「航天知识:登月计划」阿波罗飞船与登月计划(阿波罗登月计划一共几次)

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阿波罗登月计划简介

阿波罗计划,又称阿波罗工程,是美国从1961~1972年从事的一系列载人登月飞行任务。这个计划被命名为“阿波罗”,源自古希腊传说中的太阳神驾驶着天马拉的战车踏过天际。它是世界航天史上具有划时代意义的一项成就。工程开始于1961年5月,至1972年12月第6次登月成功结束,历时约11年,耗资255亿美元。在工程高峰时期,参加工程的有2万家企业、200多所大学和80多个科研机构,总人数超过30万人。

登月方案

在“阿波罗11号”太空船成功登月后,阿波罗计划的决策者们面临着如何才能尽可能安全、经济、简单地将宇航员送上月球的问题。曾有四个方案被考虑。

① 直接起飞:此计划提出由一个巨大的新型火箭携带一艘航天器,直接飞往月球;火箭在月球降落,任务完成后再次起飞,飞回地球。

② 地球轨道集合:此计划需要两艘只有“土星5号”一半大小的小型火箭将登月航天器的不同部分送入地球轨道,集合并对接。整个航天器降落在月球表面。由于当时在轨道中集合多艘航天器的经验较少,且地球轨道拼装航天器是否可行也是未知数,所以此计划未被采纳。

③ 月球表面集合:此计划需要两艘航天器被发射,一艘自动航天器携带推进系统,先期登月,载人航天器晚些再发射。推进系统在月球表面被移至载人航天器上,然后返回地球。

④ 月球轨道集合:这个方案由约翰.C.霍博尔特的团队提出。这种方案需要一艘较大的航天器称为指令/服务舱,携带一艘装载宇航员的登月航天器称为登月舱。指令/服务舱携带从地球到月球往返所需的燃料和生活必需品,以及进入地球大气层所需要的隔热板。进入月球轨道之后,登月舱与指令/服务舱分离,并降落在月球表面,指令/服务舱留在月球轨道。三名宇航员中的一名留在指令/服务舱中。登月完成之后,登月舱重新起飞,与指令/服务舱在月球轨道集合,并返回地球。

与其他几个方案不同,月球轨道集合一般只需要一艘很小的航天器降落在月球表面,使返回时在月球上起飞航天器的质量大大减小。通过将登月舱的一部分留在月球上,月球起飞质量得以再次减小。登月舱本身分为两部分,包括降落部分和起飞部分,前者用于在登月时降落,后者在任务完成后起飞与指令/服务舱会合并返回地球。由于航天器质量减轻,一次任务只需要一次单独的火箭发射。当时的顾虑是,次数较多的对接和分离所提出的技术难度,包括论证飞船登月飞行轨道和确定载人飞船总体布局。

最终从“阿波罗号”飞船的4种飞行方案中选定月球轨道集合方案,相应地确定由指令/服务舱和登月舱组成飞船的总体布局方案。

火箭及飞船系统

火箭剖析

“阿波罗号”飞船使用大推力的“土星号”运载火箭发射。运载火箭研制分两个阶段进行。

① 研制“土星1号”和“土星1B号”,用以获取大型运载火箭的研制经验并进行“阿波罗号”飞船的飞行试验。

② 研制“土星5号”巨型3级运载火箭作为飞船登月的运载工具。

飞船构造

登月“阿波罗号”飞船由指挥舱、服务舱和登月舱3个部分组成。

(1)指挥舱

宇航员在飞行中生活和工作的座舱,也是全飞船的控制中心。指挥舱为圆锥形,高3.2m,重约6t。指挥舱分前舱、宇航员舱和后舱3部分。前舱内放置着陆部件、回收设备和姿态控制发动机等。宇航员舱为密封舱,存有供宇航员生活14天的必需品和救生设备。后舱内装有10台姿态控制发动机,各种仪器和储箱,还有姿态控制、制导导航系统以及船载计算机和无线电分系统等。

(2)服务舱

前端与指挥舱对接,后端有推进系统主发动机喷管。舱体为圆筒形,高6.7m,直径4m,重约25t。主发动机用于轨道转移和变轨机动。姿态控制系统由16台火箭发动机组成,它们还用于飞船与第三级火箭分离、登月舱与指挥舱对接和指挥舱与服务舱分离等。

