抓住并放手：带我们进入太空的爆炸螺栓

从隔壁房间，透过厚厚的花岗岩墙，传来一阵“突突突突”的声音，就像一列古老的蒸汽火车驶来。绕过拐角，我看到了噪音的来源：一张桌子，在晃动。长长的金属板快速地前后晃动。上面整齐地排成两排，有六个长方体，上面装满了测量压力和运动的传感器。每个传感器上都有一个钛合金螺栓，大小相当于一个成年男子的前臂，重约 10 磅。正如这个复杂的装置所暗示的那样，这些螺栓很特别。

最终，这些非凡的硬件将进入太空。这些螺栓或类似螺栓将把猎户座飞船的各个部分连接在一起。猎户座飞船是一种新型航天器，在未来十年内，它将自 1972 年以来首次将人类送出近地轨道——首先是前往月球，然后是前往火星。但在此之前，这些紧固件必须经受住模拟的旅程考验。只会更糟。

它们所经受的震动仅仅是个开始，目的是为了模拟发射时的剧烈程度。这些部件还经受了锤击、烘烤和冷冻——总共 24 项测试。所有这些测试都是在任何金属到达发射台之前进行的。这些考验不仅确保螺栓能够将巨大的太空航行机器固定在一起，而且确保它们在恰当的时机整齐地断裂。更具体地说，它们会爆炸，同时战略性地抛弃猎户座火箭的各部分。

这种可燃硬件的设计、制造和大部分测试都在康涅狄格州东部的一家旧石材工厂进行，一个多世纪以来，工程师们一直在这里将各种物品塞满烟火材料。占地 200 英亩的园区由 19 世纪的褐砂石、花岗岩和砖块组成，既像工厂城，又像大学，是 Ensign-Bickford 航空航天和国防公司（简称 EBAD，因为国防承包商没有一个略带险恶的缩写，这怎么能叫它 EBAD？）的所在地。EBAD 是为洛克希德马丁公司（NASA 该项目的主要承包商）制造猎户座螺母和螺栓（以及陶瓷、织物和弹簧）的 2,000 多家公司之一。

EBAD 的零部件在这场太空史诗中只是配角，但该公司的关键任务使其具有巨大的引力。在将猎户座飞船送出大气层的 550 万磅火箭（统称为 NASA 的太空发射系统）和其他设备中，只有 20,500 磅（不到 0.38%）会返回地球。“我们最不想做的就是在发射时把所有东西都带到月球再带回来，”洛克希德猎户座载人舱（宇航员乘坐的空间）副经理卡罗琳·奥弗迈尔解释说。“我们不需要月球上的爆炸系统。那么它会去哪里呢？它会分离。这是一个‘分离事件’。”用简单的英语来说就是：东西掉下来了。

爆炸的螺栓是这一过程的催化剂，“是我们使命的核心”，奥弗迈尔说。

猎户座飞船往返月球的整个旅程中，飞船要经历八次分离。第一次分离发生在发射三分钟后：螺栓与充满炸药粉末的拉链状裂缝（称为易碎接头）一起断裂，从而卸下了将猎户座飞船送离地面的负载。保护飞船免受升空热量影响的三块近两层楼高的整流罩掉落。“一个 15 英尺高的咖啡罐砰的一声飞走了，”奥弗迈尔回忆起她在试飞中第一次看到飞船上的面板分离的情景说道。“我知道这么说听起来很傻，但我觉得那真是太美了。”

随着任务的进展，越来越多的系统变得无关紧要并断开。最后要拆除的是服务舱，这是一个垃圾桶形状的舱体，里面装有任务所需的所有液体和气体；它依靠四个专为这项任务制造的紧固件，在 130 万英里的旅程中紧紧抓住猎户座太空舱。当载有机组人员的飞船开始返回地球时，紧固件断裂并释放舱体，然后舱体燃烧殆尽。

