美国航天史上的“10厘米发射”，系统故障从来都不会有简单原因

看看上面的图片，你看到了什么？

显然，画面左边是一枚火箭，对比周围的工作人员来看，这无疑是一枚真正的火箭，而不是缩小的模型。画面右边是一罐可乐，我们日常生活中随处可见的听装可乐。那么，二者之间有什么联系吗？

答案是：有联系。

1961年11月21日，左边这枚火箭，高25.4米，重30吨，发射升空之后，达到了离地10公分的高度——是的，你没有看错，离地10公分（4英寸），也就是右边这一罐可乐的高度。整枚火箭腾空的高度大概是10公分，这就是航天史上著名的“4英寸发射”。

如果你对“4英寸发射”感兴趣，想知道这是怎么回事，不妨听我从头道来。前面的铺垫会比较长，希望你多准备点耐心。

众所周知，航天的探索离不开二战中的纳粹德国。二战中，纳粹研制成功了两种导弹，给盟国造成了不小的恐慌。

一种代号V-1，它的样子类似飞机，导弹发射之后在700米左右高度飞行，抵达目标上空就俯冲下坠。战后，从V-1导弹发展出今天人们所称的巡航导弹，新闻中常见的“战斧”就是巡航导弹的典型代表。

V-1 导弹发射。来源：网络

除了V-1，纳粹还研制了另一种导弹V-2。与V-1导弹“慢悠悠”飞过去不同，V-2导弹发射之后直飞入天空，达到100千米左右的高度——这叫“主动段”，然后进入“被动段”，按照已经获得的速度和导航的指引，径直“砸”向预定目标。V-2导弹就是今天洲际导弹、卫星、航天飞机等的技术源头。

V-2导弹发射。来源：网络

二战中，美国已经意识到自己在导弹领域远远落后于德国，所以迫切希望从德国获得相关的人才。但是，鉴于美国公众非常厌恶“获得纳粹科学家的帮助”，美国政府获取德国导弹人才的计划只能以“回形针行动”（Project Paperclip）的代号秘密进行。

美国人的运气比较好。1945年5月2日，“德国导弹之父”冯·布劳恩向美军投降，巧合的是，他遇到的正是前来此地区搜罗人才的“回形针行动”的专门团队。在美国拟定的“黑色名单”（美国必须抢到的德国工程师和科学家）上，冯·布劳恩是排名第一的人才，而审讯他的则是日后成为“中国导弹之父”的钱学森。当时，钱学森任美国陆军航空队上校，专门负责深入前线搜索德国导弹人才。

1945年，美军上校钱学森在德国前线。来源：网络

最终，美国从德国搜罗了超过1600名德国科学家、工程师、技术人员，全部带回美国，其中就包括维纳·冯·布劳恩和他的V-2火箭研究团队。在美国，他们的任务是训练军方的、工业界的、科学界的人才，带领他们试射运到美国的V-2导弹，传授导弹和火箭相关的知识，让美国人迅速掌握。冯·布劳恩博士和他的德国团队始终处于被监视的状态，没有监控不得外出，所以冯·布劳恩博士戏称自己是“和平囚徒”（PoPs，Prisoners of Peace）。

刚向美军投降的冯·布劳恩博士，他刚刚经历了一场车祸，手臂还打着石膏。来源：网络

1950年朝鲜战争爆发，冯·布劳恩博士和他的团队转移到了阿拉巴马州的亨茨维尔市。在那里的“红石兵工厂”，冯·布劳恩领导美国的火箭团队研制了“红石”（Redstone）火箭。1956年，“红石”火箭完成了美国第一颗弹道核导弹的试射。1958年，冯·布劳恩博士在“红石”火箭的基础上改进出了“朱庇特-C”（Jupiter-C）火箭，又进一步改进出了“朱诺1”（Juno 1）火箭。1958年1月31日，“朱诺1”火箭将美国第一颗人造卫星“探索者-1”（Explorer 1）送入了太空。

美国第一颗卫星发射成功之后的冯·布劳恩博士。来源：NASA

今天我们看来，研制工作就是这样顺利成章走下来的，其实不是这样。一开始火箭总是爆炸，冯·布劳恩博士的团队花了很多时间，才能做到“发射场比目标靶场更安全”。除此之外，冯·布劳恩博士还要接受“和平囚徒”的待遇。

1954年5月5日，“红石”第三次发射，火箭点火1秒之后就熄火了，导弹砸到发射台上爆炸了。美军少将Holger Tolftoy质问冯·布劳恩是什么原因，博士回答说，目前还不知道，要检查各项数据之后才能回答。Toftoy不依不饶：“维纳，火箭为什么爆炸？” 这下子博士也爆炸了：

