今年7月20日是“阿波羅”首次載人登月50周年紀(jì)念日。當(dāng)年“阿波羅”載人登月是怎樣實(shí)現(xiàn)的？也許有很多讀者會(huì)好奇，下面我們就從技術(shù)上給大家做個(gè)介紹。
美國宇航員奧爾德林和阿姆斯特朗（頭盔中影像）登上月球。新華社供圖
載人登月方案的確定
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時(shí)間，直到1961年5月25日美國正式宣布將實(shí)施“阿波羅”登月計(jì)劃時(shí)，美國航空航天局仍沒有在登月方案上形成統(tǒng)一的意見。此后又經(jīng)過了半年多的研究和論證，才于1962年最終選定月球軌道對接法。
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，并出艙進(jìn)行探險(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。返回時(shí)，在月面登月艙內(nèi)的2名航天員啟動(dòng)登月艙上升級的發(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)對接。2名航天員進(jìn)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(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，但在月球軌道對接的成功與否直接決定了航天員的生命安全。
可能有些讀者會(huì)問：為什么不把整個(gè)飛船直接送入月球表面？其實(shí)這種方法科學(xué)家早已考慮過，認(rèn)為比較簡單和安全，但對運(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。
其實(shí)，剛開始美國“阿波羅”工程的總負(fù)責(zé)人馮布勞恩及馬歇爾航天中心是偏愛另外一種方法——地球軌道對接法，即先發(fā)射幾枚“土星”火箭，把大型載人登月飛船的幾個(gè)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(dòng)機(jī)加速飛向月球；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)，一是不需要研制超大型運(yùn)載火箭；二是在地球軌道上對接比較安全，萬一對接失敗，載人飛船亦可以安全返回地面。但它存在一大問題，即大型飛船在月面著陸的困難。
經(jīng)過眾多科學(xué)家對三種方案進(jìn)行反復(fù)比較、分析，最終的結(jié)論是：月球軌道對接法可在1967年10月實(shí)現(xiàn)，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接法最終被認(rèn)定是載人登月的最佳途徑。
采用月球軌道對接方案，在技術(shù)、時(shí)間和資金方面的優(yōu)點(diǎn)大致如下：
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。登月艙重約14.7噸，月面可以經(jīng)受得住，而且對于飛船減速也極為有利；
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。這對于離開月面也有利，而且整個(gè)飛船的重量能大大減輕，從70多噸減至約50噸，使“土星5號”火箭可以勝任；
在返回時(shí)，由于登月艙可以拋掉，又可進(jìn)一步減小返回艙的重量，因此能簡化服務(wù)艙的設(shè)計(jì)。另外，只有指令艙再入回收，對于回收也有利；其經(jīng)濟(jì)性較好，這一點(diǎn)勝于直接登月法和地球軌道對接法。
載人“試飛”歷經(jīng)挫折
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。
“阿波羅”總高29米，重約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。
指令艙為圓錐形，高3.5米，底部直徑3.9米，重約6噸。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(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，重約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，能把飛船從月球軌道送回地面。
登月艙質(zhì)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(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。上升級為登月艙主體，由航天員座艙、返回發(fā)動(dòng)機(jī)等組成，完成任務(wù)后航天員乘上升級返回環(huán)月軌道與指令艙會(huì)合。
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”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被燒死；還有，“阿波羅13號”在飛往月球的途中因服務(wù)艙出現(xiàn)嚴(yán)重故障，里面的3名航天員差點(diǎn)兒命喪太空。經(jīng)歷過這些挫折，最終還是有6艘飛船載12人登上了月球表面。
“阿波羅”飛船的飛行控制以自控為主，手控為輔。在一些緊急情況下，航天員的手控操縱仍起到了決定性作用，如“阿波羅11號”和“阿波羅13號”就是通過手控安全著陸返回的。
載人更多的飛船正在研制
目前，美國計(jì)劃在2024-2028年載人重返月球，并命名該計(jì)劃為“阿爾忒彌斯”，她是希臘神話中的狩獵女神和月女神，是太陽神阿波羅的孿生姐姐。為此，美國打造了新一代多用途載人飛船“獵戶座”。“獵戶座”和“阿波羅”飛船有一些重要相似之處，當(dāng)然也有許多不同的地方。例如：
外形酷似。“獵戶座”的乘員艙和“阿波羅”飛船的指令艙外形十分相像，只是它比后者“更大”、“更壯”，被稱為吃了類固醇的“阿波羅”。
載人更多。“獵戶座”的乘員艙比“阿波羅”的指令艙大2倍，底徑從3.9米增加到5米；體重也大大增加了，達(dá)25噸。所以“獵戶座”的乘員艙可搭載4-6名航天員，還能運(yùn)送較多物資到月球，為將來的連續(xù)登月做準(zhǔn)備。而“阿波羅”只能載3人。
電源充足。“獵戶座”的服務(wù)艙由歐洲航天局研制，在太空飛行時(shí)使用太陽能作為動(dòng)力，而“阿波羅”飛船使用的是電池，因而提供電力的時(shí)間十分有限，無法用于建立月球基地。
重復(fù)使用。“獵戶座”的外部防護(hù)層可以替換，使該飛船能重復(fù)使用，所以能顯著降低成本。而“阿波羅”是一次性使用飛船。
多種用途。“獵戶座”是多用途的，可用于載人登月，也能用于近地軌道空間站的天地往返運(yùn)輸，還可作為行星際式飛船用于載人登火星和載人登小行星。
著陸地點(diǎn)。“獵戶座”使用的月球著陸器可使航天員在月球上任何區(qū)域著陸。而“阿波羅”使用的登月艙只能降落在月球赤道附近區(qū)域。
返回方式。“獵戶座”的乘員艙可采用空氣緩沖氣囊或者減速火箭等降落方式，直接降落到地球陸地上。當(dāng)然，如果遇到特殊情況，也可以像“阿波羅”一樣落到海里。而“阿波羅”只能落到海里。
來源：猜你會(huì)好奇
作者：龐之浩（作者為全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家）
編輯：王鴻良
監(jiān)制：黃玉迎 侯莎莎
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