單經整理清除重複人名以便各機構負責人親自邀請。眾人在航天器裝配大樓附近的露天看台觀看發射，航空航天局在可可比奇設立新聞總部，傳媒代表在此獲取採訪資格，前來的新聞工作者可參觀肯尼迪航天中心，往返班車半小時一趟。航空航天局在39號發射台附近的新聞現場為媒體提供大量電話設施，媒體自行承擔費用。肯尼迪航天中心工作人員可帶家屬在工作地點附近觀看發射。[24]各合作承包商共43名工作表現出色的職工當選「載人飛行意識」模範，享受肯尼迪航天中心貴賓之旅，還能參加六名宇航員出席的社交晚會並觀看發射[25]。

阿波羅四號引來傳媒高度關注，各路寫手為向讀者鼓吹運載火箭規模絞盡腦汁，稱火箭比自由女神像還高，重量更達13倍。北美航空發予媒體的宣傳資料稱土星五號重量遠超戰艦。[4]:354慕勒、菲利普斯、馮·布勞恩、副局長羅伯特·希曼、肯尼迪航天中心總監庫爾特·海因里希·德布斯在發射前一天為上千名新聞工作者召開戶外記者招待會[26]，其中不乏蘇聯記者，招待會現場還能看到遠處的土星五號火箭[27]。

發射與飛行

大樓搖晃不止！轟鳴震天動地！房子都在晃！大玻璃窗也不例外。我們扶着玻璃！看那火箭高飛入雲三千尺！轟鳴響徹雲霄！快看！房頂都震掉啦！
——沃爾特·克朗凱特，1967年11月9日[17][28]

協調世界時11月7日凌晨三點半，北美東部時區11月6日晚十點半[1]:137，為期56個半小時的倒計時從加注推進劑開始。共加注89拖車液氧、28拖車液氫、27節火車皮的RP-1精煉煤油。裝填過程遇到的問題少之又少，[25]也沒有動用倒計時階段的內置暫停推遲發射，以往累積的延誤得到這段時間彌補[1]:122。

協調世界時11月9日中午12點，北美東部時區早上七點火箭發射。五台F-1火箭發動機在發射前八秒點火，聲音響徹肯尼迪航天中心。39號發射台距航天器裝配大樓還有五公里多，遠超預期的聲壓衝擊航天器裝配大樓、發射控制中心、媒體大樓，震落發射控制中心天花板上的灰塵，在任務控制台上形成薄層。[29]哥倫比亞大學威廉·多恩博士認為火箭發射動靜之大在人類史上名列前茅，在人為手段產生的響動里很可能僅遜於核爆[27]。身在拖車裡的哥倫比亞廣播公司新聞主播沃爾特·克朗凱特與製作人傑夫·格拉爾尼克用手制止窗戶玻璃劇烈晃動，頭頂瓷磚掉落。克朗凱特自認報導的航天任務以阿波羅四號最為震撼。[28]

 
任務控制人員觀看阿波羅四號朝地球軌道爬升

S-IVB、服務與指令艙升至接近圓形的190公里軌道，這是未來登月任務的計劃標稱臨時待機軌道。繞軌道飛行兩周後，S-IVB首次在太空二次點火，模擬未來阿波羅任務飛向月球所需的地月轉移，[1]:126太空船進入遠地點17218公里、近地點有意指向地下84.6公里的橢圓軌道，確保指令艙高速再入大氣層且S-IVB在大氣層燒毀。S-IVB點火後很快同服務與指令艙分離，服務艙發動機點火把軌道遠地點調至18092公里。經過遠地點後服務艙發動機再度點火併保持281秒，將再入速度提升至每秒11168米，太空船海拔高度120公里，飛行軌跡角度−6.93度，模擬從月球返回的再入情況。[1]:126–127