火箭爆炸了，就是因为狗娘养的混蛋搞砸了！

“红石”火箭最终成功了，但时间已经是1958年。美国人本可以在1957年8月发射第一颗卫星的，不过艾森豪威尔政府从名声考虑，搭载美国第一颗卫星的应该是美国工程师研制的民用火箭，而不能是源自“回形针计划”抢来的德国工程师制造的军用火箭。

不幸的是，1957年10月4日，苏联发射了第一颗人造地球卫星“伴侣”号。美国人在航天上落后了，当局受到巨大的压力。

1958年7月29日，艾森豪威尔总统签署了《美国公共法案85-568》，成立了NASA（美国航空航天局），要在太空竞赛中取得领先。美国官方也要求冯·布劳恩博士和他的团队加入NASA，让他们的经验服务于航天任务。实际上，冯·布劳恩博士在1954年已经提出过这个想法，但是被拒绝了。

如今大家都知道了，美国的载人航天计划代号“水星”，其实原本拟定的代号是“航天员”（Astronaut），但艾森豪威尔政府总是希望更含蓄一点，以太张扬为理由否决了这个名字，于是项目代号改成了“水星”。

NASA成立之后选定了佛罗里达州的卡纳维拉尔角作为发射基地，在四处抽调人员来到这里，成立各种机构，其中就包括“水星计划指挥中心”（MCC，Mercury Control Center）。

虽然NASA备受关注，但早期的工作环境相当恶劣。按照后来的回忆，那时候卡纳维拉尔角是一片荒地，到处都是低矮的灌木丛，一不留神就会迷路，而且四周不时有鳄鱼出没。虽然搞的是航天，但大家基本都没有专门的公寓，一开始都只能住在汽车旅馆里……

当时各建筑距离主要道路都有一公里远，每天的三餐只能靠一辆皮卡拉着餐车在各建筑之间游动——大家把这种车叫做“蟑螂货车”。每次“蟑螂货车”停下来的时候，就会用大喇叭通知所有人。哪怕你平时工作累了想弄点牛奶喝，也得等一天三次的大喇叭响起才可以。一直要到1968年“阿波罗8号”任务期间，才设立了一个自动售货机。据当时的员工回忆，在这个售货机前永远排着长长的队伍，要等很久才能买上一份三明治。

卡纳维拉尔角，NASA早期建筑。来源：DailyPress

困难还不只这些，NASA在做的是前无古人的事情，没有任何东西可以参照，必然出现各种意想不到的问题。当时困扰大家的问题之一是，如何在航天任务中保持天地联系？解决方案是通过计算，在全球各地设立通讯站，“接力”通讯。

这看起来是个技术问题，其实并不是，后来成为著名飞行总指挥的Gene Kranz就犯过一回大错。尼日利亚的通讯站建完之后，Gene询问当地的情况，在通讯站的工作人员回答“这里简直一团糟，人民很穷困，政府很差劲……”

NASA没有想到的是，尼日利亚官方截获了这条信息，认为这是对尼日利亚的严重侮辱，要求美国政府为此事给个说法，否则就撤除通讯站。结果，美国政府不得不道歉。

传奇飞行总指挥Gene Kranz，是不是帅气十足？

而且，因为美国政府希望在航天竞赛中胜出来证明“自由世界”更优越，所以NASA的活动是高度公开的，这也就意味着很难保密。

20世纪60年代末的一个小故事可以充分说明这点：据肯尼迪航天中心第一位女工程师JoAnn Morgan回忆，有天她和丈夫想放松，于是租了条船去深海钓鱼。忽然，海面出现浮现一艘潜艇。正昏昏欲睡的她吓了一跳，惊慌失措，大喊大叫。她丈夫则很镇静：“亲爱的，这是一艘潜艇，我们来拍几张照片。”只听见潜艇上的人大喊“Nyet! Nyet!（俄语的‘不’）”。JoAnn和丈夫赶紧调转船头离开了。

更可怜的是宇航员。虽然美国选出了“水星七人”，但飞船还在紧张的设计和制造过程中，他们根本没有像样的模拟器可以训练。据Gene Kranz回忆，他们大概只能“对着儒勒·凡尔纳的科幻小说”来想象：模拟器是蒸汽动力的，目视跟踪用的是普通的潜望镜，定位用的是电动地球仪。可以说，一半的设备今天看来异常原始，另一半的设备根本就是头次使用。

