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人类核实踏足地外行星,首次载人登月历经波折

时间:2019-09-19 19:08来源:军事资讯
出品:科普中国 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。 作者:矛

  出品:科普中国

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。

  作者:矛隼工作室

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  监制:光明网科普事业部

美国宇航员奥尔德林和阿姆斯特朗登上月球。新华社供图

  探索其他星球,一直人类航天的最大愿望之一。人类在上个世纪登上了月球,并留下了脚印,但这只是个距离地球三十八万公里的卫星,不是一个真正的行星。

载人登月方案的确定

  而火星,这个距离地球足够近,又有可能被殖民的行星,是人类自航天时代开始以来就试图征服的对象。

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。

  火星与月球截然不同之处的在于距离,地球和火星都在同时距离火星公转,这使得两个星球的距离有时极其远,有的时候相对较近,但是最近的时候也有五千五百万公里。

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,飞上月球轨道与指令舱-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。

  每过两年左右,火星和地球就会接近一次,每过15-17年就会最为接近。换言之,每过两年,才会有一个可供发射的发射窗口,16年才能等到一次最佳时机。

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。

  然而,赶着窗口期去容易,但是回来可就费劲了,趁着窗口期返航极为困难,而要不然就要足足再等一个窗口期返程。

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。

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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需要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。

  图为地火霍曼转移轨道,也是最为节省燃料的轨道(图源航天爱好者网)

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:

  最初的计划来自于土星五号火箭的设计师沃纳·冯·布劳恩,他所设想的是一个庞大的“远征舰队”,由十艘宇宙飞船和七十个船员组成。而这只远征舰队将在地球轨道上建造,总吨位超过三万七千吨,而其中的绝大部分都是返程的燃料。但随着航天逐渐从想象变为现实,大家逐渐意识到人类的航天发射能力并没有这个计划中的如此强大,这一计划也随之作废。

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;

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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;

  图为上个世纪冯·布劳恩设想的火星远征舰队(图源航天爱好者)

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。

  三十年前,NASA展开了一项研究,这份研究规划了1990年之后的NASA发展方向。在新的研究中,NASA计划了一个重达1300吨的火星飞船,这虽然相对于上一个计划可以说是十分微缩。但考虑到人类目前最大的太空结构——国际太空站——也不过只有400吨,这一计划依然显得非常惊人。

载人“试飞”历经挫折

  经过重重发展,NASA最终产生了现在的登火组合体计划。登火组合器是一个数百吨的组合飞船,将于轨道上组合建造,然后前往火星。总体而言还算是承接了冯·布劳恩的设想。只不过是飞船吨位越来越小,航天员将在飞船中生存数百天直到返回地球。

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。

  用于制造登火组合体的火箭的是SLS太空发射系统运载火箭,这种运载火箭的后期货运型运力高达130吨,甚至可能达到165吨之多。

“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。

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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。

  图为SLS太空发射系统block2型的结构图(图源NASA)

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。

  登火组合体类似于一个摆渡船,并不具备下降至星球表面的能力,真正用于着陆的是独立设计的下降体飞船。而其返回则有两种不同的方案,其中之一是使用类似于阿波罗计划的方案,那就是上升段是下降飞船的一部分,返航时上升段脱离下降飞船独立返回。

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。

  但是,火星不仅重力较大,还有稀薄的大气层产生阻力,这使得火星上升段的要求远远大于阿波罗计划。另一方面,阿波罗计划在月球上的停留时间远远低于火星任务的时间。

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。

  方案二则是在计划开展之前几年就发射一个飞船,这个飞船将独立运送加注好燃料的上升飞船(地球返回载具)。在完成长时间探索计划之后的火星宇航员们,将放弃其着陆飞船,并使用提前预置好的上升飞船返回轨道上的登火组合器。

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。

  不过,众所周知的是,着陆时可能有诸多危机。这使得着陆飞船很有可能无法降落在预定位置,也就导致他们将与上升飞船相距极远,大大增加了计划的不稳定性不安全性。此外,提前预置的上升飞船将暴露在火星环境下两年或者更长,一旦上升飞船出现故障,后果不堪设想。

“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”就是通过手控安全着陆返回的。

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载人更多的飞船正在研制

  图为“地球返回载具”(ERV,Earth Retuen Vehicle)的想象图(图源航天爱好者)

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:

  NASA的方案尚未确定,而SpaceX也有自己的火星计划,这个计划的相比于NASA的方案更加大胆和激进。其技术设想来自于祖步林博士,最大的特点就是,宇航员们将在火星上自行制造燃料。

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”。

  SpaceX在原计划中将建造一个起飞重量高达一万两千多吨的复用超级火箭,进入轨道之后由加油船补给燃料,然后在三个月的行程里抵达火星。其飞行员将在火星着陆,并使用大气中的二氧化碳和水反应形成甲烷,并随后重新加注在其着陆飞行器中,在任务结束时起飞返回地球。

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。

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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。

  图为spaceX的火星方案(图源航天爱好者)

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,所以能显着降低成本。而“阿波罗”是一次性使用飞船。

  如此之多的火星探索方案,其实都寄托了人类试图探索外星的期盼。地球是人类的摇篮,但人类不可能永远在摇篮中生活,NASA的火星计划,或许能够真正助力人类成为一个多行星的物种。

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。

来源:猜你会好奇

作者:庞之浩(作者为全国空间探测技术首席科学传播专家)

编辑:王鸿良

监制:黄玉迎 侯莎莎

流程编辑:孙昱杰

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