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半世纪前力助美国登月成功的NASA全球跟踪网络,至今仍是技术巅峰

20世纪60年代的登月计划引人瞩目,而在这背后的宏伟支撑项目却鲜为人知。

比如,立了全球跟踪系统,与阿波罗飞船保持通信,一路追踪宇航员,接收来自太空的数据和电视广播。

是一项极为艰巨的任务,更是一项了不起的壮举。

半世纪前力助美国登月成功的NASA全球跟踪网络,至今仍是技术巅峰-爱尖刀

20世纪60年代的登月竞赛隐藏着许多鲜为人知的故事,宇航员最终得以成功往返月球,离不开这些宏大项目的支持。然而,由于不够光鲜华丽,或者名气不大,它们并未引起外界的关注。

这其中,最给力也最重要的项目当属美国宇航局创建的全球跟踪与数据网络,从登月到返航,它一路追踪宇航员,向他们以及他们乘坐的飞船传输数据和指令,同时和宇航员沟通,接收来自太空的数据和电视广播。

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金银花溪天线——这是85英尺长的天线之一

把阿姆斯特朗第一次在月球上行走的图像带回了地球


这是一项艰巨的任务。为了时时刻刻与飞船保持联系,他们必须在适当的位置安装跟踪站,也就是大型天线。如此一来,在地球自转,飞船驶向月球,绕其轨道运行,最终返回地球的过程中,地面能够与其保持通讯。

要让这些遥远的跟踪站发挥作用,就必须将它们相互连接,并通过自动防障数据网络与美国宇航局的官员建立联系。在发射后和溅落期间的几个小时内,他们必须打起十二分精神,此时如果发生重要事件,就连地面跟踪站也无法追踪到。

天线必须在24万英里(约合38.6万公里)外精确定位到相对较小的航天器。指挥舱、服务舱和登月舱对接在一起,也只有53英尺(约合16米)长,相当于一辆货运半挂车的长度。当航天器飞往月球,进入月球周围的轨道,以及在月球表面着陆时,这些天线必须始终锁定对航天器的跟踪。

全世界各个时区的跟踪站都必须有工作人员24小时轮番值守。即便使用2019年的先进工具,建立全球跟踪与数据网络仍然是极其庞大的工程。以1965年的计算机和通讯技术水平,打造这样一个网络可谓“难于上青天”,这也是人类登月这项重大挑战的一个缩影。

阿波罗计划期间,美国宇航局建造并运营了这个航天跟踪与数据网(Spaceflight Tracking and Data Network,简称STDN),覆盖了从百慕大、马德里到关岛等地的14根大型天线。其中最大的三根天线目前仍在使用,其表面面积是足球场大小的2/3,它们向上倾斜,瞄准来自阿波罗号的信号。

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STDN还在海上安置了四艘特别建造的船只——挖空油轮船体,并从船头到船尾加装了巨大的跟踪天线——以及两颗卫星,帮助传递信号。在溅落过程中,当太空舱借助降落伞飘向太平洋(远远低于陆基天线的追踪范围)时,美国宇航局将八架飞机送上高空,以维持通讯。

这些跟踪站通过200万英里长的通信线路连接起来,包括电话线、海底电缆和微波塔。这条通信线路足以绕地球80圈,形成首个全球高速数据网络。该系统的设计和运行由马里兰州的美国宇航局戈达德航天中心(Goddard Spaceflight Center)负责,距离华盛顿特区不远。戈达德收集到全球所有的信号,再传输到休斯敦的航天地面指挥中心。信号的返回传送同样也是通过戈达德。

20世纪60年代中期,该网络的组装成本为3.7亿美元(每个登月舱的成本约为1亿美元)。它需要动用2,700人进行操作,且依靠遍布世界各地的39台Univac通用自动计算机管理涌入的信号。阿波罗计划期间,它每年的运营成本为7,000万美元。光是电话费,即租用200万英里通信线路的费用,每年就高达5,000万美元(相当于今天的4亿美元)。

1969年的通讯速度还算不错,在今天看来,那点数据微不足道,但美国宇航局却利用它们取得了惊人的成绩。从飞船向地面传输的数据速率为每秒51,200比特,从休斯敦回传至宇航员的数据速度是每秒2,000比特。戈达德和指挥中心之间的重要专用数据链路以每秒40,800比特的速度运行,将近30年后,人类才开发出了能够匹配并超过这一比特率的家用调制解调器。

阿波罗11号第一次登月的照片首先传到了澳大利亚的金银花溪天线。在这里,尼尔·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)登上月球表面的图像传回到了地球。20分钟后,当巴兹·奥尔德林(Buzz Aldrin)走下梯子时,地球和月球的位置已经发生了变化,奥尔德林的照片通过下一个跟踪站,即同样位于澳大利亚的帕克斯天文台传了回来。

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澳大利亚帕克斯天文台的射电望远镜

在整个数据网络中,澳大利亚负责将人类首次登月的信号、声音和电视影像带回地球。这项行动在澳大利亚国内引起轰动,激起了人们的自豪感。

受其启发,澳大利亚在2000年拍摄了(基本符合史实的)电影《不简单的任务》(The Dish),由山姆·尼尔(Sam Neill)主演,在美国和澳大利亚都深受好评。美国宇航局也撰写了一部长达527页的史书,记录了这段历史,标题十分生动:《听见你的声音,洪亮而清晰》(Read You Loud and Clear)。

全球跟踪网络不仅仅达到了预期作用,更是早期太空时代一个低调的奇迹。

STDN的导航修正是如此精确,计算速度如此之快,在阿波罗任务期间,宇航员所收到的最佳导航数据不是来自他们自己的飞船和机载导航仪器,而是来自于地面。在距离地球24万英里的月球轨道上,美国宇航局的跟踪网络可以准确定位指挥舱和登月舱的位置,误差不超过30英尺(0.006英里),并能测量其运行速度,误差不超过1英里每小时。

所以从本质上来看,美国宇航局发明了一台星际雷达测速仪。

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文 | 快公司编辑部

翻译 | 李美玉

编辑 | 一块糕

图片 | 网络

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