阿波罗号登月前最初有几种登月方案?

阿波罗号登月前最初有几种登月方案?

阿波罗登月计划回顾 阿波罗计划设想之初,NASA 的技术人员曾认为登月的途径无外乎两种:直接登月法和地球轨道对接法. 第一种方法用火箭直接将飞船送到月球上.在登陆月球时火箭翻转,使其发动机对着月球表面,然后,发动机按 照和发射相反的程序令下降停止.离开月球时,再由同一枚火箭把航天员带回地球.这种方法需要研制推力 5 450 000 千克的新星级运载火箭,而且使大型火 箭实现垂直着陆在技术上也面临很多问题. 第二种方法是发射几枚土星火箭,把大型飞船的几个部分分别发射到地球轨道上,然后对接起来.对接后,飞船 利用自身的发动机加速向月球飞去.当靠近月球时,飞船调转方向,启动发动机减速,最后在月面上着陆.当工作完 毕后,抛掉这一发动机,载人飞船部分利用上升发动机离开月球返回地球.虽然这种方法所需的火箭只有新型火箭的 一半大小,但当时对于轨道会合,如何在轨道中组装零部件还不是完全清楚. 后来兰利实验室的霍伯特提出了一条全然不同的月球轨道会合方案.此方案需要发射一个主飞船和一个较小的运 输舱,在地球轨道对接后,进入月球轨道.然后,运输舱下降到月球上,完成任务后,再返回月球轨道,与主飞船对 接,返回地球.在整个过程中,尽量丢弃用过的设备,这样就大大的减少了飞行所需的能量,但需要考虑月球轨道对 接的安全性.现在看来这个方案应该是最好的,但在当时该方案在提出之初并没有引起重视.经过霍伯特等人的不断 游说,以及认识的深入,NASA 才慢慢的开始注意该方案.1961 年底 NASA 决定发展土星 5 号运载火箭,以及双子星计 划的开展,更为该计划的通过提供了有利的条件.NASA 的技术人员对这三种方案经过了长时间的研究,分析和论证, 最终于 1962 年 6 月 22 日确定了载人登月的方案为月球轨道对接法.据保守的估计,这一方案使阿波罗的登月着陆至 少提前了两年. 阿波罗登月方案对比 方案技术难度预算(美元)研制时间 直接登月法大推力火箭 106 亿 1968 年以前难以实现 地球轨道对接法地球轨道会合对接 92 亿 1968 年中可实现 月球轨道对接法月球轨道会合对接 77 亿 1967 年底可实现 登月计划确定后,NASA 开始设计飞往月球的飞船和运载火箭.按照月球轨道会合方案的要求,每次飞行需三名航 天员和两艘太空船.航天员乘坐阿波罗号飞船系统的指令-服务舱控制系统前往月球并返回,登月的任务由第二艘飞船 ——登月舱完成,它从地球前往月球的过程中,采用机械方法与阿波罗号对接起来,到月球轨道后把两名航天员送到 月球表面并带他们返回. 指令-服务舱(Command-Service Module,CSM)由两个附着在一起的不同部分指令舱和服务舱组成.从地球到月球 并返回的旅程中三名航天员都并排坐在圆锥形的指令舱中,虽然指令舱的空间比双子星和水星号提供的空间要大,但 对三个人来说还是显得有些狭小. 指令舱的下面是一个圆柱形的服务舱,它为航天员提供电,氧气和其它的生保功能,以及发动机所需的推进剂. 服务舱中有一台主发动机,可以多次快速的启动和关闭,用于飞船的机动飞行,如轨道修正,进入月球轨道及返回月 球的推进.为了进行飞船的姿态调节和保持,交会和停泊,在服务舱的四周有 16 个小发动机,这些小发动机在 1 秒钟 内最快可以点火 40 次.整个登月飞行结束时,指令舱脱离服务舱,装有热屏蔽层的底座对着地球,进入大气层,打开 减速伞,在海洋中完成溅落着陆. 登月舱(Lunar Module,LM)不像我们通常看到的飞行器具有流线型的外形,而是棱形,这是由于太空以及月球的 大气阻力非常小,舱体的形状几乎不影响飞船的飞行.登月舱由上升段和下降段两级组成,4 根可收缩的悬臂式登月支 柱支撑整个登月舱,飞行期间这 4 根支柱都收起来.登月时,两名航天员站在登月舱上升段内,通过窗口观察外面的 情况,操纵飞船在月球上着陆.为了安全着陆,下降段的发动机可令飞船减速,4 根支柱起到着落垫的作用,使登月舱 平稳的站立在月球表面.登月任务完成后,上升段内的发动机启动,将上升段送回月球轨道与指令-服务舱会合,而下 降段则留在月球上. 