新穎奇妙的載人登月方案和工具

文 / 天兵

整個阿波羅載人登月工程歷時約11年，到1972年12月第6次登月成功結束，耗資255億美元（相當于現在的約2000億美元）。在工程高峰時期，參加工程的有2萬家企業(yè)、200多所大學和80多個科研機構，總人數約40萬，集中體現了現代科技的水平，推動了航天技術的迅速發(fā)展。

奇妙的登月方案

在阿波羅載人登月工程的實施過程中，曾在登月方案的確定上花了很長時間，直到1961年5月25日肯尼迪總統(tǒng)正式宣布美國將實施阿波羅登月計劃時，美國宇航局仍沒有在登月方案上形成統(tǒng)一的意見。此后又經過了半年多的緊張研究和詳細論證，才于1962年最終選定月球軌道對接法。實踐證明，這一方案是科學、有效的，花這么多時間來研究和確定它是值得的。它使載人登月獲得了成功，沒有走彎路，對當今美國“重返月球”計劃也有重要借鑒意義。

▲ 登月艙上升級與指令艙-服務艙組合體在月球軌道上交會

所謂月球軌道對接法就是將1艘載有3名航天員的飛船發(fā)射到月球軌道上。然后2名航天員乘登月艙在月面上降落，進行月面探險。另1名航天員仍留在指令艙-服務艙組合體中繞月球軌道飛行，并進行科學實驗。返回時，在月面上的2名航天員啟動登月艙的上升級發(fā)動機飛上月球軌道與指令艙-服務艙組合體交會對接。2名航天員進入指令艙后，拋棄登月艙的上升級，脫離月球軌道返回地球。在再入大氣層前，拋棄服務艙，僅指令艙在太平洋上濺落。這種方法的好處時只需在月面上降落小型登月艙，但在軌對接的成功與否直接決定了航天員的生命安全。

看到這里，可能有些讀者會問：為什么不采用直接登月法，即把整個飛船直接送入月球表面？其實這種方法科學家早已考慮過，認為比較簡單和安全，但對運載火箭的要求太高，而且大型飛船在月面上著陸有可能陷入月塵中。

美國著名航天專家馮·布勞恩及馬歇爾航天中心則偏愛另外一種方法——地球軌道對接法，即先發(fā)射幾枚土星5號火箭，把大型飛船的幾個部分分別送入地球軌道，然后對接起來；對接后的飛船利用自身的發(fā)動機加速朝月球飛去；當靠近月球后飛船掉轉方向，啟動發(fā)動機減速，最后在月面上著陸；當工作完畢后，拋掉這一級發(fā)動機，載人飛船部分利用上升發(fā)動機離開月球返回地球。

經過眾多科學家對上述3種呼聲很高的方案進行反復比較、分析，最終的結論是：月球軌道對接法可在1967年10月實現，成本約77億美元；地球軌道對接法可在1968年7月完成，成本約92億美元；直接登月法所需資金約106億美元，且在1968年10月以前難以實現。所以，事先不被看好的月球軌道對接法最終被認定是載人登月的最佳途徑。

月球軌道對接好

采用月球軌道對接方案，在技術、時間和資金方面的優(yōu)點大致如下：

（1）只用一個較小的登月艙就能登月，從而可避免整個飛船降落月面的困難。登月艙重約14.7噸，月面可以經受得住，而且對于飛船減速也極為有利。

（2）登月艙只需攜帶小型發(fā)動機，所以可以減少燃料攜帶量。這對于離開月面也有利。

（3）在返回時，由于登月艙可以拋掉，又可進一步減小返回艙的重量，因此能簡化服務艙的設計。另外，只有指令艙再入回收，對于回收也有利。

▲ 拋棄登月艙，指令艙-服務艙組合體準備返回地球

▲指令艙-服務艙組合體進入環(huán)繞地球飛行軌道，在進行了最后的軌道修正后，和服務艙分離

▲ 阿波羅載人飛船登月路線圖

（4）經濟性較好，這一點勝于直接登月法和地球軌道對接法。

美國宇航局于1962年7月11日舉行了記者招待會，將登月方案的最后決策公諸于世。這次招待會，向外界通報了最終批準的月球軌道對接登月方案。

“土星5號”是基礎

在冷戰(zhàn)時期，美蘇在載人登月領域開展了激烈的競爭，特別是在重型運載火箭研制方面的競爭達到了白熱化，因為發(fā)射載人飛船必須使用近地軌道運載能力達100噸以上的重型運載火箭。最終美國成功研制和發(fā)射了土星5號運載火箭，實現載人登月，而蘇聯由于N1重型運載火箭4次發(fā)射失敗，未能載人登月

“土星5號”是一種3級液體火箭。它全長110.64米，最大直徑10.06米，起飛質量2945.95噸，起飛推力34029千牛，近地軌道運載能力127噸，地月轉移軌道運載能力約50噸。其第1級火箭采用液氧/煤油作推進劑，裝5臺F-1液體火箭發(fā)動機，即中間裝1臺，四周裝4臺，總推力34029千牛；第2級采用液氧/液氫作推進劑，裝5臺J-2氫-氧液體火箭發(fā)動機，中間1臺，四周4臺，總推力5148千牛；第3級也采用液氧/液氫作推進劑，裝1臺J-2發(fā)動機，推力為902千牛。

在1972年12月7日“土星5號”發(fā)射了最后一艘“阿波羅”——阿波羅17號載人登月飛船后，該重型火箭又于1973年5月14日把美國第一個空間站“天空實驗室”射入軌道。此后，這一“巨無霸”因無用武之地而退役了。

