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月球上并没有发射基地,阿波罗飞船是怎么返回地球的?

news.xixik.com   2020-9-27 19:16:34 资讯来源:嘻嘻网   字号控制:[ ]
核心提示:月球上并没有发射基地,没有强大的火箭,阿波罗号是如何返回地球的?毕竟发射阿波罗登月飞船的土星五号火箭发射时巨大的发射架大家是有目共睹的,那么阿波罗从月面返回时并没有如此发射塔架可以利用,它是怎么从月面重新起飞并返回的?

50年前,阿波罗11号的宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林先后踏上月球的土地,实现了人类登月的壮举。他们在月表上活动了2.5小时之后回到登月舱,随后乘坐上升级离开了月球。在阿波罗11号之后,还实现了5次载人登月任务,另有10位宇航员登陆月球,并以同样的方式离开月球。

在月球上,并没有发射场,也没有运载火箭,这些宇航员在登月后是怎么返回地球的呢?

这可能是很多小伙伴心中的疑虑,毕竟发射阿波罗登月飞船的土星五号火箭发射时巨大的发射架大家是有目共睹的,那么阿波罗从月面返回时并没有如此发射塔架可以利用,它是怎么从月面重新起飞并返回的?

中国历史朝代表

美国上世纪六七十年代成功实施了载人登月工程,这一壮举震惊世界。阿波罗系列载人登月飞船和用于发射飞船的土星五号运载火箭名声大噪,而用于发射土星五号,位于卡纳维拉尔角肯尼迪航天发射中心的39号发射台也格外引人瞩目。

一、发射阿波罗飞船的土星五号为什么要那么大?

一般的送往近地轨道的飞船火箭并不需要如此巨大的发射火箭,确实如此,因为它们只需要到达近地轨道然后再返回!那么阿波罗登月飞船是如何的结构呢?

一艘完整的阿波罗飞船总共有四部分组成,分别是服务舱、指令舱以及登月舱的上升级和下降级,如果只是环地球轨道,那么只需要一个指令舱即可,但这是去月球,来回加上月面活动的时间需要十几天,而且总共四个部分组成的总质量高达40多吨,在当时的条件下,也只有土星五号那巨大推力的火箭才能将阿波罗飞船成功送入环月轨道!

土星五号全长110多米,起飞重量3038吨,起飞推力3400吨,相当于把一艘中型驱逐舰送上太空,速度至少达到7.9千米/秒。这样大的质量和推力,当然需要一个庞大的发射基地和塔架了,所以在地球发射航天器必须先修建发射场。那么问题来了:阿波罗载人登月的登月没问题了,那是从地球的发射基地起飞的,但月球没有提前修建发射基地设施,没有发射塔架,那登月后从月球如何起飞返回地球?为了解释这个问题,咱们先来看看阿波罗飞船的结构组成和如何登陆月球的。

阿波罗飞船由指令舱、服务舱和登月舱组成,总质量47吨,高约16米。中间的指令舱呈圆锥形,是宇航员主要生活和工作的空间。左边服务舱则是携带推进剂和设备仪器的舱段。登月舱对接在指令舱端,登月时与指令舱分离,独自登陆月球。

二、从月面返回的飞船是哪一部分?

上图是登月舱的上下结构,两部分是独立的,但下降时候是连在一起,因为下降时用的下半部分缓冲着陆,上升段则是返回时直接从下降段上起飞!整个登月舱总共约14-15吨,但很明显上升段并不会全部带回这个质量!另外还有一个重要的数据是:

地球的环绕速度:7.9千米/秒

月球的环绕速度:1.4千米/秒

很明显与地球比起来,月球更容易达到环绕速度,为什么不是逃逸速度?因为登月飞船的上升段只要到轨道和指令舱对接即可,真正回到地球的是指令舱而已,登月舱被遗弃在月球轨道,最后到达地球时服务舱也被遗弃在地球轨道!

因此与发射出去时40几吨的总质量比较,从月球起飞时10吨都不到,而且月球引力比较小,起飞火箭推力要求低!

