2019年7月20日是人类首次登月50周年。整个阿波罗载人登月工程历时约11年,第六次登月于1972年12月成功完成,耗资255亿美元。项目高峰期企业2万家,高校200多所,科研机构80多个,总数约40万。该项目严格、科学地管理了数十万人8~11年,完成了载人登月工程,体现了现代科技水平,促进了航天技术的快速发展。
美妙的登月计划
月球轨道对接法是将一艘搭载三名宇航员的宇宙飞船送入月球轨道。然后两名宇航员乘坐登月舱登上月球表面探索月球表面。另一名宇航员留在指挥舱-服务舱组合中绕月飞行并进行科学实验。返航时,月球表面的两名宇航员启动登月舱上部升级发动机,飞往月球轨道与指挥舱-服务舱组合交会对接。两名宇航员进入指挥舱后,放弃登月舱升级,离开月球轨道返回地球。在重返大气层之前,服务舱被废弃,只有指挥舱溅落在太平洋。这种方法的优点是只需要在月球表面着陆一个小型登月舱,但在轨对接的成功与否直接决定了宇航员的生命安全。
科学家们在早期曾考虑过将整个航天器直接发射到月球表面,并认为这既简单又安全。但是这种方法对运载火箭的要求太高,大型航天器在登月时可能会落灰,所以没有采用这种方案。
美国著名科学家沃纳·冯·布劳恩和马歇尔航天中心更倾向于另一种方法——地球轨道对接法,即先发射几枚“土星”火箭,将大型航天器的几个部件送入地球轨道,然后对接;对接后,飞船用自己的发动机加速飞向月球;临近月球时,飞船调转方向,启动发动机减速,最后降落在月球上;工作完成后,这个阶段的发动机将被扔掉,载人飞船将使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:第一,不需要开发一种叫做Nova的超大型运载火箭;第二,在地球轨道停靠更安全。如果对接失败,载人飞船可以安全返回地面。地球轨道对接法的优点是不需要研制超大型运载火箭,比月球轨道对接法更安全。但是它也有大型飞船在月球表面着陆的困难,所以没有被采用。
经过众多科学家高声反复对比分析上述三种方案,最终结论是:月球轨道对接法可以在1967年10月实现,费用约77亿美元;地球轨道对接法可于1968年7月完成,费用约92亿美元;直接登月法需要106亿美元,1968年10月之前很难实现。因此,事先不被看好的月球轨道对接法,最终被公认为载人登月的最佳方式。
阿波罗飞船指挥舱-服务舱组合上的发动机工作,使飞船脱离月球轨道,开始返回地球月球轨道对接月球轨道对接方案在技术、时间和资金上的优势是:一是只有很小的登月舱才能在月球上着陆,避免了整个航天器在月球表面着陆的困难。登月舱质量14.7吨左右,可以承受月面,也极其有利于飞船减速。第二,登月舱只需要搭载一台小型发动机,这样可以降低载油能力。离开月球表面也是有利的,整个飞船的质量可以大大降低,从70多吨降到50吨左右,使土星5号火箭胜任。第三,返回时,由于登月舱可以扔掉,返回舱的质量可以进一步降低,因此可以简化服务舱的设计。另外,只有命令模块再回收,所以体积小,也有利于回收;第四,经济性更好,优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
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。最终预算估计,月球轨道对接方案比地球轨道对接和登月的92亿美元低近15亿美元,比直接登月的106亿美元低近30亿美元。这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日召开新闻发布会,公开了登月计划的最终决定。在这次招待会上,我们向外界通报了最终批准的月球轨道对接计划。
土星5号是基础
冷战时期,美国和苏联在载人登月领域展开了激烈的竞争,特别是在重型运载火箭的研制方面,因为发射载人飞船必须使用近地轨道运载能力100吨以上的重型运载火箭。最终,美国成功研制发射了土星5号重型运载火箭载人登月,而苏联由于四次发射N1重型运载火箭失败,载人登月失败。
土星5号是三级液体火箭。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,低地球轨道运载能力127吨,地月转移轨道运载能力约50吨。第一级火箭采用液氧/煤油作为推进剂,配备5台F-1液体火箭发动机,即中间1台,周围4台,总推力34,029 kN第二级采用液氧/液氢作为推进剂,配有5台J-2氢氧液体火箭发动机,中间1台,周围4台,总推力5148 kN第三级还采用液氧/液氢作为推进剂,配有推力902 kN的J-2发动机。
