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人类登月50周年|新颖奇妙的载人登月方案和工具

文章出处:深圳市雅创电子有限公司 人气:-发表时间:2019-07-18 09:46:00

 2019年7月20日是人类首次登月50周年纪念日,整个“阿波罗”载人登月工程历时约11年,到1972年12月第6次登月成功结束,耗资255亿美元(约为现在的2000亿美元)。在工程高峰时期,参加工程的有2万家企业、200多所大学和80多个科研机构,总人数约40万。该工程严格而科学地管理了几十万人奋斗了8~11年,完成了载人登月工程,集中体现了现代科技的水平,推动了航天技术的迅速发展。

  奇妙的登月方案

  月球轨道对接法就是将1艘载有3名航天员的飞船发射到月球轨道上。然后2名航天员乘登月舱在月面上降落,进行月面探险。另1名航天员仍留在指令舱-服务舱组合体中绕月球轨道飞行,并进行科学实验。返回时,在月面上的2名航天员启动登月舱的上升级发动机飞上月球轨道与指令舱-服务舱组合体交会对接。2名航天员进入指令舱后,抛弃登月舱的上升级,脱离月球轨道返回地球。在再入大气层前,抛弃服务舱,仅指令舱在太平洋上溅落。这种方法的好处是只需在月面上降落小型登月舱,但在轨对接的成功与否直接决定了航天员的生命安全。

  科学家早期曾考虑过把整个飞船直接送入月球表面,认为比较简单和安全,但这种方法对运载火箭的要求太高,而且大型飞船在月面上着陆有可能陷入尘土中,所以没有采用这一方案。

  美国著名科学家冯·布劳恩及马歇尔航天中心则偏爱另外一种方法——地球轨道对接法,即先发射几枚“土星”火箭,把大型飞船的几个部分分别送入地球轨道,然后对接起来;对接后的飞船利用自身的发动机加速朝月球飞去;当靠近月球后飞船掉转方向,启动发动机减速,最后在月面上着陆;当工作完毕后,抛掉这一级发动机,载人飞船部分利用上升发动机离开月球返回地球。他们认为这种方法有两大优点:一是不需要研制名叫新星号的超大型运载火箭;二是在地球轨道上对接比较安全,万一对接失败,载人飞船亦可以安全返回地面。地球轨道对接法的优点是无需研制超大型运载火箭,也比月球轨道对接法安全,但它也存在大型飞船在月面着陆的困难,因此,也没被采纳。

  经过众多科学家对上述3种呼声很高的方案进行反复比较、分析,最终的结论是:月球轨道对接法可在1967年10月实现,成本约77亿美元;地球轨道对接法可在1968年7月完成,成本约92亿美元;直接登月法所需资金需要106亿美元,且在1968年10月以前难以实现。所以,事先不被看好的月球轨道对接法最终被认定是载人登月的最佳途径。

“阿波罗”飞船指令舱-服务舱组合体上的发动机工作,使飞船脱离月球轨道,开始返回地球“阿波罗”飞船指令舱-服务舱组合体上的发动机工作,使飞船脱离月球轨道,开始返回地球

  月球轨道对接好

  采用月球轨道对接方案,在技术、时间和资金方面的优点大致如下:一是只用一个较小的登月舱就能登月,从而可避免整个飞船降落月面的困难。登月舱质量约14.7吨,月面可以经受得住,而且对于飞船减速也极为有利。二是登月舱只需携带小型发动机,所以可以减少燃料携带量。这对于离开月面也有利,而且整个飞船的质量能大大减轻,从70多吨减至约50吨,使土星5号火箭可以胜任。三是在返回时,由于登月舱可以抛掉,又可进一步减小返回舱的质量,因此能简化服务舱的设计。另外,只有指令舱再入回收,所以体积小,这对于回收也有利;四是经济性较好,这一点胜于直接登月法和地球轨道对接法。

月面工作结束后航天员返回登月舱,进入上升级,上升级从登月舱上起飞,离开月球表面上升月面工作结束后航天员返回登月舱,进入上升级,上升级从登月舱上起飞,离开月球表面上升

  最终的预算估计:月球轨道对接方案几乎比地球轨道对接登月的92亿美元低了15亿美元,比直接登月方案的106亿美元低了近30亿美元。这又为月球轨道对接方案提供了更有利的证据。

  NASA于1962年7月11日举行了记者招待会,将登月方案的最后决策公诸于世。在这次招待会上,向外界通报了最终批准的月球轨道对接登月方案。

  土星5号是基础

  冷战时期,美苏在载人登月领域开展了激烈的竞争,特别是在重型运载火箭研制方面的竞争达到了白热化,因为发射载人飞船必须使用近地轨道运载能力达100吨以上的重型运载火箭。最终美国成功研制和发射了土星5号重型运载火箭,实现载人登月,而苏联由于N1重型运载火箭4次发射失败,未能载人登月。