▲ 整裝待發(fā)的土星5號重型火箭

▲ 阿波羅17號航天員進行艙外活動

登月飛船

在登月方案確定后，研制新型載人飛船就成為登月工程的“重頭戲”了?！鞍⒉_”是人類發(fā)射的第一種、也是目前唯一的登月式飛船，構思十分巧妙。其技術對今天將要進行的月球基地建設和載人火星探測也有重要的參考價值。

“阿波羅”總高29米，重約50噸，由指令艙、服務艙和登月艙3部分組成，發(fā)射上升段時還有救生塔。其中類似衛(wèi)星式飛船返回艙的指令艙是航天員生活和工作的地方，也是全飛船的控制中心；相當于衛(wèi)星式飛船推進艙的服務艙裝有主發(fā)動機、姿控和電氣系統(tǒng)；特設的登月艙由下降級和上升級組成，用于降落到月球表面和離開月面。

指令艙為圓錐形，高3.5米，底部直徑3.9米，重約6噸，艙內充以34.3千帕的純氧，溫度保持在21℃~24℃。它又細分為前艙、航天員艙和后艙。前艙放置著陸部件、回收設備和姿態(tài)控制發(fā)動機等。航天員艙為密封艙，存有供航天員生活14天的必需品和救生設備。后艙裝有10臺姿態(tài)控制發(fā)動機、各種儀器和貯箱，還有姿態(tài)控制、制導導航及船載計算機和無線電分系統(tǒng)等。指令艙的中央并排放著指令長、駕駛員和飛行工程師等3名航天員的座椅。飛船發(fā)射和返回地面時，3名航天員躺在椅子上，其余時間航天員可離座活動。

服務艙是一個高6.4米、直徑4米的圓柱體，重約25噸，里面裝有變軌推進劑和主發(fā)動機、3副氫氧燃料電池等，其中變軌主發(fā)動機推力達95.6千牛，能把飛船從月球軌道送回地面。服務艙的前端與指令艙對接，后端有推進系統(tǒng)主發(fā)動機噴管。該艙又分6個隔艙，分別容納主發(fā)動機、姿態(tài)控制系統(tǒng)等，其中姿態(tài)控制系統(tǒng)由16臺小火箭發(fā)動機組成。它們還用于飛船與第3級火箭分離、登月艙與指令艙對接和指令艙與服務艙分離等。

▲阿波羅載人登月飛船結構

▲指令艙

▲阿波羅9號飛船首次攜帶了登月艙，并進行了分離與對接試驗

登月艙質量為14.7噸，直徑4.3米，高約7米，由下降級和上升級組成。下降級由下降發(fā)動機、4條著陸腿和4個儀器艙組成，用于從月球軌道降落到月面，能把2名航天員送到月球上。上升級為登月艙主體，由航天員座艙、返回發(fā)動機、推進劑貯箱、儀器艙和控制系統(tǒng)組成，在登月過程中，2名航天員在這里生活和工作，完成任務后航天員乘上升級返回環(huán)月軌道與指令艙會合。

▲在模擬月球表面地質場地，航天員進行駕駛月球車訓練

▲航天員駕駛月球車在月面上行駛自如

阿波羅飛船沿用了水星號飛船的發(fā)射救生系統(tǒng)，目的是在運載火箭第2級工作前20秒內，如果發(fā)生緊急事故，該系統(tǒng)可將指令艙彈出并安全回收。

飛船研制出來后，相繼進行過6次無人亞軌道和環(huán)地軌道飛行、1次環(huán)地飛行、3次載人環(huán)月飛行，最后才正式進行了登月飛行。

能載人的月球車

1971年7月—1972年12月，美國先后發(fā)射了阿波羅15號、16號和17號載人登月飛船，它們各自裝有一輛折疊式載人月球車，并且基本相同，均可在月面低重力、真空環(huán)境中行駛，從而擴大了航天員的艙外活動范圍。

每輛月球車質量約210千克，長3米，軸距2.3米，高1.1米，有4個輪子（每個輪子各由一臺發(fā)動機驅動，靠蓄電池提供動力，輪胎在－100℃低溫下仍可保持彈性），電源采用銀鋅氫氧化鉀一次性電池，行駛速度為10～12公里/小時，能攜帶約490千克的有效載荷。車上裝有2個并排的可折疊座位，每個座位有可調節(jié)的踏板和安全帶。車前端桅桿上裝有大型網狀碟型天線。航天員通過位于兩個座位之間的T形手動控制器來控制漫游車。手柄前部有一個控制與顯示模塊，顯示當前的速度、方向、電源和溫度情況。

月球車的最高時速可達16公里，航天員駕駛著它在月球表面巡游，以車代步，爬越障礙，翻越溝壑，對山脈、峽谷和火山口進行了考察，并把激動人心的彩色圖像傳回地面。

阿波羅15號的月球車總共行駛了27.76公里，總時間為3小時2分鐘，收集了約77千克月球樣品。

阿波羅16號的月球車總共行駛了26.55公里，總時間為3小時26分鐘，收集了約96千克月球樣品。

阿波羅17號的月球車總共行駛了35.89公里，總時間為4小時26分鐘，收集了111千克月球樣品。在阿波羅17號任務中，由于月球車和航天服的可靠性增加，緩解了月球車行駛距離的局限，所以航天員駕駛月球車行駛的距離最長。

航天員使用月球車時會受到微粒非常細小的月球塵埃影響。月球塵埃會使軸承、齒輪和密封的其他機械結構產生磨損。另外,在月球車行駛時，由于月面引力小，所以從車輪下噴濺出來的塵埃數量巨大，高度超過2米，對航天員執(zhí)行巡視任務產生了一定影響。

整個阿波羅工程就是靠上述這些利器實現了人類登月的夢想。