总之，NASA的工作就在这样的环境下蹒跚前行，1960年11月21日，Mecury-Restone 1（简称MR-1）要发射了。从代号可以知道，这是用“红石”火箭完成“水星”任务的第一次发射。计划在卡纳维拉尔角的空军基地进行，本次发射是实验性质的，并不搭载宇航员。原计划是11月7日发射，因为飞船的问题，最后时刻发射任务被取消了，延迟到11月21日进行。

发射的日子终于到来了，早上9点，火箭准时点火。从监控上看，火箭底部按计划冒了烟，箭身晃了晃，然后就没声音了，原来发动机熄火了——事后调查发现，火箭升空10公分之后，又“坐”回了发射台，矗立原地。霎时间指挥中心警报声大作，但火箭没有爆炸，只是静静立在那里。

大家正纳闷，转瞬之间发射台上又有了动静，“轰”的一声，火箭顶部冒出浓烟，原来是顶端的逃逸火箭发射出去了。按之前的设计，如果在发射阶段出现险情，火箭顶端还有一枚逃逸火箭，它负责把飞船“拉”出去，然后飞船会通过降落伞降落。

“阿波罗”飞船和“土星-5”火箭的示意图。最前端的是逃逸火箭，提供发射阶段的安全保障。

逃逸火箭此时点火已经是意外，但更诡异的是，飞船并没有跟随逃逸火箭飞出去，仍然留在MR-1上。但已经有铝箔条在满天飘散，按原计划，飞船正常降落时会抛出铝箔条，增强无线电反射，方便雷达追踪。逃逸火箭升高到了1200米的高度，然后坠落在距离发射台400米左右的地方。但诡异的事情还没有完，在逃逸火箭点火之后3秒，飞船打开了主降落伞，竖起了无线电天线。就在大家目瞪口呆的时候，飞船的备降落伞也打开了……

想象一下那画面：真正发射出去的只有尖顶那枚小小的逃逸火箭，MR-1火箭升空了10公分然后“坐落”下来，没有倾倒，头部飘着两朵降落伞，尖顶已经不见。飞船没有升空，却已经完成了正常降落的程序（飞船与火箭的分离是发射阶段的步骤，与降落无关）。同时火箭的自毁装置已经启动，却没有按预定程序自毁。更重要的是，现在发射塔与火箭连接的所有脐带都已经脱开，地面已经失去了控制能力。

MR-1发射视频。来源：CharlieDeanArchives

这时候该怎么办？

指挥中心乱成一团，所有人都在喊叫。火箭推进部分由冯·布劳恩团队的德国工程师负责，他们谁也没见过这种情况，情急之下这些人连番地说起了德语。总指挥Chris Kraft一再打电话询问情况，德国工程师根本无心顾及。不得已，暴怒的Kraft冲到一名德国工程师面前，揪起他的衣领：

混蛋，快回答我的问题！在指挥中心，所有人都必须听我指挥！

NASA第一任飞行总指挥，同时也是指挥中心的概念提出者和设计师，Christopher Kraft。

但是大家能做的太有限了，他们手里只有一本薄薄的，汽车说明书那样的操作手册。技术数据是新收集的，指挥中心是新成立的，通讯网络是新建好的，发射程序是新制定的，所有职位都是新设置的…… 一句话，这是前无古人的工程，即便集中了最优秀的人才，大家仍然无可参照。

无奈归无奈，问题还是得解决。

现场提出的第一个建议是，派人去把发射台和火箭之间的脐带重新连上。但是火箭已经加注了燃料，堪比一个大炸弹，谁都不敢冒生命危险去干这个，也不敢让其他人去这么干，所以被否决了。

第二个建议是派人开长臂挖掘机，去把降落伞绳割断，这样至少避免了大风吹来降落伞把飞船“拽”走的风险，但这同样有人身危险，所以也被否决了。

这时候又有人提出了第三个建议：找支步枪朝燃料罐开枪，打一个洞，让燃料泄漏，这样就消除了爆炸的风险。听到这个建议，Kraft咆哮了：

蠢货，不是这样*！你们是第一天来这里的菜鸟吗？

好在不久又有人提出了建议：按照天气预报，当天不会有大风，所以不必担心降落伞会把飞船拽走。火箭上的电池容量有限，如果大家耐心等待一天，电池的电力就会耗尽。电力耗尽之后，燃料罐的阀门就会打开进行泄压，那么燃料会自动释放。如果电池耗尽，燃料泄完，再接近火箭就没有危险了。

这个方案终于让Kraft点头了，他大声告诉所有人：

请记住，这就是飞行指挥的第一原则：如果你不清楚要做什么，那就什么也不要做（If you do not know what to do, don't do anything）。

