新颖奇妙的载人登月方案和工具

文 / 天兵

整个阿波罗载人登月工程历时约11年，到1972年12月第6次登月成功结束，耗资255亿美元（相当于现在的约2000亿美元）。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，总人数约40万，集中体现了现代科技的水平，推动了航天技术的迅速发展。

奇妙的登月方案

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日肯尼迪总统正式宣布美国将实施阿波罗登月计划时，美国宇航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紧张研究和详细论证，才于1962年最终选定月球轨道对接法。实践证明，这一方案是科学、有效的，花这么多时间来研究和确定它是值得的。它使载人登月获得了成功，没有走弯路，对当今美国“重返月球”计划也有重要借鉴意义。

▲ 登月舱上升级与指令舱-服务舱组合体在月球轨道上交会

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，进行月面探险。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，并进行科学实验。返回时，在月面上的2名航天员启动登月舱的上升级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。这种方法的好处时只需在月面上降落小型登月舱，但在轨对接的成功与否直接决定了航天员的生命安全。

看到这里，可能有些读者会问：为什么不采用直接登月法，即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月尘中。

美国著名航天专家冯·布劳恩及马歇尔航天中心则偏爱另外一种方法——地球轨道对接法，即先发射几枚土星5号火箭，把大型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朝月球飞去；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。

经过众多科学家对上述3种呼声很高的方案进行反复比较、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约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。

月球轨道对接好

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：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

▲ 抛弃登月舱，指令舱-服务舱组合体准备返回地球

▲指令舱-服务舱组合体进入环绕地球飞行轨道，在进行了最后的轨道修正后，和服务舱分离

▲ 阿波罗载人飞船登月路线图

（4）经济性较好，这一点胜于直接登月法和地球轨道对接法。

美国宇航局于1962年7月11日举行了记者招待会，将登月方案的最后决策公诸于世。这次招待会，向外界通报了最终批准的月球轨道对接登月方案。

“土星5号”是基础

在冷战时期，美苏在载人登月领域开展了激烈的竞争，特别是在重型运载火箭研制方面的竞争达到了白热化，因为发射载人飞船必须使用近地轨道运载能力达100吨以上的重型运载火箭。最终美国成功研制和发射了土星5号运载火箭，实现载人登月，而苏联由于N1重型运载火箭4次发射失败，未能载人登月

“土星5号”是一种3级液体火箭。它全长110.64米，最大直径10.06米，起飞质量2945.95吨，起飞推力34029千牛，近地轨道运载能力127吨，地月转移轨道运载能力约50吨。其第1级火箭采用液氧/煤油作推进剂，装5台F-1液体火箭发动机，即中间装1台，四周装4台，总推力34029千牛；第2级采用液氧/液氢作推进剂，装5台J-2氢-氧液体火箭发动机，中间1台，四周4台，总推力5148千牛；第3级也采用液氧/液氢作推进剂，装1台J-2发动机，推力为902千牛。

在1972年12月7日“土星5号”发射了最后一艘“阿波罗”——阿波罗17号载人登月飞船后，该重型火箭又于1973年5月14日把美国第一个空间站“天空实验室”射入轨道。此后，这一“巨无霸”因无用武之地而退役了。

▲ 整装待发的土星5号重型火箭

▲ 阿波罗17号航天员进行舱外活动

登月飞船

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。“阿波罗”是人类发射的第一种、也是目前唯一的登月式飞船，构思十分巧妙。其技术对今天将要进行的月球基地建设和载人火星探测也有重要的参考价值。

“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。其中类似卫星式飞船返回舱的指令舱是航天员生活和工作的地方，也是全飞船的控制中心；相当于卫星式飞船推进舱的服务舱装有主发动机、姿控和电气系统；特设的登月舱由下降级和上升级组成，用于降落到月球表面和离开月面。

指令舱为圆锥形，高3.5米，底部直径3.9米，重约6吨，舱内充以34.3千帕的纯氧，温度保持在21℃~24℃。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，还有姿态控制、制导导航及船载计算机和无线电分系统等。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。

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。服务舱的前端与指令舱对接，后端有推进系统主发动机喷管。该舱又分6个隔舱，分别容纳主发动机、姿态控制系统等，其中姿态控制系统由16台小火箭发动机组成。它们还用于飞船与第3级火箭分离、登月舱与指令舱对接和指令舱与服务舱分离等。

▲阿波罗载人登月飞船结构

▲指令舱

▲阿波罗9号飞船首次携带了登月舱，并进行了分离与对接试验

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、推进剂贮箱、仪器舱和控制系统组成，在登月过程中，2名航天员在这里生活和工作，完成任务后航天员乘上升级返回环月轨道与指令舱会合。

▲在模拟月球表面地质场地，航天员进行驾驶月球车训练

▲航天员驾驶月球车在月面上行驶自如

阿波罗飞船沿用了水星号飞船的发射救生系统，目的是在运载火箭第2级工作前20秒内，如果发生紧急事故，该系统可将指令舱弹出并安全回收。

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。

能载人的月球车

1971年7月—1972年12月，美国先后发射了阿波罗15号、16号和17号载人登月飞船，它们各自装有一辆折叠式载人月球车，并且基本相同，均可在月面低重力、真空环境中行驶，从而扩大了航天员的舱外活动范围。

每辆月球车质量约210千克，长3米，轴距2.3米，高1.1米，有4个轮子（每个轮子各由一台发动机驱动，靠蓄电池提供动力，轮胎在－100℃低温下仍可保持弹性），电源采用银锌氢氧化钾一次性电池，行驶速度为10～12公里/小时，能携带约490千克的有效载荷。车上装有2个并排的可折叠座位，每个座位有可调节的踏板和安全带。车前端桅杆上装有大型网状碟型天线。航天员通过位于两个座位之间的T形手动控制器来控制漫游车。手柄前部有一个控制与显示模块，显示当前的速度、方向、电源和温度情况。

月球车的最高时速可达16公里，航天员驾驶着它在月球表面巡游，以车代步，爬越障碍，翻越沟壑，对山脉、峡谷和火山口进行了考察，并把激动人心的彩色图像传回地面。

阿波罗15号的月球车总共行驶了27.76公里，总时间为3小时2分钟，收集了约77千克月球样品。

阿波罗16号的月球车总共行驶了26.55公里，总时间为3小时26分钟，收集了约96千克月球样品。

阿波罗17号的月球车总共行驶了35.89公里，总时间为4小时26分钟，收集了111千克月球样品。在阿波罗17号任务中，由于月球车和航天服的可靠性增加，缓解了月球车行驶距离的局限，所以航天员驾驶月球车行驶的距离最长。

航天员使用月球车时会受到微粒非常细小的月球尘埃影响。月球尘埃会使轴承、齿轮和密封的其他机械结构产生磨损。另外,在月球车行驶时，由于月面引力小，所以从车轮下喷溅出来的尘埃数量巨大，高度超过2米，对航天员执行巡视任务产生了一定影响。

整个阿波罗工程就是靠上述这些利器实现了人类登月的梦想。