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登月艙
月球載送宇航員往返的交通工具
登月艙是用來載送宇航員在月球軌道上的飛船和月球表面之間往返的交通工具。由于月球上沒有空氣，登月艙只能用火箭引擎推送，并可像直升機一樣作垂直升降。登月艙在月面時，上升、下降段合二而一，但從月球表面再度起飛時，保有上升段起飛，下降段則是發(fā)射架，發(fā)射完畢后置留于月球表面。
基本信息
| 中文名 | 登月艙 |
| 作用 | 載送宇航員往返月球和地球之間 |
| 組成 | 上升段和下降段 |
| 型號 | 阿波羅11號 |
| 外文名 | Lunar module |
簡介
組成
登月艙從起飛到入軌這一段稱為動力上升段，它又可以分為垂直上升段和軌道進入段。當垂直起飛一定時間或者達到一定速度的時候，由垂直上升段轉(zhuǎn)入軌道進入段，開始進行制導(dǎo)。上升段有乘員室，氣溫24度，室內(nèi)充滿1/3大氣壓的純氧。載人登月艙上升段有臥室和立式兩種結(jié)構(gòu)。上升段采用臥式結(jié)構(gòu)與立式結(jié)構(gòu)相比有明顯的優(yōu)點，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）在同等體積的情況下臥式結(jié)構(gòu)可以提供更大的地板空間；（2）臥式結(jié)構(gòu)可以為航天員提供更好的視角；（3）更易于航天員舒展肢體；（4）提供承受推進劑貯箱載荷的結(jié)構(gòu)（立式結(jié)構(gòu)在一個方向上比較弱）。下降段裝有登月艙向月面降落減速使用的逆噴射火箭，備有火箭的燃料、氧化劑槽、水和氧氣槽，還有調(diào)查月面的科學(xué)儀器。下降段主要包含推進系統(tǒng)和完成月球軌道插入、月面降落和著月過程所需的推進劑。
關(guān)鍵技術(shù)
級間分離關(guān)鍵技術(shù)分析
載人登月艙上升段和下降段通過機械連接形成一個整體結(jié)構(gòu)，上升段返回時，將與下降段斷開。盡管我國“嫦娥”探月三期將突破返回艙返回任務(wù)，但是載人登月艙上升段和下降段之間除了機械連接外，還包含與航天員任務(wù)密切相關(guān)的連接電纜，用于將儲存于下降段的水和氧氣輸送給環(huán)境控制系統(tǒng)的氣體、液體通道，并且提供冷卻液的循環(huán)回路。因此返回前，上升段和下降段分離時不僅僅需要解除機械連接，還要切斷連接電纜、氣體、液體連接通道，而且需要對液體通道斷面處進行密封。
通常情況，級間分離技術(shù)包含三個方面：（1）上升段和下降段之間的機械連接斷開關(guān)鍵技術(shù)。針對級間機械連接的斷開廣泛采用的是爆炸螺栓，我國“嫦娥”三期及“阿波羅”工程均采用爆炸螺栓斷開機械連接。通常情況下登月艙上升段與下降段之間采用四個爆炸螺栓進行連接，爆炸螺栓具有承載能力大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用方便的優(yōu)點；（2）上升段和下降段之間的連接線纜斷開關(guān)鍵技術(shù)。登月艙上升段與下降段級間分離除了上述機械連接斷開外，還包括與航天員密切相關(guān)的連接線纜及氣液通道斷開技術(shù)。綜合前期載人登月及我國載人航天研究成果，通常情況下級間連接線纜的斷開可以采用級間纜線斷開器，級間氣體、液體通道的斷開可以采用氣液通道斷開器；（3）上升段與下降段氣液通道斷面的自動密封關(guān)鍵技術(shù)。載人登月艙上升段及下降段電纜線、水供應(yīng)通道、氧氣供應(yīng)通道等斷開后，斷口處的自動密封裝置必須具有高度可靠性，否則會嚴重威脅航天員的生命安全。對月球登月艙來說，氣液通道斷開面一般位于分離機構(gòu)處，用爆炸螺栓通過分離機構(gòu)將上升段和下降段連接起來，分離時爆炸螺栓引爆，分離機構(gòu)沿分離面斷開，分開的氣液通道端面根據(jù)需要應(yīng)能自動密封，避免發(fā)生氣體和液體的泄露。自動密封裝置具有結(jié)構(gòu)簡單和穩(wěn)定可靠的特點，“阿波羅”采用的是壓縮式雙密封裝。
軟著陸關(guān)鍵技術(shù)
實現(xiàn)月面軟著陸且保證航天員安全是整個探月任務(wù)中最關(guān)鍵的技術(shù)之一，能否使登月艙穩(wěn)定、安全的著陸在月面上直接關(guān)系到整個探測任務(wù)的成敗。航天器實現(xiàn)軟著陸的方式有很多，應(yīng)用于航天器軟著陸的緩沖方式主要有以下幾種：降落傘、著陸緩沖火箭、緩沖氣囊、機械式緩沖器、壓縮式吸能緩沖器。美國和前蘇聯(lián)發(fā)射的無人月球探測器中，將機械式緩沖器和壓縮式吸能緩沖器組合起來作為軟著陸系統(tǒng)，而“阿波羅”載人登月計劃中，登月艙軟著陸系統(tǒng)采用的是壓縮式吸能緩沖器。在新一輪探月高潮中，各國對磁流變緩沖器、油氣緩沖器、金屬橡膠緩沖器等應(yīng)用于月球軟著陸的可行性開展研究。伴隨著新型緩沖材料的出現(xiàn)，尤其是半主動緩沖技術(shù)的應(yīng)用成熟，突破傳統(tǒng)的鋁蜂窩緩沖裝置，尋找簡易、可控、可靠性高的緩沖材料是未來載人登月軟著陸領(lǐng)域發(fā)展趨勢。