“静静等待24小时”的建议被采纳了，大家提心吊胆等待了24小时之后，电力果然耗尽，燃料罐果然泄压。确认没有危险之后，NASA的工作人员登上火箭，现场处理，大家终于可以放心了。

但是事情还没完，发射失败当然是系统故障，但为什么意外的事情接二连三发生？NASA的工作人员顶着巨大的压力仔细调查，终于搞清楚了“4英寸发射”的来龙去脉。

首先，火箭为什么意外熄火？

查出来这是发射时两根电缆的断开顺序错乱导致。在火箭尾部有一根信号电缆和一根动力电缆，按计划，信号电缆应该先断开，动力电缆然后断开。不幸的是，本次发射使用的信号电缆是之前导弹发射所用的，所以反而更长。

之前已经有人想到了这一点，所以把电缆夹住了一段，希望能够解决问题。然而火箭发射时夹子并没有起到作用，反而是动力电缆先断开，过了29毫秒，信号电缆才断开。火箭发动机当即停车。

其次，飞船为什么没有分离？而逃逸火箭发射出去了？

按照正常流程，火箭发动机熄火之后，飞船会收到“正常断开”的信号，这时候已经用不上逃逸火箭了，所以逃逸火箭点火与飞船分离。在本次发射中，逃逸火箭正常点火分离的原因就在这里。

但飞船并没有和火箭分离，因为飞船与火箭分离的判断标准是“飞船的重力加速度为0”。如果一切正常，飞船应当在火箭失去动力时分离，此时已经进入高空，重力加速度接近于0。如果飞船一直停留在地面，重力加速度永远是1，当然不会与火箭分离。

还有，降落伞为什么在原地打开？

按原有设计，降落伞的打开是由气压决定的，如果逃逸火箭已经发射出去，飞船会时刻检查气压，如果当前高度低于海拔3000米则打开降落伞。

既然火箭一直留在地表，逃逸火箭弹射之后飞船当然要打开降落伞，抛出铝箔条了。而主降落伞打开之后，传感器并没有感受到拉力，所以认为主降落伞打开不成功，于是打开备降落伞。

最后，为什么系统没有进行自毁？

因为当时飞控系统工作在开环模式，所谓开环模式，就是不会根据反馈进行调整的控制模式（没有“防夹手”功能的车窗升降就是这样）。所以尽管收到了发动机停车的信号，飞控系统也“一意孤行”不启动自毁。不过系统确实报告当时符合自毁条件，在这一点上，系统确实是正常运作了。

了解了所有这些情况，NASA做了众多针对性的改进。比如专门设置了一条30公分长的控制电缆，确保点火之后其它所有控制电缆的信号都已经正常传输，这条电缆才会断开；又比如用程序保证在火箭点火129.5秒（预计熄火时间之后10秒）之后，火箭才能向飞船发送“正常断开”的信号……

至于本次发射遗留的火箭和飞船，因为本次发射中飞船没有损坏，所以它被直接用于改进的MR-1A发射任务并取得成功。而那枚倒霉的火箭则被送马歇尔太空飞行中心备用，但一直也没有派上用场，如今作为展品展出。

2004年9月7日的飓风过后，展出“红石”火箭成了这样，顶部的逃逸塔真的“逃逸”了。来源：NASA

至于Kraft给飞行指挥中心确定的第一原则，它一直留传下来，并被一代代人遵守。我在《》里提到过，NASA是如何遵循这条原则的。——在“阿波罗12号”升空遭雷击的事故中，宇航员本来可以启动逃生程序的，但关键时刻他们想到了这条原则，所以什么也没有做，最终在指挥中心的Aaron给出了明确的指令，登月行动得以顺利进行。

对今天的IT人来说，差不多60年前的“4英寸发射”的故事不仅仅是一段趣事，也能收获不少启发。

首先，关于事业和拼搏。

传统上不少人总认为，美国佬就是好逸恶劳，与艰苦奋斗是绝缘的。但是阅读当时的回忆录，看看NASA成立早期卡纳维拉尔角的情况，用“艰苦奋斗”来描述也不为过。我的观点是，美国人更重视个人兴趣和职业道德，所以即便物质条件没有那么丰厚，也有持续的动力。同时不可忽略的是冷战的大背景，无论美苏，普通人都有强烈的使命感。许多NASA员工回忆，支撑当时拼命工作的一个信念就是：我们一定不能输给苏联，一定要证明我们的社会制度更优越。

而且，美国人似乎更在意科学的方法论，懂得依靠科学技术来解决问题。

如果你留意就会发现，从一开始，美国的“水星”飞船的返回舱就是钝头形的，而苏联的“东方”飞船的返回舱是球形的，这是为什么呢？返回舱要做成什么形状，很大程度上是考虑再入大气层的影响。NASA早就建造了超音速风洞，通过实验发现钝头形状在进入大气层时稳定性最好。而苏联没有这个条件，所以他们另辟蹊径，把飞船做成球形——这样无论怎么滚转都没有大问题，只是苦了飞行员。