(3)登月舱

由上升级和下降级组成,地面起飞时重14.7t,宽4.3m,最大高度约7m。下降级由着陆发动机、4条着陆腿和4个仪器舱组成。上升级为登月舱主体,由宇航员座舱、返回发动机、推进剂储箱、仪器舱和控制系统组成。宇航员座舱可容纳2名宇航员(但无座椅),有导航、控制、通信、生命保障和电源等设备。宇航员完成月面活动后驾驶上升级返回环月轨道与指挥舱会合。

载人登月

试验工作

阿波罗计划的试验工作共分4个阶段。

第一阶段从1960年10月27日到1965年7月30日,共发射了10枚“土星I”运载火箭。前4次是亚轨道飞行,装有模拟第二级和丘比特运载火箭的头锥部。目的是考察H-1发动机的性能、多机并联技术、控制系统、共底储箱结构、火箭振动、气动特性设计以及地面辅助系统等。4次试验均获成功。1964年1月29日以后进行的6次发射均是两级土星I火箭为轨道飞行,载荷是模拟阿波罗飞船。这些试验的目的是验证土星I运载火箭的推进、设计和控制系统,考察第二级RL-10发动机性能、阿波罗飞船与运载火箭结合性能、飞船的结构设计、气动特性、防热特性、飞船控制以及级间分离等。这些发射还将几颗探测卫星送入轨道,用以研究近地空间环境,微流星和宇宙辐射。试验轨道高度在185~750km之间,试验均达到预期目标。

第二阶段从1964年5月13日到1966年1月20日,共发射4枚小约翰II单级火箭,上面装有阿波罗飞船模拟件和救生塔。前两次试验上升到5km高,考察逃逸救生塔的性能。1965年5月19日进行的第三次试验,由于小约翰E火箭发生爆炸,试验失败。这是阿波罗计划试验过程中唯一的一次失败,但3次成功的试验已充分验证了发射救生系统的可靠性。

第三阶段是生产型阿波罗飞船不载人试验。根据以前的试验结果,北美航空公司于1965年10月20日将第一艘生产型飞船(009号)送往肯尼迪航天中心。1966年2月26日,土星IB运载火箭把009号飞船发射升空。这是一次亚轨道飞行,飞船上升到488km。这次发射试验了运载火箭与飞船和其他载荷的结合、分离特性;考察了土星IB运载火箭第二级J-2发动机;指令舱与服务舱的分离;指令舱再入与回收;指令舱防热系统;服务舱发动机启动、关机和再启动,获得了满意的结果。1966年7月5日和8月25日,土星IB又进行了两次发射。有关运载火箭和飞船的试验项目均获成功。

1967年11月9日,土星V运载火箭首次发射,将“阿波罗4号”飞船送入轨道。这次试验除全面验证了土星V运载火箭外,还考察了阿波罗飞船与土星V的结合特性、飞船主推进系统和姿态控制系统、飞船任务支持系统以及指令舱的再入与回收特性。试验期间取得的另一个重大成果是,飞船在轨道上进行了停泊和模拟转移月球轨道试验。主推进系统一度将飞船推到10879km的高度。1968年1月22日,土星IB将“阿波罗5号”飞船送入轨道。这次试验首次发射了登月舱。在222km的轨道上,运载火箭第二级与登月舱分离。登月舱进行了下降试验。在961km高度上又进行了上升试验。这是阿波罗计划试验阶段一项带有里程碑意味的成就。1968年4月4日,一枚土星V发射了“阿波罗6号”飞船。这次试验完成了全部预定的综合考察任务,主发动机把飞船推进到22209km的高度。美中不足的一个问题是,土星V的J-2发动机出现过早关机的故障。

第四阶段阿波罗飞船载人飞行试验任务于1967午5月9日开始。1968年10月11日,土星IB运载火箭将“阿波罗7号”飞船送入轨道,上面乘坐的三位宇航员分别是谢拉、埃塞尔和昆宁翰。这次试验考察了宇航员在阿波罗飞船中的适应性,即宇航员在飞船中长时间生活、工作的表现和生物医学检查,检验了指令/服务舱的生命保障和任务支持系统的性能,同时还检验了指令/服务舱在轨道小机动、调姿、交会能力。“阿波罗7号”飞行历时11天(264小时),于10月22日返回地面。