第二个原因就是月球没有大气层,没有大气层也就意味着没有空气阻力,能够省下很多推力。所以从月球起飞比地球容易得多。

下面说一下登月舱是如何从月球起飞的以及不同于地球发射的原因。

看见图中的登月舱了吧?登月舱由下降级和上升级组成,落月时它们是一起落月,主要利用下降级的着陆发动机悬停反冲软着陆月面。下降级就是图中下方用金色箔纸包裹的部分,上升级就是上面白色的舱室。其中下降级就是阿波罗飞船登月舱飞离月球的发射架。

宇航员在完成月面任务后登上舷梯进入白色的上升舱段内,上升级携带发动机和推进剂(登月舱净重4.1吨,加上推进剂总重14.7吨,其中推进剂10.1吨,分配于下降级和上升级),相当于一枚小型载人运载火箭。飞离地球时,上升级以下降级为发射架,点火起飞,载着两位宇航员缓缓上升。

为什么在月球上不像在地球上那样,发射火箭必须在发射基地用发射塔架呢?这是因为月球的引力只有地球的1/6,同样的发射质量只需要1/6的力量就能达到同样的加速度。同时火箭也用不着携带大量的推进剂以至于变成个庞然大物。同样的载荷,火箭质量可不是仅仅减少为原来的1/6,这里面有复杂的计算公式,这里就不多说了。总而言之发射架承受的力大大减轻,所以在月面起飞只需简易的发射架即可。

离开地球与离开月球也有不同

从地球出发的飞船是重装上阵的,搭载大量的物资、仪器设备,所以登月飞船非常重,如阿波罗11号就重达45多吨,从地球出发需要 土星五号这样的运载火箭。但是当45吨重的飞船达到月球轨道以后,并不是整艘飞船直接登陆到月球表面的。因为登月飞船包括指挥舱、服务舱和登月舱3个部分,而登月舱又包括下降级、上升级,其中登月舱加起来大约为14吨。

当准备登月时,飞船就会释放着陆舱将下降级、上升级、宇航员送上月球表面,而服务舱、指挥舱留在月球轨道。也就是说,登陆到月球表面的舱段(包括下降级、上升级)加起来只有14吨了,并不是45吨。如果整艘45吨的飞船登陆到月球表面,就目前的科技来说,是没法从月球表面起飞的,实在是太重了。

而当宇航员完成月球表面任务,就会乘坐登月舱的上升级发射升空,这时候登月舱的下降级,还有月球车等设备都会被抛弃在月球上。很明显,从月球发射升空的只是一个搭载宇航员的上升级,再加上从月球表面进入月球轨道的时间很短,所以上升级所搭载的各种物资(氧气、水这些)也不会很多,所以这个上升级的质量非常小。在月球表面发射数吨重(甚至更轻)的上升级,只需要加大推力就可以升空了。在进入月球轨道后,就会与在轨道等待的服务舱、指挥舱进行对接,最后一起返回地球。

再说一下阿波罗飞船是如何返回地球的

请注意底部的下降段就当成了临时的发射台!也许各位并没有看到如地面火箭发射时候所发出的大量烟火的场景,这跟火箭尾焰在真空中扩散方式以及燃料性质是有关系的,起飞瞬间各位可以看到火焰,并且临时发射台上杂物乱飞!起飞后其实发动机一直在工作,但并没有朝着摄像头,因此我们无法见到尾焰,不过这个视频并没有到此结束,而是还有挺长一段时间,能看到一直到飞船转弯时候尾喷口对着摄像机时的火光!

