紀念人類首次載人亞軌道飛行57周年

公元1961年5月5日，美國宇航員艾倫·謝潑德乘坐自由7號水星飛船，被一枚由紅石彈道導彈改裝而成的運載火箭送入太空，實現了人類第一次亞軌道飛行。

本文，是小火箭亞軌道飛行系列文章的開篇，將開啟一個以亞軌道飛行為主題的系列。

小火箭出品

本文作者：邢強博士

本文共3432字，35圖。預計閱讀時間：10分鐘。

而該系列，我決定從2018年5月5日，也就是人類首次載人亞軌道飛行57周年的時候開始啟動。

公元2018年美國德克薩斯州發射場當地時間4月29日13點06分，北京時間4月30日凌晨01點06分，搭載著擁有1.1米×0.73米（人類有史以來最大的飛船舷窗）大窗戶的亞軌道飛船的新謝潑德號可重複使用運載火箭完成了2018年的首次飛行，同時這也是該系列運載火箭連續第8次實現任務的圓滿成功。

最新的亞軌道飛行載具以謝潑德的名字來命名，可見現代的工程師對57年前的那次首次嘗試的敬意。

就讓我們一起，來回首過往，看看在那個年代，人類是如何進行亞軌道載人飛行的吧！

1961年5月2日，謝潑德穿戴好宇航服（當時的宇航服如上圖所示）進入水星飛船。結果，他等了3個小時後，得到的消息是發射因天氣原因取消了。

好在謝潑德心態比較好，調整回了狀態。

他向來是很能吐槽的。

比如當時記者問他，坐在紅石-水星火箭裡面是什麼感受的時候。他的回答是：

「我突然想起來，這枚火箭的每一個零部件都是由報價最便宜的分包商生產的。」

水星飛船是美國第一代載人飛船，其底部的設計很有意思。在防熱大底後面，捆著減速火箭。

水星飛船，重1.935噸，高3.51米。

最大直徑1.89米，容積1.7立方米。

美國工程師首次設計的飛船，圍繞能夠容納1名宇航員的容積來進行設計。

為什麼容積不設定成一個整數？

小火箭答：

美國堅持使用英制單位，原定指標為容積60.0立方英尺，的確是個非常整的整數。不過，換算成公制，就成了1.7立方米了。

水星飛船的個頭兒實在是太小了，以至於，宇航員們通常的說法是：

先穿上艙內宇航服，然後再穿上飛船。

發射

進入太空的時刻，終於還是到來了！

公元1961年5月5日，協調世界時14點34分13秒，紅石-水星3號運載火箭點火成功！

謝潑德終於等來了奔向太空的時刻！

位於美國太空聖地卡納維拉爾角的水星載人工程地面指揮控制中心。

隨後，帶有純正彈道導彈血統的紅石-水星運載火箭開始程序轉彎。

謝潑德在水星飛船里喊出了聲：可別搞砸了！

此時，紅石彈道導彈的總設計師馮·布勞恩博士在距離發射場非常近的防爆控制室內，密切關注著謝潑德乘坐的火箭的彈道情況。

布勞恩博士身旁，坐在那裡記參數的，是宇航員戈爾登·庫勃。他是水星7人之一，後來也乘坐水星飛船進入了太空。今天，他被布勞恩博士叫過來熟悉彈道。

而在華盛頓特區的白宮，同樣有人密切關注著謝潑德代表美國宇航員乃至全人類進行首次亞軌道飛行的情況。

謝潑德的亞軌道飛行，通過電視直播，後來的統計數字表明，當天有4500萬人進行了觀看。

小火箭風格：

時任美國總統肯尼迪，副總統約翰遜，還有阿利·伯克海軍上將等人都在觀看實況。

阿利·伯克？怎麼聽起來這麼耳熟？

沒錯！就是那個阿利·伯克級導彈驅逐艦的那個阿利·伯克。據小火箭所知，這是美國海軍史上，第一次以一位還依然在世的海軍將領的名字來命名一級軍艦。

小火箭知道，按照咱們的風格，一定是要把關鍵的彈道參數以及細節以近乎親臨者的角度來還原。

雖然被各種諮詢報告和所謂內部培訓資料大量抄襲引用，但是考慮到大家的期望，小火箭依然奮力找到各種細節，進行了彈道計算和驗證，現在給出謝潑德在1961年5月5日飛行的彈道（如有引用，還請告知詳情，註明來源：小火箭）

