新穎奇妙的載人登月方案和工具

龐之浩

整個(gè)“阿波羅”載人登月工程歷時(shí)約11年，到1972年12月第6次登月成功結(jié)束，耗資255億美元（約為現(xiàn)在的2000億美元）。在工程高峰時(shí)期，參加工程的有2萬家企業(yè)、200多所大學(xué)和80多個(gè)科研機(jī)構(gòu)，總?cè)藬?shù)約40萬。該工程嚴(yán)格而科學(xué)地管理了幾十萬人奮斗了8～11年，完成了載人登月工程，集中體現(xiàn)了現(xiàn)代科技的水平，推動(dòng)了航天技術(shù)的迅速發(fā)展。其主要負(fù)責(zé)人是馮·布勞恩。

1 奇妙的登月方案

在“阿波羅”載人登月工程的實(shí)施過程中，曾在登月方案的確定上花了很長(zhǎng)時(shí)間，直到1961年5月25日美國時(shí)任總統(tǒng)肯尼迪正式宣布將實(shí)施“阿波羅”登月計(jì)劃時(shí)，美國國家航空航天局（NASA）仍沒有在登月方案上形成統(tǒng)一的意見。此后又經(jīng)過了半年多的緊張研究和詳細(xì)論證，才于1962年最終選定月球軌道對(duì)接法。實(shí)踐證明，這一方案是科學(xué)、有效的，花這么多時(shí)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(duì)當(dāng)今美國“重返月球”計(jì)劃也有重要借鑒意義。

所謂月球軌道對(duì)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(jìn)行月面探險(xiǎn)。另1名航天員仍留在指令艙-服務(wù)艙組合體中繞月球軌道飛行，并進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。返回時(shí)，在月面上的2名航天員啟動(dòng)登月艙的上升級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)飛上月球軌道與指令艙-服務(wù)艙組合體交會(huì)對(duì)接。2名航天員進(jìn)入指令艙后，拋棄登月艙的上升級(jí)，脫離月球軌道返回地球。在再入大氣層前，拋棄服務(wù)艙，僅指令艙在太平洋上濺落。這種方法的好處是只需在月面上降落小型登月艙，但在軌對(duì)接的成功與否直接決定了航天員的生命安全。

科學(xué)家早期曾考慮過把整個(gè)飛船直接送入月球表面，認(rèn)為比較簡(jiǎn)單和安全，但這種方法對(duì)運(yùn)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塵土中，所以沒有采用這一方案。

美國著名科學(xué)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(duì)接法，即先發(fā)射幾枚“土星”火箭，把大型飛船的幾個(gè)部分分別送入地球軌道，然后對(duì)接起來；對(duì)接后的飛船利用自身的發(fā)動(dòng)機(jī)加速朝月球飛去；當(dāng)靠近月球后飛船掉轉(zhuǎn)方向，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)減速，最后在月面上著陸；當(dāng)工作完畢后，拋掉這一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，載人飛船部分利用上升發(fā)動(dòng)機(jī)離開月球返回地球。他們認(rèn)為這種方法有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是不需要研制名叫新星號(hào)的超大型運(yùn)載火箭；二是在地球軌道上對(duì)接比較安全，萬一對(duì)接失敗，載人飛船亦可以安全返回地面。地球軌道對(duì)接法的優(yōu)點(diǎn)是無需研制超大型運(yùn)載火箭，也比月球軌道對(duì)接法安全，但它也存在大型飛船在月面著陸的困難，因此，也沒被采納。

經(jīng)過眾多科學(xué)家對(duì)上述3種呼聲很高的方案進(jìn)行反復(fù)比較、分析，最終的結(jié)論是：月球軌道對(duì)接法可在1967年10月實(shí)現(xiàn)，成本約77億美元；地球軌道對(duì)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需要106億美元，且在1968年10月以前難以實(shí)現(xiàn)。所以，事先不被看好的月球軌道對(duì)接法最終被認(rèn)定是載人登月的最佳途徑。