为这些螺栓的关键时刻（即它们的完美失效）做好准备，就像是禅宗公案。如何全面测试一个只工作一次的东西？你如何设计一个必须失效才能发挥作用的东西？

部分答案可以从螺纹紧固件（称为释放和固定螺栓）中看出，它们在工作台上摇晃和嘎嘎作响。在 EBAD 为 Orion 制造的所有硬件中，这些必须经受最严酷的折磨，无论是在地球上还是在太空中。“我们狠狠地敲打它们，”EBAD 测试服务经理史蒂夫·瑟斯顿 (Steve Thurston) 一边看着这些英勇的装置在工作台的运动中发出愤怒的轰隆声，一边说道。瑟斯顿转身走向一个更安静的地方，轻声、近乎严肃地说道：“这对零件来说真的不公平。但这就是重点——找到它们的极限，突破极限。”

外面，清晨的雨水让位于秋日的亮绿色。一条曾经为 EBAD 提供动力的河流蜿蜒穿过校园；一群水獭在这里安家。很难将这个场景与老旧石墙后面发生的事情联系起来：太空时代的螺栓被拉长（并被挤压、撞击和摇晃）到极限。

康涅狄格州辛斯伯里早在南北战争之前就一直是 EBAD 的所在地。当时，该地区遍布铁矿、铜矿和花岗岩采石场，这意味着需要大量挖掘和大量吊杆。方法很粗糙：挖一个洞，装满火药，塞住它，只留下一小块空间来放引信（通常是绳子或布），点燃，然后放火。数百人因此丧命，通常是因为爆炸发生在不该发生的时候——大多是太早了。

1831 年，这些技术开始发生变化——变得更加精细、可预测、安全。在旧英格兰的康沃尔郡，那里的采矿量甚至比新英格兰还要多，一位名叫威廉·比克福德的发明家为第一个安全引信申请了专利。比克福德将火药装入空心黄麻绳中，然后以每英尺约 30 秒的可预测速度嘶嘶作响。1839 年，他与康涅狄格州的一家矿业公司合作，在美国制造和销售他的燃烧器。拉尔夫·哈特·恩萨因于 1870 年加入。他的继承人后来将公司的爆炸物业务扩展到引信之外​​，开发出诸如银行家包之类的产品，当骗子动手时，包就会冒烟。

业务开发主管 Dave Novotney 快速向我介绍了这个超过一个世纪的历史，最后谈到了一个关键点。他从办公桌前退开，说道：“我们在这里大展宏图。我们非常擅长这件事。我们已经做了很长时间了。”但关键是时机，即使在 Bickford 的时代也是如此。时机曾经是——现在仍然是——一切。

最能体现这一点的，就是宇航员在以每小时 20,000 英里的速度穿越太空的一小块金属舱内。这就是为什么在载人航天任务中，飞船上数十个位置几乎都埋有炸药粉，这几乎是自相矛盾的。当你需要它时，它会按你的意愿行事。

美国宇航局并不称这些推进剂为“炸药”。相反，它们是烟火系统，或称火工系统，其中所谓的分离螺栓是核心部分。一种称为执行器的电子开关将电荷输送到通向紧固件的螺纹燃烧线。整个过程在几分之一毫秒内结束——大约是人类眨眼的百万分之一。

从一开始，NASA 就依赖于这种快速反应，这种反应在弹射座椅和武器部署中也很常见。20 世纪 50 年代末和 60 年代初的水星任务试验了火药，但效果并不总是很好。水星 4 号飞行期间，逃生舱在溅落时失火，导致太空舱进水，一名宇航员差点溺水身亡。NASA 通过 60 年代中期的双子座计划更好地控制了吊杆，该计划增加了新结构，例如烟火部署的起落架。到 60 年代末和 70 年代初的阿波罗任务时，210 种爆炸技术承担了 24 种机械功能 - 从分离月球着陆器到释放降落伞 - 在首次将人类送上月球的飞船上。EBAD 为许多这种小而强大的点火提供了火药。

然而，在航天飞机计划期间，爆炸被搁置了。太空飞机更多地依赖于机动化、可重复使用的系统——用于对接和分离附件，包括太空行走的宇航员。然而，NASA 工程师 Stu McClung 后来向我解释说，发动机并不完美，他负责猎户座的火药，在航天飞机上工作了近二十年。它们比火药慢几秒，可能重几磅，最糟糕的是，它们也会发生故障。所以他仍然倾向于使用爆炸作为故障保护。“如果出了什么问题，我们可以把它弄碎，然后回家。”

