评说阿波罗计划中着陆起飞技术

        20世纪60年代到70年代，美国实施了“阿波罗”（Apollo）载人登月计划，共有12名航天员着陆月面。虽然我们都很熟知阿姆斯特朗的那句名言：“That's one samll step for man, one giant leap for mankind”。但是大家未必清楚老鹰号登月舱是如何着陆月球和起飞的，下面重点从技术层面进行介绍：

（一）着陆起飞飞行过程

        阿波罗计划中共有3名航天员，其中2名航天员乘坐老鹰号登月舱着陆，1名航天员留在飞船中绕着月球飞行。整个下降过程可以分为3个阶段：

• 主减速段：老鹰号登月舱是从离月面15.24km的高度开始进行减速下降，这个阶段主要是登月舱的下降级发动机工作，尽量降低登月舱的着月速度；同时通过制导律的设计，尽量降低与预定登月点的精度偏差；

• 接近段：登月舱在接近段主要功能是航天员观察月面地形，进行粗避障，通过舷窗目视，尽量避开月面的障碍物，选择平坦的地区着陆；由于登月舱下降级的燃料已经消耗在主减速段，这个阶段需要下降级发动机逐渐变小推力进行工作；

• 着陆段：登月舱在着陆段主要功能是航天员观察月面地形，进行精避障，手控操纵登月舱降落在安全的着陆区。其中包括悬停段，主要为航天员进行手控操纵避让月面的石头和坑提供时间。

  从阿波罗6次成功的登陆月球任务来看：整个下降过程的速度增量约2100-2300m/s，很多设计师往往忽略了悬停段和着陆段登月舱速度增量的消耗量，这是系统设计的大忌，需要注意。

  
  

  
  

   阿波罗登月舱的上升过程类似于单级火箭的发射过程，包括垂直上升段和轨道进入段两个阶段。

• 垂直上升段：从登月舱上升级与下降级解锁开始，上升级发动机点火起飞，几秒后加入制导率，调整上升级的飞行方向，去追赶环绕月球飞行的飞船；

• 轨道进入段：登月舱的上升级进入飞船的飞行轨道面内，建立与飞船进行交会对接的初始姿态。

从阿波罗6次成功的月球起飞任务来看：前两次任务是用登月舱的上升级来追赶环月飞行的飞船，但是后4次任务调整了方案，环月飞行的飞船可以主动调整平面来迎接月面起飞的登月舱上升级，从而降低了月面起飞的精度要求，放宽了月面上升的窗口。

（大家有没有想起《火星救援》任务中，女舰长改变火星环绕飞船的轨道高度来迎接乘坐已经拆得只剩空壳的火星上升级起飞的航天员的镜头呢？这么设计方案的好处不言而喻了吧？）

（二）老鹰号月球着陆器概况

      老鹰号登月舱的图片大家见过很多了，这张原理性的系统设备组成图大家少见吧？老鹰号登月舱是两级构型的登月舱，包括上升级和下降级，登月舱高7m，着陆腿的展开跨度是9.5m，有4条腿。这是什么概念呢？也就是说相当于一间三层楼高的一居室房子要降落到月球上！这里面能居住的有2名航天员，月面可以支持停留3天，在这个登月舱中能够提供给航天员居住的密封舱是4.5立方米，整个登月舱推进剂加满状态下约17吨，大概是无人月球着陆器的10倍重！想把这么个大家伙稳稳的降落在月球着陆区的安全区里，还是不容易的吧？

    在登月舱上升级里，主要包括航天员密封舱以及推进系统，主发动机为1台15.5kN的常规推力发动机，姿控发动机为16台445N的发动机；在上升级的顶部安装有一套交会对接机构，对接雷达，天线还有光学望远镜等；

   在登月舱下降级里，主要包括1台46.7kN的10：1变推力的主发动机，下降级除了主结构外还安装有推进剂的贮箱，以及4条着陆腿；此外还有安放月球车的空间，仪器舱等。下降级上还安放有航天员出舱的平台和梯子。

（三）月面着陆区域情况

      阿波罗计划的12名航天员乘坐老鹰号登月舱一共6次着陆在月面，主要着陆在月面的低纬度地区。下表给出了6次着陆月球的情况，从着陆月球的精度和接触月面时推进剂的剩余情况能看出什么吗？

    阿波罗每次计划都有预先选定的着陆点，登月舱在下降的过程中需要不断的调整自身的姿态去靠近着陆点，这个就要需要设计适当的制导律及依靠发动机的变推力能力来调节。第一次任务时月面落点精度控制并不理想，且推进剂几乎消耗殆尽了，在后面的几次任务时调整了月面下降的控制策略，显著节省了推进剂，剩余推进剂可供悬停的秒数，实际上代表了航天员可以手动避障选址的能力，剩余的越多表示航天员可以选择的区域范围越大。从阿波罗工程总结报告的分析情况来看，在工程实施到第5次任务以后，着陆月球的控制方案已经很成熟了，落点范围基本在月球赤道南北纬26度以内。

（四）小结

        虽然阿波罗计划是美国上个世纪70年代完成的，但是以我们今日中国航天技术的实力来看它还是有几个了不起的地方：

1. 出色的变推力下降级发动机：老鹰号下降级发动机的10：1双摆变推力能力是确保月面着陆精度的重要保障，整个登月舱的姿控只有上升级上安装了16台445N的姿控发动机，选址避障的能力实现基本全靠这台发动机；常规发动机的10：1变推力能力至今令人敬仰！

2. 出色的干重比：老鹰号登月舱的结构质量占整个重量的占比类似于火箭的上面级，在上个世纪70年代计算机还不发达的情况下，飞行器所承受的力学载荷条件他们是如何计算的？结构和材料技术也远远落后今日的情况下，他们是怎么设计安全余量的呢？曾听人说阿波罗登月舱地面总装时都铺着红毯子，生怕手中掉落的刀具击穿了登月舱的地板，当时的结构工程师又是冒着怎样的风险来设计呢？

3. 较低的飞行可靠性：阿波罗全任务的飞行可靠性仅有0.5，也就说每两次任务中会有一次失败，但是实际飞行的情况是7次任务中仅1次任务是“成功的失败”，其它的任务都圆满成功回来。整个飞行任务的指挥官冒着怎样的风险来指挥和决策的呢？

        阿波罗工程是人类文明史上最伟大的工程，是人类文明的奇迹。它把这个世纪10年的工程抽到了上个世纪70年代并顺利成功地完成了，从而创造了一段至今无人超越的航天奇迹！以我们航天工程师的专业眼光来看，这里面充满了智慧和激情，也充满了美国人的冒险精神，令人无比的敬仰！

     即使航天技术飞速发展到今天，我们需要向阿波罗工程学习的不仅是工程技术能力、项目管理能力，更重要的还有理念！！这是实施民族之魂工程的最重要的前提条件！

【作者：果琳丽，中国空间技术研究院，研究员】

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