月球,地球最近的天体,充满着诗意和远方,最终将是带着人类驶向浩翰宇宙的诺亚方舟。——孙志浩
第二讲:月球上没有发射场,也没有发射台,宇航员们是怎么离开月球返回地球
月球上没有发射站,却有发射台,鹰号登月舱的返回舱就是从这个发射台上发射升空,回到在月球轨道接应的指令舱的。
载人登月的返回技术关键在于“鹰”号登月舱,它的舱体分上下两个部分,上面部分叫上升级,下面部分叫下降级。
这个登月舱在地球重力下为14.7吨,宽4.3米,最大高度约7米。
下降级主要用于登月舱脱离轨道舱下降时起作用,由着陆发动机、4个仪器舱、4条着陆腿组成。
上升级是登月舱的主体,能容纳2名宇航员,下降时和返回时,宇航员都在这个舱内。上升级由宇航员座舱、返回发动机、推进剂贮箱、仪器舱、控制系统组成,有导航、控制、通讯、生命维持保障、电源等设施。
事实上为了节省空间降低重量,里面连宇航员的座位也没有设置,因此所谓“座”舱,实际上只是“站”舱,两位宇航员在登月和返回时都是站立在里面的。
宇航员在月球完成任务后,就将采集的月球样本搬进上升级舱内,进入舱内,启动发动级升空。
这时,上升级就与下降级分离了,而下降级成为上升级的发射架。这在当时是一项关键技术,尤其是整体断开上下级各种连线,稍有差池就会舱毁人亡。
这个登月舱的主要数据指标引用如下:
上升级
乘员: 2人
成员舱容积: 6.65 m³ (235 ft³)
高:3.76米
直径:4.2米
最大燃料装载量: 4,670千克
舱内气氛:100%氧气250毫米汞柱(33 kPa)
供水:2个19.3公斤(42.5磅)水罐
冷却剂: 11.3公斤(25磅)乙二醇乙酸脂/水溶液
反作用力控制系统推进剂量:287公斤(633磅)
反作用力控制系统推进器:16个推进器,4套,每套4个,每个提供445N推力
反作用力控制系统推进剂: N2O4/UDMH(四氧化二氮/不对称二甲肼)
反作用力控制系统比冲量: 2.84 kN·s/kg
上升级推进系统推进剂量:2353公斤(5187磅)
上升级推进系统推进器: 15.6kN (3,500 lbf)
上升级推进剂:N2O4/航空肼50 (不对称二甲肼/联氨)
APS pressurant: 2个2.9公斤氦气罐,罐压21MPa
发动机比冲: 3.05 kN·s/kg
推重比: 0.34 lbf/lb (3.3 N/kg)
Ascent stage delta V: 2,220 m/s (7,280 ft/s)
电池: 2套296 A·h银锌电池
电源: 28V直流电, 115V 400Hz交流电
下降级
高:3.2米
直径:4.2米
支撑腿跨度: 9.4 m (30.8 ft)
最大燃料装载量: 10,334 kg (22,783 lb)
供水: 1个151公斤水罐
供电: 2套296 A·h银锌电池(次系统)
推进剂量: 8,165 kg (18,000 lb)
下降级推进系统推力: 可调范围为45.04 kN (10,125 lbf)~4.56 kN (1025 lbf)
下降级推进系统推进剂: N2O4/航空肼50 (不对称二甲肼/联氨)
DPS pressurant: 1个22 kg超临界氦罐,罐压10.72 kPa.
发动机比冲: 3050 N·s/kg
Descent stage delta V: 2,470 m/s (8,100 ft/s)
电池: 4套400 A·h银锌电池
由于月球重力只有地球的六分之一,而且上升级满载负荷只有4顿多,其中主要是燃料,这样,起飞就不需要庞大的发射装置了。
经过精准的计算,登月舱上升级精确点火,与下降级断开,载着完成任务的宇航员回到月球轨道,与在那里等候的指令舱对接,然后宇航员爬进指令舱,丢弃登月舱,启动服务舱发动级,回家了。
请注意,每次登月,登月舱都会被抛弃,其中下降级留在了月球,上升级丢弃在月球轨道,最终也掉落在月球上。
上世纪执行载人登月的飞船是阿波罗号,飞船分为三个部分,即指令舱、服务舱、登月舱。
指令舱是宇航员们生活和工作的舱室,也是全飞船的控制中心,是个圆锥体,高3.2米,重约6吨,直径最大处3.9米。除了有10台姿态控制发动机以及各种仪器设备,还有宇航员生活14天的必需品和救生设备。
阿波罗飞船返回地球轨道后,指令舱就变成返回舱,与服务舱脱离,载着宇航员返回大气层,最终在降落伞帮助下溅落在海上,由等候在那里的接应人员救起。
服务舱为圆筒形,高6.7米直径4米,重25吨,装置有主发动机和由16台火箭发动机组成的姿态控制系统。实际上服务舱主要作用就是飞船往返月球的运载系统,返回地球轨道,返回舱与服务舱脱离后,服务舱就被丢弃在地球轨道,成为太空垃圾。
实际上每次登月,最终回来的就是那个圆锥形的指令舱。
登月舱安装在指令舱前面,飞船到达月球轨道后,登月舱按计划与指令舱分离,启动发动机向月表降落。
两位航天员乘登月舱登月,一位航天员在指令舱绕月飞行,等候接应登月的宇航员回归。