如今，卫星和无人系统对电力驱动的需求越来越大，例如詹姆斯·韦伯望远镜和 OSIRIS-REx 小行星采样器，它们的太阳能电池阵列需要轻轻展开。“好消息是火工系统反应非常快，”诺沃特尼打趣道。“坏消息是它们反应非常快。”同样让我们这些笨拙的朋友感到难过的是：SpaceX 创始人埃隆·马斯克，他的理念是可重复使用性，他并不喜欢这种轰动。

EBAD 在航天飞机上几乎没有什么装备，几年前，诺沃特尼就注意到大多数太空业务都完全放弃了火药。不过，猎户座火箭是航天飞机时代之前的产物——当时的人们依赖可控爆炸——也是该公司利用其爆炸物优势的机会。因此，诺沃特尼竞标了这艘百年不遇的飞船，希望在它飞过之前就将其捕获。

现在，他和一组工程师对螺栓制造的反复试验有些痴迷。他们工作的最终成果有时会出现在 Novotney 的办公室里，装在一个装满用过的紧固件碎片的黄色桶里，他喜欢向来访者展示。凝视着这些垃圾，它们看起来更像是废弃的填充管，而不是经过超工程设计和无休止测试的爆炸太空物品。他们的任务非常简单，但需要多年才能完善：团结一致，分开，帮助将机组人员送回地球。“你不可能突然改变主意，派布鲁斯·威利斯去执行救援任务，”Novotney 说。“你要回家，仅此而已。”

自 2009 年以来， EBAD 一直在交替制造和拆除猎户座硬件。成立之初，洛克希德公司提交了大量带有规格的文件，一开始是几百页，后来是几千页。不过，EBAD 并不是从零开始的。该公司于 1965 年成立了太空军械部门，专门制造专用引信，而其他几家公司（甚至 NASA）自 50 年代以来一直在制造分离螺栓。因此，到本世纪初，EBAD 的大致轮廓已经显现出来了。

为了完善螺栓，EBAD 工程师花费了大量时间来研究硬件的最薄弱环节：断裂面，即最终断裂的中心。洛克希德公司的 Overmyer 将其比作折叠的纸张：“当你弯曲它时，折痕会变得非常坚固，所以它会在那条线上断裂，”她解释道。如果硬件过早断裂，比如在发射过程中，就会发生在这里。在螺栓上，平面是一个薄如刀片的凹口，环绕钛表面，距离一端约三分之二。在 EBAD 为猎户座进行早期测试的日子里，设计师们摆弄了螺栓的位置和深度。最重要的是，他们精心搭配了内部结构和炸药，以确保每次都能在正确的时间干净利落地断裂。

在他们不断改进的过程中，规则也在不断变化。在开发过程中，经过十几次螺栓迭代和几次飞行器测试后，NASA 决定对猎户座服务舱进行彻底的瘦身，为支持人类生命在最终为期两年的火星之旅中的系统腾出空间。当时重达 49,000 磅的飞行器必须减轻约 3,000 磅。对于 EBAD 来说，这意味着需要更少、更结实的螺栓。过去需要使用六个紧固件来维持几乎整个旅程，而现在只需四个，这样可以节省约 25 磅。“这带来了一些麻烦，”负责设计的 EBAD 工程师 Sean Keon 说。他们重新制作了螺栓，增加了一些周长和约四分之一英寸的长度。这些调整使每个螺栓能够承受超过 100,000 吨的重量，因此猎户座可以放心地减少两个。

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该团队根据精确的规格加工螺栓；如果尺寸偏差超过 1⁄1,000 英寸，它们就不能用。但制造这些巨型紧固件的真正诀窍不在于制造它们。而在于一次又一次的测试。除了振动台，所有部件都要经过模拟任务极端情况的试验。EBAD 将它们冷冻到零下 100 度，然后再加热到 210 度，这确保它们的引信不会在飞行途中在阳光的照射下自燃。为了证明螺栓可以经受住火箭点火的冲击波，它们要承受三次 6,000-G 的钢锤重击。