“阿波羅”飛船指令艙-服務(wù)艙組合體上的發(fā)動(dòng)機(jī)工作，使飛船脫離月球軌道，開始返回地球示意圖

2 月球軌道對(duì)接好

采用月球軌道對(duì)接方案，在技術(shù)、時(shí)間和資金方面的優(yōu)點(diǎn)大致如下：一是只用一個(gè)較小的登月艙就能登月，從而可避免整個(gè)飛船降落月面的困難。登月艙質(zhì)量約14.7噸，月面可以經(jīng)受得住，而且對(duì)于飛船減速也極為有利。二是登月艙只需攜帶小型發(fā)動(dòng)機(jī)，所以可以減少燃料攜帶量。這對(duì)于離開月面也有利，而且整個(gè)飛船的質(zhì)量能大大減輕，從70多噸減至約50噸，使土星5號(hào)火箭可以勝任。三是在返回時(shí)，由于登月艙可以拋掉，又可進(jìn)一步減小返回艙的質(zhì)量，因此能簡(jiǎn)化服務(wù)艙的設(shè)計(jì)。另外，只有指令艙再入回收，所以體積小，這對(duì)于回收也有利；四是經(jīng)濟(jì)性較好，這一點(diǎn)勝于直接登月法和地球軌道對(duì)接法。

1962年6月7日，NASA在馬歇爾航天中心舉行了一次會(huì)議，對(duì)月球軌道對(duì)接方案進(jìn)行最后的討論。馮·布勞恩在會(huì)上通報(bào)了馬歇爾航天中心的最新研究結(jié)果。他說：“有4種模式在技術(shù)上都是可行的，只要有足夠的時(shí)間和資金?！彼f的4種模式是：月球軌道對(duì)接、地球軌道對(duì)接、用土星5號(hào)火箭直接登月、用新星號(hào)或土星8號(hào)火箭直接登月。但他認(rèn)為，如果要求在10年內(nèi)完成登月計(jì)劃，那么月球軌道對(duì)接是最有保證的方案。在講話的末尾，馮·布勞恩坦率地承認(rèn)在方案選擇方面曾存在某種感情色彩。

最終的預(yù)算估計(jì)：月球軌道對(duì)接方案幾乎比地球軌道對(duì)接登月的92億美元低了15億美元，比直接登月方案的106億美元低了近30億美元。這又為月球軌道對(duì)接方案提供了更有利的證據(jù)。

月面工作結(jié)束后航天員返回登月艙，進(jìn)入上升級(jí)，上升級(jí)從登月艙上起飛，離開月球表面上升

NASA于1962年7月11日舉行了記者招待會(huì)，將登月方案的最后決策公諸于世。在這次招待會(huì)上，向外界通報(bào)了最終批準(zhǔn)的月球軌道對(duì)接登月方案。

鏈接：美國“阿波羅”計(jì)劃登月方案的選擇由于開始計(jì)劃目的尚不明確等原因，前后花費(fèi)了近3年時(shí)間，確實(shí)長(zhǎng)了些。主要原因是參與研究的單位和人員太多，反復(fù)爭(zhēng)論、各自為政不可避免地浪費(fèi)了許多時(shí)間。但正是由于在長(zhǎng)時(shí)間的研究和討論中，工作進(jìn)行得非常細(xì)致、周到、全面，對(duì)于后來計(jì)劃的順利進(jìn)行提供了保證，也避免了許多不必要的失誤。從后來“阿波羅”計(jì)劃的執(zhí)行來看，這些討論不僅是有極大價(jià)值的，而且也是非常必要的。

3 土星5號(hào)是基礎(chǔ)