航天员站着登月 登月舱最初的设计中,在每个航天员的座椅前方安排了两个窗口.较大的一个窗口与航天员的眼睛齐平.因航天 员都是坐着的,窗口距航天员的眼睛距离为 60 厘米,较小的一个窗口靠近航天员的膝盖.两名航天员的 4 个窗口总面 积达到 11 平方米.这样的设计很不合理.首先,由于窗口面积过大,暴露的阳光过多,而缩小面积又会影响航天员的 视野;其次,由于窗口距航天员的眼睛较远,视野有限,给月球着陆过程中航天员对着陆地点的观察造成了极大的困 难.此外,窗口过大,重量也大,侵占了其它设备的重量.因此,最终的设计是让航天员站着,眼睛靠近窗口向外观 察,这样既扩大的视野,又使窗口大大减小. 火箭专家冯布劳恩领导的马歇尔航天中心设计了把阿波罗飞船系统送入太空的运载火箭——土星 5 号.组装完 毕的土星 5 号火箭,高 111 米,总共有三级,装满推进剂和阿波罗的重量超过 2 913 423 千克,其中推进剂的重量就 占了 90%以上.土星 5 号火箭的箭体结构采用一种超薄的,但极为坚固的铝合金.这种合金令火星 5 号任何部位的外壳 厚度都不超过 0.64 厘米,极大的减轻了箭体的重量. 1 阿波罗计划的登月过程由于涉及到不同星体间轨道的转移,所以它的过程比一般地球轨道的飞行都要复杂.土星 5 号第一级把火箭提升到 62 千米的高度,推进剂全部耗尽,从箭体上脱离,令火箭的重量减轻了 3/4.之后二级火箭 点火,升空 9 分钟后,二级火箭在 174 米的高度脱落.此时三级火箭短暂点火,将火箭送入 190 米的近地轨道.在检 查完所有的主要系统后,航天员会再次点燃三级火箭使飞船飞向月球轨道. 在飞向月球轨道的过程中三级火箭燃烧了所有推进剂. 在抛弃三级火箭前指令-服务舱会与火箭分离, 然后尖端翻 转,使其尖端对着火箭中登月舱的上部,然后指令-服务舱与登月舱顶端的对接结合器连接起来,完成对接.这时航天 员在确认对接完成后,才抛弃三级火箭. 进入月球区后,要进行减速机动,使飞船保持在月球轨道上运行,通常这个减速机动是在月球背对地球的一面发 生的,航天员无法从地球上获得任何信号的帮助,所以该机动队航天员的安全来说是至关重要的,如果减速失败,那 飞船注定要飞过月球,无法返回地球.如果减速成功,飞船就进入了月球轨道. 经过一段时间的登月准备,指令-服务舱内的三名航天员中有两名通过与登月舱的对接通道,进入登月舱,另一名 仍负责驾驶指令-服务舱.登月舱与指令-服务舱分离后,登月舱下降段的发动机会打开片刻,使登月舱进入较低的轨 道,这一轨道称为下降轨道.在下降轨道的低点,大约 14 千米的高度,登月舱再次加力,消除向前的速度,脱离下降 轨道,向月球表面下落.最后航天员操纵登月舱发动机,实施减速,进行软着陆. 寻找着陆点在登陆过程中是最困难的,因为飞行计划中虽然会预定一个大概的着陆区域,但至于这一区域的具体 情况,航天员事先并不知道,而且月球表面没有明显的参照物,就给航天员寻找合适的着陆点造成困难.要想安全的 降落在月球表面绝不是一件轻松的事. 第一个登上月球的阿波罗 11 号在登月舱即将着陆之际, 才发现预定的着陆点是一个里面散布着巨砾的大坑, 在最 后关头航天员阿姆斯特朗冷静地操纵登月舱,用了大约 19 秒避开大坑,降落在离预定着陆点 4 英里远的地方.登陆时 燃料箱中剩余的推进剂仅够再维持 30 秒. 航天员在月球表面完成任务后返回登月舱,启动上升段的发动机,乘上升段返回月球轨道,而下降段则留在月球 上,这样就减少了发动机所需的能量.上升段在月球轨道上与指令-服务舱会合对接,之后航天员进入指令-服务舱开 始返回地球.在实施进入地球轨道的机动前,阿波罗飞船要先抛掉登月舱上升段,然后启动服务舱的发动机,开始返 回地球轨道的反向加力.进入返地轨道后,飞船实质上是在经历 3 天太空中的下落运动,进入外围大气层前,指令舱 与服务舱分离,指令舱开始返回地球. 对于阿波罗计划这样引人注目,影响深远的工程,最关键的问题是保证航天员的安全.对此,NASA 的技术人员不 仅细致地设计和论证了整个方案,还通过大量实验来保证登月的万无一失.通过实验,不断地发现问题,修改方案, 再实验,直到把问题隐患全部排除.