在整个过程中，工程师们反复检查螺栓。他们重新测量螺栓以确保其形状不会在压力下变形。X 射线可确保所有内部零件都完好无损，并且位置正确，荧光染料可突出显示最小 0.03 英寸长的裂缝。一旦 EBAD 满意，每个制造批次中的大约九个紧固件就会被送到洛克希德和 NASA，它们会对这些零件进行更严格的测试。如果任何硬件的测试不合格或出现裂缝，EBAD 就会将所有硬件全部取出，然后重新开始整个过程​​。

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监控爆炸性太空闪电是否成功的另一种方法是观察它爆炸。爆炸发生得如此之快，以至于观察爆炸声令人非常失望。几乎没有什么可看的。就像魔术一样。但事实并非如此。

真正“看到”爆炸的唯一方法是观看慢动作视频，视频速度仅为人眼自然观看速度的一小部分——至少每秒 100,000 帧。即便如此，仍有许多隐藏信息，包括引发一系列微小爆炸的电荷，这些爆炸最终点燃了压力筒内的有机推进剂。推进剂产生的能量足以驱动两个内部活塞。然后，活塞与活塞以足够的力量相互撞击，导致至关重要的断裂面最终彻底失效。从外面看，螺栓似乎正在自行断裂。

航天器处处都有冗余，包括螺栓内部。有两个压力弹筒，彼此相邻。如果主弹筒不发射，电荷会继续，触发并点燃第二个弹筒。如果两个弹筒同时发射（有时会发生这种情况），外壳仍然可以承受力。

但是，爆炸之后，任务还没有结束。断裂本身可能会造成问题，因为在太空中，碎片是致命的。一颗小小的螺栓碎片以每小时数千英里的速度绕着猎户座飞船飞去，很容易打碎太阳能电池板或刺穿重要的电子设备，从而结束任务。这就是为什么当紧固件嵌在测试传感器之间并最终断裂成两半时，下面会悬挂一个小袋子来收集碎片。洛克希德公司对废物进行分析，以确保没有大到足以造成问题的碎片。他们还检查了慢动作录像带，检查从断裂处和飞船射出的任何东西的速度。

对于最英勇的螺栓来说，确定断裂部件最终会落到哪里尤为重要，这些螺栓将载人舱固定在垃圾桶形的生命支持系统上，直到任务接近尾声。这些硬件的碎片必须留在飞船上，并有助于另一项重要功能。螺栓断裂后，留在舱上的碎片会略微融化，成为隔热罩的一部分，散发出多余的热量，帮助保护宇航员在 4,000 度的高温下返回地球大气层。它们融化时会带走热量——就像炎热天气下放在沥青路面上的冰块一样。

当基恩和一群 EBAD 工程师描述这些最后时刻的挣扎时，我发现他们正盯着我身后的会议室墙壁。靠近天花板的地方藏着一块卷起的投影仪屏幕。试飞是这些螺栓真正证明其勇气的唯一机会，因此当试飞发生时，EBAD 员工会挤在这个房间里观看。目前，NASA 正在为两件大事做准备：今年春天，四分钟的飞行将演练紧急降落；2020 年，探索任务 1 将驾驶一个无人太空舱绕月飞行并返回地球。

他们最后一次挤进这个房间是在 2014 年，当时探索飞行测试 1 号飞船绕地球飞行了两圈，然后坠落。这项未命名的任务是对隔热罩、降落伞、计算机等关键系统的试验，以及 EBAD 最关心的所有这些分离。那天 12 月中旬的下午，团队订了披萨，一直等到深夜，看看他们的螺栓情况如何。他们走来走去，汗流浃背，然后欢呼雀跃，长叹一口气。不过，庆祝活动被第二天早上他们还要继续的工作——测试、改进——冲淡了。“任务还没有结束，”基恩说。

本文最初发表于《大众科学》杂志 2019 年春季交通专题。

更正 10/13/21：该故事的早期版本错误地将英格兰康沃尔郡认定为一座城市。