冷戰(zhàn)時(shí)期，美蘇在載人登月領(lǐng)域開展了激烈的競(jìng)爭(zhēng)，特別是在重型運(yùn)載火箭研制方面的競(jìng)爭(zhēng)達(dá)到了白熱化，因?yàn)榘l(fā)射載人飛船必須使用近地軌道運(yùn)載能力達(dá)100噸以上的重型運(yùn)載火箭。最終美國成功研制和發(fā)射了土星5號(hào)重型運(yùn)載火箭，實(shí)現(xiàn)載人登月，而蘇聯(lián)由于N1重型運(yùn)載火箭4次發(fā)射失敗，未能載人登月。

土星5號(hào)是一種三級(jí)液體火箭。它全長(zhǎng)110.64米，最大直徑10.06米，起飛質(zhì)量2945.95噸，起飛推力34029千牛頓，近地軌道運(yùn)載能力127噸，地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力約50噸。其第一級(jí)火箭采用液氧/煤油作推進(jìn)劑，裝5臺(tái)F-1液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，即中間裝1臺(tái)，四周裝4臺(tái)，總推力34029千牛頓；第二級(jí)采用液氧/液氫作推進(jìn)劑，裝5臺(tái)J-2氫-氧液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，中間1臺(tái)，四周4臺(tái)，總推力5148千牛頓；第3級(jí)也采用液氧/液氫作推進(jìn)劑，裝1臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)，推力為902千牛頓。

1972年12月7日，土星5號(hào)發(fā)射了最后一艘“阿波羅”——阿波羅17號(hào)載人登月飛船后，該重型火箭又于1973年5月14日把美國第1個(gè)空間站“天空實(shí)驗(yàn)室”送入軌道。此后，這一“巨無霸”因無用武之地而退役了。

4 第一種登月飛船

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、也是目前唯一的一種登月式飛船，構(gòu)思十分巧妙。其技術(shù)對(duì)現(xiàn)如今將要進(jìn)行的月球基地建設(shè)和載人火星探測(cè)也具有重要的參考價(jià)值。

“阿波羅”總高29米，質(zhì)量約50噸，由指令艙、服務(wù)艙和登月艙3部分組成，發(fā)射上升段時(shí)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(dāng)于衛(wèi)星式飛船推進(jìn)艙的服務(wù)艙裝有主發(fā)動(dòng)機(jī)、姿控和電氣系統(tǒng)；特設(shè)的登月艙由下降級(jí)和上升級(jí)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，質(zhì)量約6噸，艙內(nèi)充以34.3千帕的純氧，溫度保持在21～24℃。它又細(xì)分為前艙、航天員艙和后艙。前艙放置著陸部件、回收設(shè)備和姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)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(shè)備；后艙裝有10臺(tái)姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)、各種儀器和貯箱，還有姿態(tài)控制、制導(dǎo)導(dǎo)航及船載計(jì)算機(jī)和無線電分系統(tǒng)等。指令艙的中央并排放著指令長(zhǎng)、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(shí)，3名航天員躺在椅子上，其余時(shí)間航天員可離座活動(dòng)。

服務(wù)艙是一個(gè)高6.4米、直徑4米的圓柱體，質(zhì)量約25噸，里面裝有變軌推進(jìn)劑和主發(fā)動(dòng)機(jī)、3副氫氧燃料電池等，其中變軌主發(fā)動(dòng)機(jī)推力達(dá)95.6千牛頓，能把飛船從月球軌道送回地面。服務(wù)艙的前端與指令艙對(duì)接，后端有推進(jìn)系統(tǒng)主發(fā)動(dòng)機(jī)噴管。該艙又分6個(gè)隔艙，分別容納主發(fā)動(dòng)機(jī)、姿態(tài)控制系統(tǒng)等，其中姿態(tài)控制系統(tǒng)由16臺(tái)小火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組成。它們還用于飛船與第3級(jí)火箭分離、登月艙與指令艙對(duì)接和指令艙與服務(wù)艙分離等。

