举个例子,开车去朋友家,我们通常会跟着“在红绿灯处左转,然后在右边第三扇门”这样的指示。去月球可不是这样;那里没有任何路标指引方向。那么,阿波罗的宇航员们在去月球的途中究竟是如何知道自己位置的呢?
这很棘手。你不能 just 把火箭发射到月球,就指望它能到达那里。太空中存在引力井,而且火箭的燃烧过程很少是完美的,所以误差是整个过程的一部分。那么,宇航员们在前往月球的途中,究竟是如何足够精确地确定自己的位置,以纠正这些误差并到达目的地呢?
对于像我一样需要阅读才能真正理解的人来说,这里将对视频中的内容进行更详细的介绍。
让我们从船舶的“推算航位法”开始,因为这是最容易理解的类比。当你通过推算航位法航行时,你会使用指南针、测速仪和时钟,将导航问题分解为时间、速率和距离。你可以在旅程中的任何一点通过先前确定的固定位置来计算你的位置。知道你的速度、从上次检查位置以来你已经航行了多久以及向哪个方向,你就可以通过你的位置相对于那个固定点的变化量来确定你在哪里。水手们会尽量每小时检查一次。
考虑到推算航位法无法考虑洋流或操纵错误等变量,水手们会通过六分仪来检查他们的位置,利用太阳、月亮、行星或星星。
去月球也是一样的,但这是三维的……而且速度快上千倍!所以仪器的复杂程度也更高。宇航员们依赖的是一个陀螺仪稳定的“稳定平台”来跟踪方向,而不是指南针。稳定平台上安装的加速度计跟踪速度的每一个微小变化,而不是测速仪。电子时钟每秒滴答一百万次。引力会产生不易察觉的航线变化,而不是洋流,所以计算机运行的是艾萨克·牛顿创建的引力数学模型。但除此之外,宇航员的情况与地球上的水手足够相似,可以使用类似的技术,这意味着宇航员使用的是空间六分仪,而不是海军六分仪。
在阿波罗指令舱内,舱门对面嵌入了两个望远镜。第一个是一个单倍放大率的观察镜,可以为宇航员提供广阔的视野。从这个广阔的视野中,他可以选择一个固定点,比如一颗星星(为了导航读数足够稳定)或地球上的一个点。然后他会转向第二个仪器——空间六分仪——一个用于测量角度的圆盘和缝隙装置。
空间六分仪有两个视线,一个是固定的,一个是可移动的。固定视线可以聚焦于地球上的地标,例如旧金山湾(因此被称为地标线视线或 LLOS),并通过调整整个航天器的姿态来将地标置于 LLOS 的中心来控制。当没有这样的地标时,航天器可以将 LLOS 对准地球或月球的阳光照射下的地平线上的一个点。第二个视线是星体线视线(或 SLOS)。这个视线可以偏离固定视线多达 67 度。
宇航员所做的是通过 SLOS 对准一颗星星,然后调整六分仪内部的镜子,将这颗星星的图像与固定视线中的地标或地平线对齐。当他觉得对齐尽可能接近时,他按下“标记”按钮,告诉计算机读取那颗星星与地平线之间的角度,并记下确切的时间。通过对第二颗,有时甚至是第三颗星星重复这个过程,计算机就获得了足够的数据,可以通过导航程序计算出航天器的位置!
有几点需要注意,因为这听起来太复杂而难以实现,对吧?“稳定平台”意味着航天器的姿态不会移动;在导航检查期间,乘组人员会调整航天器的姿态,并且它会完美地保持该姿态。此外,星星、行星和月亮都在移动,但同样,它们足够稳定,可以获得良好的导航检查。最后,我们必须记住,没有任何乘组是未经准备就前往月球的。阿波罗 8 号和 10 号在阿波罗 11 号之前已经进行了飞行并检查了导航系统,麻省理工学院仪器实验室(现称为 Draper)的工程师们将数个世纪的星体知识应用于这个问题。计算机知道将用于观测的星星和天体(即地球和月球)的位置,这使得实时导航计算相对容易!
在前往月球的“我们在哪里”的问题是 GNC 缩写的中间字母——制导、导航和控制。制导是指确定速度需要进行哪些改变才能使航天器到达你想要去的地方。控制是指操作发动机硬件,使航天器到达它需要去的地方。总而言之,GNC 程序让阿波罗飞船成功登上了月球。
资料来源:《阿波罗飞往月球》作者 W. David Woods。 《阿波罗导航计算机》作者 Frank O’Brien。与 Draper 现任及前任工程师的访谈。此视频与 Draper 合作完成,Draper 对解释内容表示认可。