指令艙濺落中途島西北方向的北太平洋，與預定位置相隔約16公里。班寧頓號航空母艦是阿波羅四號的主搜救艦，甲板上能看到指令艙濺落，不到兩小時就把艙體和其中一個降落傘撈上船，這也是阿波羅任務史上首次把降落傘打撈上船用於檢查。太空船運到夏威夷州關閉所有功能，再送到加利福尼亞州唐尼的北美航空工廠完成飛行後分析。[1]:127

機載攝像機

 
阿波羅四號第一級S-IC與第二級S-II火箭，上方攝像機攝製
 
阿波羅四號拍攝的新月形地球

阿波羅四號的土星五號運載火箭裝有兩台電影攝像機，用於拍攝一級火箭與級間段脫離。攝像機接下來彈射飛離火箭，裝在帶有降落傘和無線電信標的吊艙里落入大西洋，打撈起來的位置距肯尼迪航天中心約870公里。[5]:12

指令艙裝有70毫米膠捲自動相機，拍下幾乎完整的地球照片。太空船逼近或飛過遠地點的兩小時13分內，相機從指令艙前方窗口左側共拍攝755張彩色照片，拍攝時太空船的海拔高度在13510至18092公里不等，創下拍攝點海拔高度新紀錄。照片分辨率不足以獲取詳細科學數據，但仍引起地球科學人員濃厚興趣。[14][30]

影響、評價、下落

從技術、管理、心理層面而言，阿波羅四號都是圓滿完成的重要任務，特別那一連串零的突破。這是土星五號第一與第二級火箭首飛（第三級已隨土星1B發射火箭上天）、完整土星五號火箭首飛、S-IVB首次在軌道飛行時重啟、39號發射台首次發射、第二批次指令艙防熱大底首次試飛、模擬登月艙首次飛行等等等等。一切進展都很順利，令航空航天局充滿信心。正如菲利普斯所言：「阿波羅走上通往月球的康莊大道」。
—柯特尼·布魯克斯、詹姆斯·格里姆伍德、洛伊德·斯文森：《阿波羅戰車：載人登月飛船史》（1979年）[15]

阿波羅四號各級運載火箭和航天器設施表現無可挑剔，爬升期間每級火箭的飛行時間略長於預期，最後到達的軌道也比預定位置高約一公里，離誤差極限還有很遠。指令艙點火持續時間超出原計劃11秒，故進入大氣層的速度比原計劃略快，再入角度略淺，但同樣沒有超出誤差範圍。制導系統的精準表現堪稱模範，地面控制雖有誤差但幅度很小。指令艙環境控制系統確保艙內溫度和氣壓在合理範圍，再入時僅升溫5.6攝氏度。[1]:124–127[5]:43

林登·約翰遜總統針對阿波羅四號發射表示：「全世界都能看到當今史上最大火箭首次發射的壯觀景象。此次發射象徵本國為和平探索太空掌握的力量。」[27]馮·布勞恩稱讚阿波羅四號發射過程極其順利，起飛和每級火箭的啟動時間都完全準確[25]。羅傑·比爾斯坦的土星五號火箭歷史著作寫道，「完美無缺的阿波羅四號任務令美國航空航天局全體興高采烈，所有人都意氣風發地昂首邁進」[4]:359。慕勒也稱，阿波羅四號令無數人信心大振，證明1969年中期宇航員完全有望登月[25]。

1968年4月4日發射的阿波羅六號是土星五號第二次飛行，各級火箭表現不如第一次完美，第一級飛行期間發生縱向耦合振動，第二級又提前熄火[1]:153–154，但航空航天局認為已經沒有必要再搞第三次無人飛行。阿波羅8號是土星五號第一次載人飛行，[1]:55–59此後每次阿波羅任務都是土星五號火箭發射，且大部分目的地都是月球[1]:572–573。

1969年1月，17號指令艙轉交史密森尼學會[31]，後在航空航天局斯坦尼斯航天中心公開展示至2012年初，如今放在密西西比州漢考克縣皮爾林頓的無限科學中心展示，此地是斯坦尼斯航天中心的遊客中心[32]。

參考資料

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