登月艙質(zhì)量為14.7噸，直徑4.3米，高約7米，由下降級(jí)和上升級(jí)組成。下降級(jí)由下降發(fā)動(dòng)機(jī)、4條著陸腿和4個(gè)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(jí)為登月艙主體，由航天員座艙、返回發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)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(wù)后航天員乘上升級(jí)返回環(huán)月軌道與指令艙會(huì)合。

“阿波羅”飛船沿用了美國水星號(hào)飛船的發(fā)射救生系統(tǒng)，目的是在運(yùn)載火箭第2級(jí)工作前20秒內(nèi)，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(jìn)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(jìn)行了登月飛行。

登月飛船方案說起來簡(jiǎn)單，但在實(shí)際研制和使用中十分復(fù)雜。例如，3名航天員在阿波羅1號(hào)飛船內(nèi)做發(fā)射前的飛行實(shí)驗(yàn)時(shí)，因?qū)嶒?yàn)中電路短路引起失火而遇難；還有，阿波羅13號(hào)在飛往月球的途中因服務(wù)艙出現(xiàn)嚴(yán)重故障，別說登月，里面的3名航天員差點(diǎn)兒?jiǎn)噬硖?。但是，這些都沒能動(dòng)搖人類登月的決心，最終有6艘飛船載12人登上了月球表面。

5 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(hào)、16號(hào)和17號(hào)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(kuò)大了航天員的艙外活動(dòng)范圍。

每輛“阿波羅”月球車質(zhì)量約210千克，長(zhǎng)3米，軸距2.3米，高1.1米，有4個(gè)輪子（每個(gè)輪子各由一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，靠蓄電池提供動(dòng)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10～12千米/小時(shí)，能攜帶約490千克的有效載荷。車上裝有2個(gè)并排的可折疊座位，每個(gè)座位有可調(diào)節(jié)的踏板和安全帶。車前端桅桿上裝有大型網(wǎng)狀碟型天線。航天員通過位于兩個(gè)座位之間的T形手動(dòng)控制器來控制漫游車。手柄前部有一個(gè)控制與顯示模塊，顯示當(dāng)前的速度、方向、電源和溫度情況。

其最高時(shí)速可達(dá)每小時(shí)16千米，航天員坐在里面駕駛著它在月球表面巡游，以車代步，爬越障礙，翻越溝壑，對(duì)山脈、峽谷和火山口進(jìn)行了考察，并把激動(dòng)人心的彩色圖像傳回地面。

阿波羅15號(hào)的月球車總共行駛了27.76千米，總時(shí)間為3小時(shí)2分鐘，最長(zhǎng)單次行駛距離為12.47千米，離開登月艙的最長(zhǎng)距離為5千米，收集了約77千克月球樣品。

阿波羅16號(hào)的月球車總共行駛了26.55千米，總時(shí)間為3小時(shí)26分鐘，最長(zhǎng)單次行駛距離為11.59千米，離開登月艙的最長(zhǎng)距離為4.5千米，收集了約96千克月球樣品。

阿波羅17號(hào)的月球車總共行駛了35.89千米，總時(shí)間為4小時(shí)26分鐘，最長(zhǎng)單次行駛距離為20.12千米，離開登月艙的最長(zhǎng)距離為7.6千米，收集了111千克月球樣品。在阿波羅17號(hào)任務(wù)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(zhǎng)。

實(shí)踐表明，航天員使用月球車時(shí)會(huì)受到微粒非常細(xì)小的月球塵埃影響。月球塵埃會(huì)使軸承、齒輪和密封的其他機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生磨損。另外，在月球車行駛時(shí)，由于月面引力小，所以從車輪下噴濺出來的塵埃數(shù)量巨大，高度超過2米，對(duì)航天員執(zhí)行巡視任務(wù)產(chǎn)生了一定影響。

整個(gè)“阿波羅”工程就是靠上述這些利器實(shí)現(xiàn)了人類登月的夢(mèng)想。