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。1972年12月7日,土星5号发射了最后一艘阿波罗17号载人飞船到月球,然后在1973年5月14日,重型火箭把美国的第一个空间站“田空实验室”送入轨道。从此这个“巨无霸”就因为没用而退役了。
第一种登月飞船
登月计划确定后,研制新型载人飞船成为登月工程的“亮点”。“阿波罗”号是人类发射的第一艘也是唯一一艘登月飞船,其构思十分巧妙。其技术对月球基地建设和载人火星探测也有重要参考价值。
阿波罗号总高29米,质量约50吨,由指挥舱、服务舱和登月舱三部分组成。下水上升段还有救生塔。类似卫星飞船返回舱的指挥舱是宇航员生活和工作的地方,也是整个飞船的控制中心;服务舱相当于卫星航天器推进舱,装有主机、姿态控制和电气系统;专用登月舱由下降段和上升段组成,用于在月球表面着陆和离开。
“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。指挥舱呈圆锥形,高3.5米,底径3.9米,质量约6吨。舱内充有34.3 kPa的纯氧,温度保持在21 ~ 24°c,分为前舱、航天员舱和后舱。着陆部件、回收设备和姿态控制发动机置于前舱;宇航员舱是一个密封舱,里面有生活必需品和救生设备,供宇航员生活14天;后舱配有10台姿态控制发动机、各种仪表和坦克,以及姿态控制、制导和导航、机载计算机和无线电子系统等。在指挥舱的中央,有三个宇航员的座位,包括指挥官、飞行员和飞行工程师。飞船发射返回地面时,三名宇航员躺在椅子上,其余时间宇航员可以离开座位。
服务舱是一个高6.4米、直径4米的圆柱体,质量约25吨。它包含轨道推进剂、主机和三个氢氧燃料电池,其中主机推力达到95.6 kN,可以将飞船从月球轨道送回地面。服务舱前端与指挥舱对接,后端设有推进系统主机喷口。座舱分为六个舱室,其中包含主机和姿态控制系统,其中姿态控制系统由16个小型火箭发动机组成。它们还用于将航天器与三级火箭分离,将登月舱与指挥舱对接,并将指挥舱与服务舱分离。
登月舱质量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、四个着陆腿和四个仪器舱组成,用于从月球轨道降落到月球表面,可送两名宇航员登月。升级为登月舱主体,由宇航员座舱、返回舱、推进剂舱、仪器舱和控制系统组成。登月期间,两名宇航员在这里生活和工作,完成任务后,宇航员乘坐升级后的轨道返回月球与指挥舱会合。
月面上的登月舱和月球车,航天员在月球车后面工作
“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。“阿波罗”号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二阶段运行前20秒内,弹射出指挥舱,并在紧急情况下安全回收。
航天器研制完成后,先后进行了6次无人亚轨道和环地飞行、1次环地飞行和3次载人登月飞行,最终正式进行了登月飞行。
能载人的月球车
1971年7月至1972年12月,美国先后向月球发射了阿波罗15号、阿波罗16号和阿波罗17号载人飞船。他们每个人都装备了折叠式载人月球车,基本相同,可以在月球表面低重力和真空的环境下行驶,扩大了宇航员的舱外活动范围。
每辆阿波罗月球车质量约210公斤,长度3米,轴距2.3米,高度1.1米,四个轮子。电源采用银-锌-氢氧化钾一次性电池,行驶速度10-12 km/h,可承载约490 kg有效载荷。这辆车配有两个并排的可折叠座椅,每个座椅都有可调踏板和安全带。汽车前部的桅杆上装有一个大型网状碟形天线。宇航员通过位于两个座位之间的T形手动控制器控制漫游者。手柄前端有一个控制和显示模块,用于显示当前的速度、方向、电源和温度。它的最高时速可达16公里。宇航员坐在里面,在月球表面驾驶它,乘车行走,爬过障碍物和峡谷,检查山脉、峡谷和陨石坑,并将令人兴奋的彩色图像发回地面。
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
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。整个阿波罗计划通过这些锋利的工具实现了人类登月的梦想。
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