这是“阿波罗8号”连载的第二篇，第一篇是： 阿波罗8号，NASA的惊险大跃进
按照预定计划，“阿波罗”登月计划采用“土星5号”运载火箭搭载飞船升空。“土星5号”是至今为止最大的火箭，如果你留意过，就会发现如今的火箭在自我宣传时都必须加上“现役”的前缀，那是因为“土星5号”已经退役了。
“土星5号”这个大家伙可以把140吨的负载送入近地轨道，对现役的大多数火箭来说，这个数字只有不到30吨——可以想象太空竞赛的当时，双方有多么疯狂。
虽然有传说“土星5号”的图纸已经全部遗失或销毁，但NASA驳斥了这一说法。按照官方解释，所有设计资料仍然保存在微缩胶卷上，只是如今对应的零件和生产线已经不再生产和使用了，花费巨资重建“土星5号”没有意义。
“土星5号”有多大呢？加上顶部的阿波罗飞船，高度一共有111米，差不多是36层楼的高度。燃料加注完成之后，总重量超过3000吨。在起飞阶段，五台巨大的F-1发动机每秒钟都要烧掉13吨燃料。
如果你对这个数字没有感觉，我们可以做个形象的对比。1927年，美国飞行家查尔斯·林白驾驶“圣·路易斯精神”号飞机从纽约飞抵巴黎，完成了人类历史上的创举。但是林白整趟航程消耗的燃料只有2750磅（约1.3吨），只是“土星5号”一秒钟消耗燃料的十分之一。如今，土星5号一秒内烧掉这些燃料产生的功率高达1.2亿千瓦，堪比当时整个英国在高峰时期的耗电量。
“土星5号”由原纳粹德国的火箭科学家冯·布劳恩担任总设计师（在《 系统问题应当如何排查？看看NASA著名的“10厘米发射”吧》里，我详细介绍过冯·布劳恩）。虽然冯·布劳恩有丰富的火箭经验，但“土星5号”的研制毕竟是前所未有的挑战，要解决的问题层出不穷。
典型的例子是土星五号第一级中的F-1发动机燃烧稳定性问题。F-1发动机堪称“出师不利”，刚开始测试就出现了燃烧不稳定的情况，44次测试中竟然出现了20次。燃烧不稳定会导致发动机抖动和火箭烧蚀，属于不可接受的情况。
为解决这个问题，NASA专门启动了“一号项目”（Project First），来解决燃烧稳定性的问题。工程师仔细对比了F-1发动机的燃烧情况和纳粹德国V-2导弹的燃烧情况，发现了玄机：V-2导弹是多喷嘴设计，而F-1发动机是单喷嘴设计。打个不那么恰当的比方，V-2好像是燃气灶的火眼，而F-1好像是单根的蜡烛，前者明显更稳定。
解决之道是改变燃烧室的构造，增加隔离，这样修改之后燃烧果然稳定了。但工程师仍然不敢放心，为了确保解决问题，他们又在喷嘴里放了一些炸药随机引爆。
经过测试，确认燃烧是稳定可靠的。燃烧稳定性的问题今天看起来简单，但航天任务中没有哪个任务是简单的，整个“一号计划”从1962年持续到1965年，花费了四年时间，进行了超过2000次全尺寸测试，才算最终完成。
即便如此，“阿波罗8号”也是“土星5号”的第三次发射，之前的两次任务分别是“阿波罗4号”和“阿波罗6号”，其中“阿波罗6号”堪称失败，因为火箭第二级的J-2发动机出现了故障，好在控制系统延长了其它发动机的工作时间，终于把飞船送入了轨道，但这也足够让人担惊受怕的了。如今，“阿波罗8号”是“土星5号”火箭的第一次载人发射，到底有多少成功把握，谁也不知道。
实际上，直到1968年9月16日，冯·布劳恩和他的团队才确认，“土星5号”的问题已经全部解决，他们有足够把握用“土星5号”执行载人航天任务了——这时候距离“阿波罗8号”的预计发射时间只剩下3个月。
除了火箭，计算机系统也是一大挑战。之前绕地球飞行的“水星”和“双子星”任务中，计算机扮演的角色都很边缘，最早上天的“自由七号”几乎没有计算机。这一方面是因为当时计算机还处在相当原始的阶段，不让人信任。另一方面，在大多数人的观念里，飞行到底更多属于人工操作，还是更多属于非人工操作，这个问题一直没有定论。