左：“水星”飞船。右上：“水星”的风洞试验。右下：“东方”飞船。来源：Wikipedia

实际上这一点有许多例证支撑。罗尔斯·罗伊斯（简称“罗·罗”）是英国主要的航空发动机公司，其著名设计师Stanley Hooker在回忆录中提到过一件趣事：二战期间，英国战斗机的主力发动机是“梅林”（Merlin），但英国工厂的产量跟不上需求。于是英国人向福特汽车公司英国工厂求援，并提供全套图纸，福特的工程师们看过设计图之后说生产不了，因为“图纸的精度低、公差大，零件无法替换，生产效率上不来”。福特花了一年左右的时间改造整套设计，最终像“竹筒倒豆子”一样生产了大量的“梅林”发动机，有力支援了盟军空军的战斗。

其次，在遇到突发情况时怎么办。

在MR-1发射失败的紧要关头，大家七嘴八舌给了很多的建议，今天来看有一些当然不靠谱。但是在当时，必须有人一锤定音，给出最终决策，并对此负责。我经历过不少堪称重大的IT故障，其中也有不少混乱的场合。想来想去，缺乏一锤定音的“总指挥”是个重要的原因。

虽然没有清楚记录到底是谁提出“静待24小时”的，但这个建议确实体现了很高的技术素养。有天气预报作为现实证据而不是单纯依靠空想，有完整的逻辑链条而不只停留在简单的一两个环节，而且能在那样紧急的情况下提出，没有训练有素而冷静的头脑，是绝对做不到的。

再次，故障调查的时候，能不能把每个环节都搞清楚。

我参与过不少次故障调查，虽然故障的现象是接二连三的一长串，但故障调查往往是令人难堪的过程，所以大家都想早点得到一个“过得去”的简单结论，同时撇清自己的责任：起码我这里是没有问题的。

在MR-1的调查中我们看到，根本原因是两条电缆的断开顺序出错了，但是NASA并没有止步于此，而是把整个发射过程的来龙去脉都摸清楚了——当然这确实很难，NASA关于几次重大灾难的调查，也被总统调查委员会认为是“缺乏诚意，不够坦诚”。

我们还应当注意到，发动机停车之后的种种异常，都可以找出“我没错”的理由，但是这些“我没错”只是满足于“按道理”的所谓“正常”情况，如果从更整体的视角来看，这些“我没错”在当时都造成了难以理解的情况，增加了风险，也增加了大家的紧张，而且负责人在当时也说不出个所以然。

IT系统中也经常出现类似的情况，一个小小的异常引发链式反应，造成诸多问题，事后调查时又互相扯皮，大家都认为自己是“正确的”。在我看来，很多时候原因就在于各环节、模块在设计时偷懒“想当然”，没有考虑异常情况，也没有从更高层面进行全局思考——当然，这很难。

作为对比，1960年10月24日，苏联发生了与“4英寸发射”类似的航天事故，结局要惨痛许多。当时苏联要第三次发射火星探测器，前两次都失败了，如果此次再失败，就必须再等两年才会出现行星连线的机会。火箭已经加注了燃料，但仍然出现了一些问题，为了不错过发射时机，也为了向十月革命纪念日献礼，苏联战略火箭军总司令聂杰林（Mitrofan Nedelin）元帅坚持要求在发射台上对火箭进行全面检查，他本人亲临现场督战。

科研人员暂停了发射任务，在发射台上忙碌。没有想到的是第二级火箭有自己独立的时钟，它按原计划点火了，结果引发整枚火箭爆炸，包括聂杰林元帅在内的在场人员全部遇难。这就是航天史上著名的“聂杰林大劫难（Nedelin Catastrophe）”。

我总觉得，IT和航天其实有很多共通之处。大家常说，IT之所以有这么多问题，因为行业太年轻，没有多少经验可以借鉴。既然如此，为什么不多从其它行业借鉴点经验呢？

巧合的是，就在几个月前（2018年10月11日），俄罗斯发射“联盟”飞船运送两名宇航员前往国际空间站。然而就在发射之后119秒的一二级火箭分离时，意外发生了。虽然目前尚不清楚原因，但现场视频可以看到大量烟雾和碎片。所幸这时逃逸机制顺利启动，在50公里的高度，逃逸火箭带领飞船脱离。最终，飞船降落在哈萨克斯坦，两名宇航员安然无恙。