  土星5号是一种三级液体火箭。它全长110.64米,最大直径10.06米,起飞质量2945.95吨,起飞推力34029千牛顿,近地轨道运载能力127吨,地月转移轨道运载能力约50吨。其第一级火箭采用液氧/煤油作推进剂,装5台F-1液体火箭发动机,即中间装1台,四周装4台,总推力34029千牛顿;第二级采用液氧/液氢作推进剂,装5台J-2氢-氧液体火箭发动机,中间1台,四周4台,总推力5148千牛顿;第3级也采用液氧/液氢作推进剂,装1台J-2发动机,推力为902千牛顿。

土星5号重型火箭发射土星5号重型火箭发射

  1972年12月7日,土星5号发射了最后一艘“阿波罗”——阿波罗17号载人登月飞船后,该重型火箭又于1973年5月14日把美国第1个空间站“天空实验室”送入轨道。此后,这一“巨无霸”因无用武之地而退役了。

  第一种登月飞船

  在登月方案确定后,研制新型载人飞船就成为登月工程的“重头戏”了。“阿波罗”是人类发射的第一种、也是目前唯一的一种登月式飞船,构思十分巧妙。其技术对现如今将要进行的月球基地建设和载人火星探测也具有重要的参考价值。

  “阿波罗”总高29米,质量约50吨,由指令舱、服务舱和登月舱3部分组成,发射上升段时还有救生塔。其中类似卫星式飞船返回舱的指令舱是航天员生活和工作的地方,也是全飞船的控制中心;相当于卫星式飞船推进舱的服务舱装有主发动机、姿控和电气系统;特设的登月舱由下降级和上升级组成,用于降落到月球表面和离开月面。

“阿波罗”载人登月飞船剖视图“阿波罗”载人登月飞船剖视图

  指令舱为圆锥形,高3.5米,底部直径3.9米,质量约6吨,舱内充以34.3千帕的纯氧,温度保持在21~24°C。它又细分为前舱、航天员舱和后舱。前舱放置着陆部件、回收设备和姿态控制发动机等;航天员舱为密封舱,存有供航天员生活14天的必需品和救生设备;后舱装有10台姿态控制发动机、各种仪器和贮箱,还有姿态控制、制导导航及船载计算机和无线电分系统等。指令舱的中央并排放着指令长、驾驶员和飞行工程师等3名航天员的座椅。飞船发射和返回地面时,3名航天员躺在椅子上,其余时间航天员可离座活动。

  服务舱是一个高6.4米、直径4米的圆柱体,质量约25吨,里面装有变轨推进剂和主发动机、3副氢氧燃料电池等,其中变轨主发动机推力达95.6千牛顿,能把飞船从月球轨道送回地面。服务舱的前端与指令舱对接,后端有推进系统主发动机喷管。该舱又分6个隔舱,分别容纳主发动机、姿态控制系统等,其中姿态控制系统由16台小火箭发动机组成。它们还用于飞船与第3级火箭分离、登月舱与指令舱对接和指令舱与服务舱分离等。

  登月舱质量为14.7吨,直径4.3米,高约7米,由下降级和上升级组成。下降级由下降发动机、4条着陆腿和4个仪器舱组成,用于从月球轨道降落到月面,能把2名航天员送到月球上。上升级为登月舱主体,由航天员座舱、返回发动机、推进剂贮箱、仪器舱和控制系统组成,在登月过程中,2名航天员在这里生活和工作,完成任务后航天员乘上升级返回环月轨道与指令舱会合。

月面上的登月舱和月球车,航天员在月球车后面工作月面上的登月舱和月球车,航天员在月球车后面工作

  “阿波罗”飞船沿用了美国水星号飞船的发射救生系统,目的是在运载火箭第2级工作前20秒内,如果发生紧急事故,该系统可将指令舱弹出并安全回收。

  飞船研制出来后,相继进行过6次无人亚轨道和环地轨道飞行、1次环地飞行、3次载人环月飞行,最后才正式进行了登月飞行。

  能载人的月球车

  1971年7月-1972年12月,美国先后发射了阿波罗15号、16号和17号载人登月飞船,它们各自装有一辆折叠式载人月球车,并且基本相同,均可在月面低重力、真空环境中行驶,从而扩大了航天员的舱外活动范围。

  每辆“阿波罗”月球车质量约210千克,长3米,轴距2.3米,高1.1米,有4个轮子(每个轮子各由一台发动机驱动,靠蓄电池提供动力,轮胎在-100°C低温下仍可保持弹性),电源采用银锌氢氧化钾一次性电池,行驶速度为10~12千米/小时,能携带约490千克的有效载荷。车上装有2个并排的可折叠座位,每个座位有可调节的踏板和安全带。车前端桅杆上装有大型网状碟型天线。航天员通过位于两个座位之间的T形手动控制器来控制漫游车。手柄前部有一个控制与显示模块,显示当前的速度、方向、电源和温度情况。其最高时速可达16千米,航天员坐在里面驾驶着它在月球表面巡游,以车代步,爬越障碍,翻越沟壑,对山脉、峡谷和火山口进行了考察,并把激动人心的彩色图像传回地面。

 月球车的轮胎上有一层金属丝网,以利于在月球低引力和浮土表面行驶,月球车后面盛放采样工具 月球车的轮胎上有一层金属丝网,以利于在月球低引力和浮土表面行驶,月球车后面盛放采样工具

  整个“阿波罗”工程就是靠上述这些利器实现了人类登月的梦想。

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