好了,咱们接着说从月面起飞后的过程:上升级速度逐渐达到1.5千米/秒(差不多只是地球第一宇宙速度的1/6――1/5)的月球第一宇宙速度后,开始环绕月球,寻找月球轨道上的阿波罗飞船的指令舱和服务舱组合体,然后和组合体对接,宇航员从登月舱上升级转移到指服组合体。然后再抛掉登月舱上升级,调整指服组合体航向开始返回地球,经过三天的飞行后,在进入地球大气层前(三名宇航员早就在指令舱中就坐),抛掉服务舱,指令舱带着三名宇航员以近第二宇宙速度(11.2千米/秒)采用弹跳式二次再入大气层的方式返回地球,平安降落大洋中。

月球上是没有先期建造的火箭发射塔,但这并不意味着就不能发射火箭。登月舱并没有存储了往返地球和月球的燃料,只有往返月球表面和月球轨道的燃料。阿波罗计划的登月方案并非是直接的地月往返,而是利用月球轨道作为中转。

飞向月球的飞船由三部分组成,分别是指令舱、服务舱和登月舱。在飞船到达月球轨道之后,登月舱会跟指令舱/服务舱分离。一名宇航员会驻留在指令舱/服务舱上绕着月球飞行,另外两名宇航员则会驾驶登月舱着陆月球。

登月舱又分为下降级和上升级,这两级使用的氧化剂都是四氧化二氮,燃料都是航空肼50,下降级的推力为45千牛,上升级的推力为16千牛(详细数据见NASA)。在登月过程中,下降级的发动机会启动,使得登月舱可以着陆在月球上。而当宇航员完成任务离开月球时,他们会进入登月舱的上升级中,下降级作为发射塔留在月球上,上升级的发动机启动可以把宇航员带离月球。

由于月球上几乎没有大气,并且引力也比地球上弱得多,所以月球上的第一宇宙速度只有1.7公里/秒。虽然登月舱上升级的推力并不大,但它也能够飞离月球,进入月球轨道中,与在轨运行的指令舱/服务舱进行对接。

此后,登月舱上升级会被留在月球轨道上,三名宇航员乘坐指令舱/服务舱飞向地球。再入地球大气层之前,服务舱会分离,最后只有指令舱带着宇航员返回地球。

这是阿波罗11号、12号、14号、15号、16号和17号载人登月飞船返回地球的方式。

如果没法返回地球怎么办

除了阿波罗13号飞船因事故中途中止登月外,其余6艘登月飞船都成功将宇航员送上月球表面并顺利返回地球,这6艘登月飞船的成功率达到100%,但并不是说登月是没有风险的。那如果登月宇航员没法返回地球怎么办?

可能会有一些朋友认为,宇航员会像《火星救援》的画面中那样一边在月球表面种植马铃薯这些食物,一边等待地球发射新飞船进行救援。事实上,这样的情况不会发生在月球上。因为登月所需时间很短,如阿波罗登月任务一般只有数天时间,因此飞船搭载的食物都很简单,也很少,并没有能够在月球表面种活的马铃薯这些能够成活的食物。

而且,登月任务持续时间较短,也意味着飞船搭载的饮用水、氧气、电力都比较有限,没法满足宇航员在月球表面长时间生存需要。最关键的是,在地球表面并没有备用的救援飞船、火箭的,当宇航员确定没法返回地球时,在极短的时间内是不可能打造一枚大推力火箭、一艘救援飞船的。当造好救援飞船、火箭后,宇航员早已耗尽仅有的氧气、食物了,结局大家也可以想得到了。

不过,随着科技的发展,未来我们人类会在月球打造月球基地,甚至在月球基地内种植各种农作物。就算未来飞船在返回地球时出现故障,宇航员还是能够在基地内住上一段时间,等待救援飞船的到来。

阿波罗13号返回地球的方式稍有不同,因为在发射后第三天服务舱氧气罐发生爆炸,炸掉了一半服务舱。

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指令舱氧气也开始泄露,登月已不可能,这时离地球32万公里。美宇航局地面指挥中心果断决定利用登月舱载三名宇航员返回地球,先是继续飞向月球绕转到月球暗面后启动登月舱,利用引力弹弓效应变轨进入自由返回轨道,阿波罗13号的三名宇航员克服重重困难最终来到地球大气层边缘,宇航局做了一个违反常规的做法:抛掉服务舱而不是登月舱,目的是为了给服务舱拍照以备事故调查。

三位宇航员这时也离开登月舱,进入指令舱重返大气层,然后再扔掉登月舱,最后乘坐指令舱平安溅落太平洋。

阿波罗13号指令舱平安溅落太平洋

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