點火1分24秒之後，紅石-水星運載火箭達到最大動壓狀態。

點火2分21.8秒後，逃逸塔分離。

緊接著，紅石-水星運載火箭的發動機關機。

2分32.1秒，水星飛船與紅石火箭下面級成功分離！

2分37.3秒，水星飛船在60英里高度，也就是相當於96公里的高度，進行了自動調姿，改為底部朝前飛行。

此時，謝潑德距離突破100公里卡門線，成為第二個進入太空的人類只有一步之遙。

3分10.3秒，具有劃時代意義的一刻出現了！

謝潑德此時已經進入了太空。他查看了一下水星飛船現在的姿態，覺得不夠優化，有必要人工干預一下。

於是，他實施了手動調姿操作！

地面指揮控制大廳的人沸騰了！因為這是有史以來，人類第一次在太空中對飛船進行手動調姿操作。

水星飛船的姿態控制系統的電路圖，是小火箭聯合會北美分會的兄弟們將原始設計資料掃描之後發過來的。

工程師們，還記得如何分辨三極體的基極、發射極和集電極么？

有興趣的好友可以把水星載人飛船的姿態控制系統的電路建模，推導出傳遞函數。

水星飛船內部。該飛船的設計思路比較明確，屬於機械儀錶時代的經典作品了。

小火箭統計了一下，水星飛船共有30根保險絲，55個開關按鈕，120個控制器，另有35根操縱桿。

5分14.2秒，載有謝潑德的水星飛船到達彈道最高點，此時距離地面187.502公里。

隨即，反推火箭點火。

6分14秒，再次確認彈道正常。

6分20秒，正式進入再入大氣層程序。

7分48秒，開始重新感受到重力。

8分20秒，謝潑德承受最大減速過載。

9分38秒，導引傘打開。

10分15秒，主傘張開。

15分22秒，自由7號水星飛船濺落在北大西洋，任務圓滿成功！

小火箭風格，具體的濺落坐標為：

北緯 27.23°N，西經 75.88°W

一架美國海軍的老西科斯基直升機將自由7號水星飛船吊出海面。

仔細看，應該是一架HUS-1運輸型，而不是HSS-1反潛型。

值得一提的是，紅石-水星3號組合體是人類太空探索史上首次能夠將宇航員留在艙中返回地球的飛行器 （蘇聯的加加林是自己踹開艙門跳出返回艙之後，自己背著降落傘著陸的)。

謝潑德與自由7號水星飛船被運送到了尚普蘭湖號航空母艦的甲板上。

該航空母艦是第二次世界大戰期間建造的，屬於埃塞克斯級，入役的時候，剛好二戰結束，沒能參加二戰。

不過，能夠見證和參與人類首次亞軌道飛行，尚普蘭湖號航空母艦最終還是賺到了。

附錄

有關早期型號的紅石導彈的彈道特徵和速度信息，多個出處的數據不太一致。最後，小火箭在這裡對紅石導彈進行了全彈建模。（最令人頭大的是彈翼部分的干擾阻力計算）然後，小火箭計算了紅石導彈的彈道。

WGS-84大地模型，考慮地球轉動，美國標準大氣COESA。

發射地點選在了美國德克薩斯州某地。打了一個紅石導彈的最大射程。

放大一些看，基本上是個亞軌道的樣子。（注意稠密大氣段的彈道）

基本上紅石導彈的彈道打出來就是這個樣子的了。

摸了一下早期型號的紅石導彈的射程，導彈確實命中了目標。保守估計，紅石導彈早期型號的有效射程至少有318.282公里。經常提到紅石導彈320公里有效射程的說法，經模擬計算驗證，是較為符合的。

彈道最高點為93.721公里處，出現在發射後第207秒。

同時，小火箭打了速度曲線。紅石導彈在上升段還是比較猛的，不到40秒的時候超聲速，不到60秒的時候Mach2，1分多鐘Mach3。

不過，紅石彈道導彈的最大速度發生在彈頭分離後再入稠密大氣的時候，約為Mach 5.42。

結束語

肯尼迪總統自從上台以來，就大力支持科學技術的發展，尤其對航天領域進行了大力扶持。

上圖為時任美國總統肯尼迪與51歲的布勞恩博士在美國陸軍彈道導彈研究中心（紅石研究中心）一起散步的情形。攝於1963年5月19日，此時距離肯尼迪遇刺身亡還有6個月的時間。

1959年，NASA正式啟動的美國首個載人航天工程——水星計劃。當時選用了3種火箭（導彈）：

小喬伊火箭：8次亞軌道無人測試，2次運送猴子，以及若干逃逸系統測試。

紅石運載火箭 ：4次亞軌道無人測試，1次運送黑猩猩，2次載人亞軌道飛行。

宇宙神運載火箭 ：4次亞軌道無人測試，2次在軌飛行，1次運送黑猩猩，4次載人軌道飛行。

美國宇航員謝潑德乘坐紅石運載火箭和水星載人飛船實現了人類首次亞軌道飛行，同時他也是第二個得以進入太空的人類，是第一個在太空中手動操縱飛船飛行的人類。

當我們在今天憧憬馬上就要到來的人類亞軌道太空旅遊的時代的時候，回顧一下人類最早的亞軌道飛行，還是很有樂趣的。

後續，小火箭會繼續與大家共同探討亞軌道飛行的技術與歷史，暢想亞軌道飛行的未來！

版權聲明：

本文是邢強博士原創文章。歡迎朋友圈轉發。

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