接着,1968年12月21日、1969年3月3日、1969年5月18日,3枚土星V火箭先后发射了“阿波罗8号”、“阿波罗9号”、“阿波罗10号”载人飞船。这些发射试验除继续验证人与飞船的适应性和飞船的性能外,还进行了环月飞行、远距离通信、登月舱分离与对接、近月环境考察等试验和探测工作,历时分别为147小时、241小时、192小时。值得指出的是,“阿波罗10号”飞船基本上模拟了登月的全过程。当土星V第三级把指令/服务舱加速到第二宇亩速度并进入飞向月球的路径后,指令/服务舱分离、转向并与从连接部弹出的登月舱对接,然后整个飞船系统再次转向并朝月亮飞行,飞行路程39.92万千米。在进入月球轨道后,宇航员约翰·杨驾驶指令/服务舱继续绕月飞行。斯坦福德和塞尔南驾驶登月舱依靠下降发动机减速朝月面降落,离月面最近时只有15.24km。最后他们抛掉下降舱,利用上升发动机返回轨道并与指令舱对接。在返回指令舱并抛掉上升舱后,3位宇航员返回了地球。

辅助计划

为了支持登月计划,美国宇航局在此期间还执行了4项辅助计划。

①“徘徊者号”探测器计划(1961~1965年):共发射9个探测器,在不同的月球轨道上拍摄月球表面状况的照片1.8万张,以了解飞船在月面着陆的可能性。但探测器曾多次发射失败。

②“勘测者号”探测器计划(1966~1968年):共发射5个自动探测器在月球表面软着陆,通过电视发回8.6万张月面照片,并探测了月球土壤的理化特性数据。

③月球轨道环行器计划(1966~1967年):共发射3个绕月飞行的探测器,对40多个预选着陆区拍摄高分辨率照片,获得1000多张小比例尺高清晰度的月面照片,据此选出约10个预计的登月点。

④“双子星座号”飞船计划(1965~1966年):先后发射10艘各载2名宇航员的飞船,进行医学和生物学研究和操纵飞船机动飞行、对接和进行舱外活动的训练。

成功记录(阿波罗登月计划一共几次)

阿波罗计划一共6次登月成功。“阿波罗11号”飞船于1969年7月20~21日首次实现载人登上月球的理想。此后,美国又相继6次发射“阿波罗号”飞船,其中5次成功,共计有12名航天员登上月球。

(1)“阿波罗11号”

“阿波罗11号”是阿波罗计划中的第五次载人任务,发射于1969年7月16日。7月20日,尼尔·阿姆斯特朗与巴兹·奥尔德林成为了首次踏上月球的人类。“阿波罗11号”降落在月表静海附近,被阿姆斯特朗称为“静海基地”。

“阿波罗11号”登月的准确时间是1969年7月20日下午4时17分43秒(休斯敦时间)。1969年7月21日凌晨2点56分,阿姆斯特朗的左脚踏上了月球,“这是一个人的一小步,却是人类的一大步”。两人在月球表面活动了两个半小时,使用钻探取得了月芯标本,拍摄了一些照片,也采集了22kg的月表岩石标本。

从20世纪60年代初期开始,“太空竞赛”的胜利“标准”被定义为率先登月。所以,从某种意义上讲,“阿波罗11号”的成功标志着美国在太空竞赛中的胜利。同样,阿姆斯特朗和奥尔德林在1969年7月登月,也完成了时任总统肯尼迪1961年5月25日宣布美国会在1970年之前将宇航员送上月球并成功返回的承诺。

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“阿波罗11号”成员左起:阿姆斯特朗、科林斯、奥尔德林

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阿姆斯特朗登月

(2)“阿波罗12号”

“阿波罗11号”发射后不到四个月,“阿波罗12号”再次踏上了登月的旅程。发射后,“阿波罗12号”两次被闪电击中,航天器一度很不稳定。由于地面指挥中心和三位宇航员(尤其是艾伦·宾)的冷静处理,一切恢复正常,但指挥人员仍一度担心指令舱顶部的降落伞遭到损坏;如果主降落伞真的无法使用,返回时航天器将像陨石一般坠入海中。

1969年11月19日,“阿波罗12号”成功登月。前一次任务对降落点的要求不高,但“阿波罗12号”有一个准确的降落点,康拉德也轻松地完成了任务。踏上月球后,身材矮小的康拉德叫道:“太好了!天哪,这也许对尼尔是一小步,但对我却是一大步呢。”计划中“阿波罗12号”将首次使用彩色摄像机向地球进行实况转播,但由于宾的失误,摄像机没能使用。

(3)“阿波罗13号”

“阿波罗13号”是阿波罗计划中的第七次载人任务,发射于1970年4月11日。“阿波罗13号”在计划中是第3次登月,但是由于飞船在抵达月球前发生了氧气罐爆炸,电力和氧气均大量损失,所以登月计划被放弃,三名宇航员最终成功返回地球。