按照历史学家Harvard Gibbs-Smith的命名，一直以来，关于飞行控制，存在着两大流派：chauffeurs和airmen。
前者希望飞机是静态稳定的，只要飞行员不动作，飞机就一直保持当前的稳定状态，这种理念类似三轮车。对飞行器来说，飞行员是“置身事外”的，他更关心的是“让飞行器干什么”；后者希望飞机是静态不稳定的，飞行是需要随时去关注、去操作、去体验的活动，理念类似自行车。飞行员是“置身其中”的，他需要懂得“怎么操作飞行器”。
长期以来，欧洲尤其是法国人，都偏爱chauffeurs，而美国人一直喜欢airmen，他们相信飞行是技能，也是属于飞行员的荣耀。但是二战以后，随着飞行器性能和复杂度的不断提升，即便是长期偏爱airmen理念的美国人，也不得不接受“飞行必须由技术装备辅助”的现实。
有个突出的例子就是NASA的X-15试验机。NASA在20世纪50年代通过X-15试验机完成了大量航空航天测试，为后来的载人航天积累了大量的经验。该机由B-52轰炸机携带到高空投放，速度最高可达7马赫（7倍音速），高度最高可达108公里。
X-15试验机在飞行 来源：NASA
与传统飞机不同的是，X-15身兼航空（大气层内飞行）和航天（接近大气层外）的两大任务。通常认为，“适航大气层”的高度不超过31千米，更高的高度上环境已经与太空相同，所以X-1的飞行分为两部分，操控原理截然不同。在航空飞行时，只需要操作对应舵面，流过机身的空气就发生会变化，从而改变飞机的姿态。在航天飞行时没有空气，只能依靠反作用力（向外喷射）来改变飞行姿态。
按照传统的设计，X-15上配备了三根操纵杆，分别对应不同的情境。这样确实有效，但增加了飞行员的负担，因为飞行员不那么关心现在到底是在大气层内还是大气层外，他只希望飞机的操纵逻辑是不变的。
X-15的座舱，可以看到左、中、右三根操纵杆 来源：NASA
这个问题直到1960年制造出第三架X-15才得到解决，当时Honeywell为X-15开发了名为MH-96的控制系统，解放了飞行员。阿姆斯特朗事后评价说，有了MH-96，飞机“稳定得不可思议，我才真正有时间去看看四周，望出窗外”。
另一方面，操作理念的选择也与飞行员的年代有关，比如老一代的飞行员都很“传统”，更喜欢“真刀真枪”地体验飞行，不喜欢使用模拟器，而以阿姆斯特朗为代表的飞行员则很容易接纳模拟器训练。（多说一句，这两派理念的影响至今仍然深远，典型的例子就是空客和波音截然不同的操作理念）。
到了“阿波罗”任务期间，系统的复杂性已经足够高，高到手工操作已经不能胜任的程度。哪怕是airmen的绝对拥趸也不得不承认，“阿波罗”飞船离不开计算机。
与X-15试验机不同，X-15虽然可以在适航大气层之外飞行，外形仍然类似传统的飞机，有机头、机翼、机尾等结构，大部分时候仍然“朝前飞”，滚转之类是应当避免的。“阿波罗”飞船则完全不同，360度旋转对它毫无问题，甚至有时候是任务必须，其姿态调整是借助喷嘴完成的。飞船一共配备了四组喷嘴，每组四个，一共十六个喷嘴。每次飞行姿态的调整都需要多个喷嘴协同。同时控制十六个喷嘴配合工作，显然是人工不可能完成的任务。
“阿波罗”飞船的指令舱和服务舱，红圈处即为调整姿态的喷嘴 来源：NASA
NASA找到了MIT，让他们负责设计对应的计算机系统。有趣的是，尽管当时的计算机还处在发展的早期，开发人员的思维却和如今是一致的：既然要登月，程序只要提供两个按钮，一个是“去月球”一个是“回地球”，就好了。其他的，“你们都不必操心”。
