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来源: 南方日报网络版     时间: 2019-07-17 06:55:06
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  载人登月是怎样实现的

  庞之浩

  新闻背景

  今年7月20日是“阿波罗”首次载人登月50周年纪念日。当年“阿波罗”载人登月是怎样实现的?也许有很多读者会好奇,下面我们就从技术上给大家做个介绍。

  载人登月方案的确定

  在“阿波罗”载人登月工程的实施过程中,曾在登月方案的确定上花了很长时间,直到1961年5月25日美国正式宣布将实施“阿波罗”登月计划时,美国航空航天局仍没有在登月方案上形成统一的意见。此后又经过了半年多的研究和论证,才于1962年最终选定月球轨道对接法。

  所谓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,并出舱进行探险。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。返回时,在月面登月舱内的2名航天员启动登月舱上升级的发动机,飞上环月轨道与指令舱-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,但在月球轨道对接的成功与否直接决定了航天员的生命安全。

  可能有些读者会问:为什么不把整个飞船直接送入月球表面?其实这种方法科学家早已考虑过,认为比较简单和安全,但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。

  其实,刚开始美国“阿波罗”工程的总负责人冯·布劳恩及马歇尔航天中心是偏爱另外一种方法——地球轨道对接法,即先发射几枚“土星”火箭,把大型载人登月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飞向月球;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。但它存在一大问题,即大型飞船在月面着陆的困难。

  经过众多科学家对三种方案进行反复比较、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约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。

  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:

  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。登月舱重约14.7吨,月面可以经受得住,而且对于飞船减速也极为有利;

  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,而且整个飞船的重量能大大减轻,从70多吨减至约50吨,使“土星5号”火箭可以胜任;

  在返回时,由于登月舱可以抛掉,又可进一步减小返回舱的重量,因此能简化服务舱的设计。另外,只有指令舱再入回收,对于回收也有利;其经济性较好,这一点胜于直接登月法和地球轨道对接法。

  载人“试飞”历经挫折

  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”总高29米,重约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。

  指令舱为圆锥形,高3.5米,底部直径3.9米,重约6吨。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、各种仪器和贮箱等。指令舱的中央并排放着指令长、驾驶员和飞行工程师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,重约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,能把飞船从月球轨道送回地面。

  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、返回发动机等组成,完成任务后航天员乘上升级返回环月轨道与指令舱会合。

  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。

  登月飞船方案说起来简单,但在实际研制和使用中十分复杂。例如,3名航天员在“阿波罗1号”飞船内做发射前的飞行实验时,因实验中电路短路引起失火而被烧死;还有,“阿波罗13号”在飞往月球的途中因服务舱出现严重故障,里面的3名航天员差点儿命丧太空。经历过这些挫折,最终还是有6艘飞船载12人登上了月球表面。

  “阿波罗”飞船的飞行控制以自控为主,手控为辅。在一些紧急情况下,航天员的手控操纵仍起到了决定性作用,如“阿波罗11号”和“阿波罗13号”就是通过手控安全返回着陆的。

  载人更多的飞船正在研制

  目前,美国计划在2024-2028年载人重返月球,并命名该计划为“阿尔忒弥斯”,她是希腊神话中的狩猎女神和月女神,是太阳神阿波罗的孪生姐姐。为此,美国打造了新一代多用途载人飞船“猎户座”。“猎户座”和“阿波罗”飞船有一些重要相似之处,当然也有许多不同的地方。例如:

  外形酷似。“猎户座”的乘员舱和“阿波罗”飞船的指令舱外形十分相像,只是它比后者“更大”“更壮”,被称为吃了类固醇的“阿波罗”。

  载人更多。“猎户座”的乘员舱比“阿波罗”的指令舱大2倍,底径从3.9米增加到5米;体重也大大增加了,达25吨。所以“猎户座”的乘员舱可搭载4-6名航天员,还能运送较多物资到月球,为将来的连续登月做准备。而“阿波罗”只能载3人。

  电源充足。“猎户座”的服务舱由欧洲航天局研制,在太空飞行时使用太阳能作为动力,而“阿波罗”飞船使用的是电池,因而提供电力的时间十分有限,无法用于建立月球基地。

  重复使用。“猎户座”的外部防护层可以替换,使该飞船能重复使用,所以能显著降低成本。而“阿波罗”是一次性使用飞船。

  多种用途。“猎户座”是多用途的,可用于载人登月,也能用于近地轨道空间站的天地往返运输,还可作为行星际式飞船用于载人登火星和载人登小行星。

  着陆地点。“猎户座”使用的月球着陆器可使航天员在月球上任何区域着陆。而“阿波罗”使用的登月舱只能降落在月球赤道附近区域。

  返回方式。“猎户座”的乘员舱可采用空气缓冲气囊或者减速火箭等降落方式,直接降落到地球陆地上。当然,如果遇到特殊情况,也可以像“阿波罗”一样落到海里。而“阿波罗”只能落到海里。(作者为全国空间探测技术首席科学传播专家)


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