发射前两天,指令舱驾驶员肯·马丁利因风疹被杰克·斯威格特替换,这是阿波罗计划中唯一一次使用替补宇航员。爆炸后,马丁利在返回救援过程中起到了很大的作用。“阿波罗13号”是人类航天史上首次在地球轨道外放弃的任务,由于未进入月球轨道(仅绕过月球以利用月球引力加速返回地球),三位宇航员创造了人类太空飞行高度纪录。

“阿波罗13号”在发生爆炸的时候曾经对休斯敦指挥中心回报了一句非常有名的话:“休斯敦,我们出问题了”。这句话后来不断地被各种星际任务相关的电视节目与电影使用,变成了整个任务里面最有名的一句话。

“阿波罗13号”被称为一次“成功的失败”,三位宇航员以及地面指挥人员的英勇事迹后来被搬上银幕,即电影《阿波罗13号》。

(4)“阿波罗14号”

“阿波罗13号”的事故使美国国家航空航天局对登月计划的信心产生了动摇;洛威尔在返回地球途中甚至说“阿波罗13号”将是很长时间内的最后一次月球任务,但“阿波罗14号”的三位宇航员拯救了阿波罗计划。

1971年1月31日,“阿波罗14号”成功发射,登月点仍是13号的弗拉·毛罗高地。踏上月球后,谢泼德的第一句话是:路途十分遥远,但我们还是到了。

(5)“阿波罗15号”

“阿波罗15号”是阿波罗计划中的第九次载人任务,是历史上第四次成功登月的载人登月任务。与前几次登月相比,“阿波罗15号”在月球上停留更久,进行了三次较长的月表行走,科学研究的比例也更大。

指令长大卫·斯科特和登月舱驾驶员詹姆斯·艾尔文在月球表面的哈德利溪和亚平宁山脉停留了66小时54分钟,在登月舱外的时间总长为18小时35分钟。由于两位宇航员驾驶着历史上第一辆月球车,这使他们在月球上穿越的距离比前几次任务遥远了很多。他们一共收集了约77kg的月球岩石标本。斯科特和艾尔文在月球表面期间,指令舱驾驶员阿尔弗莱德·沃尔登留在指令舱中环绕月球,使用全景相机、伽马射线光分计、绘图相机、激光高度计、质谱仪以及任务后发射的子卫星等科学仪器对月球表面环境进行了详细的研究。

“阿波罗15号”的一些纪录包括:送入地球和月球轨道有效载荷最大;航天器首次携带科学仪器模块;首次使用月球车;首次使用月表导航设备;首次在月球轨道投放子卫星;首次在返回地球途中进行舱外活动。

(6)“阿波罗16号”

“阿波罗16号”于1972年4月16日发射,登月点是笛卡尔高地。4月20日,航天器进入月球轨道,登月舱与指令舱分离后,指令舱的服务推进系统曾出现问题,指挥中心曾想到取消登月计划;但考虑到问题不大,早已分离的登月舱也已经在降低高度准备登月,登月得以顺利进行。但为了保险,月表任务完成,登月舱与指令舱重新对接后环绕月球一天的计划被取消。

“阿波罗16号”在月球表面的3天中收集了94.7kg的岩石标本,其中有一块的质量达到了11.7kg,是所有月岩标本中最重的。4月24日,指令舱在月球轨道中投放了一颗重达36.3kg的卫星,对月球磁场以及太阳粒子进行研究。34天里环绕月球轨道425周。“阿波罗16号”第二次使用了月球车,宇航员约翰·杨和查尔斯·杜克驾驶它达到了18km/h的速度,这是月球车的速度纪录,被收入了《吉尼斯世界纪录大全》。

(7)“阿波罗17号”

“阿波罗17号”是阿波罗计划中的第十一次载人任务,是人类第六次也是迄今为止最后一次成功登月的太空任务。“阿波罗17号”是阿波罗计划中唯一一次夜间发射的任务。阿波罗计划中的唯一一位科学家、地质学博士哈里森·施密特在“阿波罗17号”中担任登月舱驾驶员。他和塞尔南在三次月球行走中共收集了111kg的岩石标本。

“阿波罗17号”创造了阿波罗计划中的很多纪录,包括最长的登月飞行、最长的月表行走时间、收集了最多的月球标本、在月球轨道中航行了最长的时间。

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