但是这个想法必然得到宇航员和航天工程师的大力反对。要知道，上世纪60年代计算机还处在发展的早期，不但速度缓慢、体积巨大，更要命的是可靠性也很差。今天大家都认为计算机比手工要可靠，但是在当时，计算机远没有如今那么普遍和值得信赖，谁也不敢把自己的身家性命交给计算机来管理。
用来进行技术验证、训练宇航员的X-15试验机的事故也加深了这种印象。1967年11月15日，飞行员Michael J. Adams驾驶的第三架X-15飞行时遭遇意外，在进入大气层时进入尾旋，数次尝试改出无果之后，因为剧烈震动，飞机在空中解体。
事后调查发现，此次事故并非单一原因，人工操作和MH-96都有责任。无论如何，这加深了飞行员们对“黑盒子”（因为大家认为其运行原理无法观测）的恐惧，后来不再强调计算机系统的绝对权威，而要将其设定为“灰色系统”，人工需要有绝对的介入权。实际上，所有的六次登月（从“阿波罗11号”到“阿波罗17号”，中间“阿波罗13号”未能登月）任务中，虽然计算机提供了对应的程序，但降落月球全都是宇航员手工操作的。
我们同样不能忽略当时的时代背景。在上世纪五十年代，飞行器大量引入计算机等辅助设备之后，因为几乎没有人意识到“人机工程”的重要性，所以飞行员抱怨“操控感很差”、“飞行品质很差”，而“操控感”和“飞行品质”在当时是无法用理性认识的。最终的办法是：飞行员必须参与到飞行器的设计当中来，飞行器的设计也必须听取飞行员的意见。到了“阿波罗”飞船的设计中，宇航员的意见必须得到尊重。
最后的结果，就是如今基本已经成为标配的“线传飞行控制”（FBW，Fly-By-Wire），简单说：电脑成了驾驶员（飞行员、宇航员）与飞行器的中介，驾驶员通过电脑来操作飞行器。在飞行中，驾驶员的动作先被电脑感知，变成信号，由电脑综合飞行器的状态，在闭环中作出决策，再把对应信号通过线缆传递到对应机构，采取具体行动。
尽管早先已经有飞机开始使用线传飞控，但大家都信不过它，还是留了一套液压操控机构备份（如今波音的大部分飞机仍然保留一套液压操控系统，这种机械也深得检修人员喜爱，因为简单直观，方便维护）。线传飞控技术第一次作为完整的方案，正是在“阿波罗”飞船上。另一个重要原因是，这些冗余系统的重量对飞机来说尚且可以接受，对航天器来说就太奢侈了。
“阿波罗”飞船上的计算机（AGC，Apollo Guidance Computer，虽然名字是“导航”，但其实包括了飞行控制的全套功能）采用了当时最先进的技术，集成电路。这可是名副其实的“先驱”，如今许多人把世界上第一个微处理器4004的诞生当成集成电路的诞生，但是4004芯片要等到1971年才面世，那可是“阿波罗8号”上天3年之后的事情了。
“阿波罗”飞船用到的集成电路，由MIT的媒体实验室和“仙童半导体”合作提供，售价不菲
我们时刻要记得，上世纪60年代的计算机系统和如今差异巨大。集成电路只是其中一个方面，“阿波罗”的存储也与今天的大不相同，它用的不是磁盘，也不是芯片，而是独特的Core Rope Memory（磁芯-线缆存储器）。
制造这种存储器需要的不是如今流行的生产流水线，而是精于缝纫的女性，有人戏称她们为“小老太太（Little Old Ladies）”。存储器里有多个磁环，每个磁环对应一个bit。如果磁环里穿有导线，就代表1，如果没有，就代表0。这项工作只能交给耐心细致的“小老太太”，她们根据编写好的程序，仔细将导线穿过对应的磁芯，再焊接完成。“编好”的程序封存在这样的存储器里（成为只读），简陋但绝对可靠。
AGC上的ROM（Core Rope Memory）
磁芯存储器的制作画面，和如今的服装厂很像吧？
你可以想象，这样制造出来的计算机，其性能一定非常“低下”，事实也确实如此。“阿波罗”飞船搭载的AGC，主频2MHz，RAM容量为2048个字（字长16位，采用磁芯存储器），ROM容量为36K（采用磁芯-线缆存储器）。随便哪一项参数都远远逊于当今随处可见的手机，甚至连计算器都不如。所以也有一些人质疑说，以当时的计算机水平，登月是不可能的。
AGC的RAM使用磁芯存储器，它长得有点像上面的ROM，但其实是可写的
不过这类质疑大多站不住脚。要知道，前些年上天的我国“天宫一号”空间站，其主计算机也不过相当于20世纪80年代的386水平。实际上，各种航天设备的计算机水平“普遍很低”，主要原因有两个：第一，航天任务极端在意可靠性，太空辐射很强，高能粒子穿透电子设备会导致内容翻转（0变1，1变0），普通民用设备遇到这种情况多半会死机，所以需要大量的冗余来进行校验；第二，电子设备的频率越高，工作时越容易受外界干扰，所以降低频率是保证可靠性的重要手段。
所以，尽管如今常见的计算机系统确实很强大，但我们不能想当然，以通用的民用技术来推断专门领域的应用情况。专门领域往往有独特的环境和限制，强行推断会得到许多错误的结论。再举个例子：坦克主炮开火时会产生巨大的震动和电磁脉冲，一般的计算机根本承受不了，暂时停机还是其次，数据丢失的危险更加重大，所以从硬件到软件都需要专门考虑。
回到“阿波罗”飞船的技术准备。有了计算机还不够，还必须解决宇航员操作计算机的问题。当时可没有触摸屏，也没有指望宇航员像今天的人一样熟悉电脑，甚至是键盘。在整个任务期间，宇航员要给电脑的指令有几百种，怎样让宇航员能够方便地下达指令，并观察电脑的状态，这是一大挑战。
解决方案是MIT的仪器测量实验室（Instrumentation Library）提供的DSKY，它读作dis-key，是Display Keyboard的缩写。
AGC和DSKY的合影
DSKY操作界面
MIT的DSKY是为了能输入太空飞行所需的大量指令而设计的，它的设计相当巧妙，所有的指令都分为两部分：动词、名词。
不同的动词对应不同的数字，不同的名词也对应不同的数字。比如动词37（输入3-7-Enter）表示“准备执行指令”，再输入名词31（3-1-Enter）表示“对接”，飞船就会开始准备对接，这条指令在手册上记作V37N31E（最后的E表示Enter）。
所以，调整飞船姿态的指令是50 18，显示姿态变化的指令是06 18，为下一次调整姿态改变速度的指令是06 84。当然也有一些指令不需要名词，它们对应的动词编码是44-49。而动词编码00-37用于日常的指令，必须搭配名词。总的来说，只需要一个小小的键盘，就足够输入几百种指令。
“阿波罗”飞船上的DSKY操控面板包含三部分：
第一部分是左上部分的十盏报警灯，比如TEMP表示温度超出正常范围，UPLINK ACTY表示正在从地面接收数据；
第二部分是右上部分的状态显示屏，PROG、VERB、NOUN分别显示当前正在执行的指令，对应的动词指令、名词指令，下面还可以显示3个五位数值；
第三部分是下面的键盘，左边有VERB、NOUN两个键，中间是0-9，右边是ENTER、CLEAR等操作键。
据统计，在整个任务期间，宇航员需要在这个小小的面板上按键超过一万次。
更不可思议的是，“阿波罗”飞船诞生的时候，许多人对“软件”(software）根本没有概念。在“阿波罗”的项目需求文档中，甚至都没有包含“软件”这个词，更不用说为它保留预算了——至少在一开始，事实就是如此。
随着项目持续开展，大家才逐渐意识到软件的重要性。1965年，软件开发的工作被单独列出来，交给MIT的Margret Hamilton负责。
Hamilton当时只有24岁，在MIT取得数学学士学位之后，她偶然踏入了软件开发的世界，然后深深爱上了这个职业，“（做软件开发）就好像开发西部的蛮荒地带一样”。
当时的软件开发流程也相当简陋，在模拟器上完成各种情况的测试，程序定型之后，交给雷声（Raytheon）公司的“小老太太”们，由她们把程序“编织”完成。与如今不同的是，当时的电脑基本没有“运行内存”（Working Memory），当然，也异常坚固。
Margret Hamilton在“编程”
Margret Hamilton在展示AGC的源代码
有趣的是，“阿波罗”飞船的源代码已经在前些年公开在Github上，而且有一群爱好者真的找来设备让它跑起来了，并录制了系列视频。有兴趣的朋友可以在YouTube上搜索“Apollo AGC Restoration”。
Apollo AGC系列节目非常有意思，各种不可思议，值得一看
除了电脑，“阿波罗”飞船还有些“古老”的设备，比如比如六分仪就是。
从大航海时代开始，水手们就使用这种仪器来测量恒星和地平线之间的角度，用来确定自己的经纬度。在“阿波罗”飞船上同样装备了六分仪，在飞行期间，宇航员需要用它测量恒星与地球月球连线之间的角度，把得到的数据输入计算机，然后才可以知道自己所处的位置，接着电脑才可以正确操控推进器，保证飞行路线的准确。
说起用六分仪定位，Lovell可是行家。对他来说，查看六分仪，把数据录入电脑，这就好像钢琴家弹钢琴一样舒服熟练自然。Lovell甚至因此获得了“金手指”的美誉。不过恰恰就是在飞行途中，Lovell差点酿成大祸，只是之前谁也不知道。
当然，航天发射是一件大事，要准备的不只是技术方面。按计划，“阿波罗8号”返回必须要求海军出动航空母舰和直升机来打捞。不幸的是，“阿波罗8号”的预计返回时间正好是圣诞期间，按照惯例，海军已经有假日安排。
更不凑巧的是，前不久，太平洋舰队司令John Sidney McCain将军的儿子驾驶的飞机在越南上空被击落，他成了俘虏，所以现在将军的情绪并不好。不过Kraft等不了那么多，他直接飞到檀香山，闯进了海军的会议室：
将军，我知道海军圣诞节有自己的安排，我现在请求您做出变更。 我今天前来是寻求海军的支援，在发射之前一直到圣诞假期。 我们需要你的支持。
这真是我听过最给力的汇报了。那个年轻人要什么，就给他安排什么！
在Kraft说话之后，会议室里一片寂静，别说陌生人，熟人也不敢这么对太平洋舰队的司令说话。但是，44岁的Kraft面对57岁的McCain毫无畏惧。最终，他得到了需要的支援。
未完待续……
延伸阅读：
加班越狠，出成绩就越多吗？在NASA，这叫做Go Fever
参考资料：
Digital Apollo: Human and Machine in Spaceflight by David A. Mindell
Rocket Men: The Daring Odyssey of Apollo 8 and the Astronauts Who Made Man's First Journey to the Moonby Robert Kurson
Failure Is Not an Option: Mission Control from Mercury to Apollo 13 and Beyondby Gene Kranz
Genesis: The Story of Apollo 8: The First Manned Mission to Another World by Robert Zimmerman
Apollo 8: The Thrilling Story of the First Mission to the Moonby Jeffrey Kluger
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