緩沖性能分析及耐撞性設(shè)計
航天器與航天員之間不斷地有動量和動量矩的交換，而這種相互作用在作用形式、作用規(guī)模、作用強度、作用位置和范圍、作用時刻和時間等方面，都是隨機的、不確定的，而且是高度耦合的。必須在載人航天器動力學(xué)模型中考慮航天員的作用和影響。
國內(nèi)對登月著陸器的研究主要針對不載人著陸器，并未考慮航天員的參與以及墜撞特性。對載人登月最后著陸過程而言，可能出現(xiàn)各種意想不到的情況，登月艙有可能發(fā)生傾覆或者墜撞，登月艙主要結(jié)構(gòu)是否不遭到致命的破壞，航天員能否利用上升艙返回，是極其重要的問題。因此需要對著陸器進行墜撞分析和耐撞性設(shè)計的研究。我國在這方面的研究尚處于起步階段，缺乏相關(guān)的全機墜撞試驗和仿真分析研究經(jīng)驗，更缺乏相關(guān)設(shè)計標準和試驗標準。
由于月球表面不是平坦的，登月艙著陸于有坡度的月面時，登月艙相對于著陸處的水平面也存在坡度，對載人登月艙而言，如果著陸后登月艙不是水平的，將會導(dǎo)致很多不便，可應(yīng)用柔性鉸鏈對登月艙進行自水平設(shè)計。對每條著陸腿使用柔性鉸鏈，并對柔性鉸鏈進行優(yōu)化設(shè)計，使登月艙能在一定的著陸坡度范圍內(nèi)保持接近水平的狀態(tài)。著陸器的重量與柔性鉸鏈的抵抗力矩共同作用使登月艙達到靜力平衡。登月艙柔性鉸鏈設(shè)計關(guān)鍵在于如何推導(dǎo)柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動剛度，并對柔性鉸鏈與機構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。針對柔性鉸鏈計技術(shù)早期使用試湊法，現(xiàn)多用基于拓撲結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)化分析與設(shè)計方法。主要有：剛體替換法（偽剛體模型法、結(jié)構(gòu)矩陣法）、連續(xù)法（拓撲優(yōu)化法、均勻化法、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)法、窗函數(shù)法、水平集法）、約束設(shè)計法、基于旋量理論的拓撲綜合法、模塊法等。
非對稱式載人登月艙設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)
登月艙總體具有對稱布局與非對稱布局兩種。探月領(lǐng)域所采用過的均為對稱布局。但是有關(guān)研究表明：在相同的可靠性、穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，非對稱登月艙相對于對稱登月艙可減少10%左右結(jié)構(gòu)質(zhì)量。
非對稱登月艙相對于對稱登月艙優(yōu)點歸納總結(jié)如下：（1）著陸腿非對稱分布有利于配平登月艙重心位置、便于機構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)簡單、便于運載同時容易適應(yīng)運輸空間裝載要求；（2）著陸腿非對稱分布形式的登月艙可以提高登月艙的著陸穩(wěn)定性，研究表明：非對稱四腿著陸結(jié)構(gòu)，相對于對稱四腿著陸結(jié)構(gòu)，該非對稱的四腿結(jié)構(gòu)一側(cè)的兩條腿向外伸長，將足墊與機體的軸線的距離增加了33%，這樣就在很大程度上提高了著陸穩(wěn)定性。同時非對稱登月艙可以適應(yīng)其他任務(wù)要求。
盡管對稱式登月艙仍然是探月的主流選擇，我國“嫦娥”二期、三期均使用對稱布局登月艙。但由于非對稱登月艙優(yōu)良的著陸性能，相對較輕的質(zhì)量同時適合較大規(guī)模登月艙尤其載人系列，國外研究已廣泛開展，其研究也取得階段性成果。
規(guī)格
登月艙
乘員：2人
成員艙容積：6.65m3（235ft3）
高：3.76米
直徑：4.2米
最大燃料裝載量：4,670千克
供水：2個19.3公斤（42.5磅）水罐
冷卻劑：11.3公斤（25磅）乙二醇乙酸脂/水溶液
反作用力控制系統(tǒng)推進劑量：287公斤（633磅）
反作用力控制系統(tǒng)推進器：16個推進器，4套，每套4個，每個提供445N推力
上升級推進系統(tǒng)推進劑量：2353公斤（5187磅）
發(fā)動機比沖：3.05kN·s/kg
推重比：0.34lbf/lb（3.3N/kg）
電池：2套296A·h銀鋅電池
電源：28V直流電,115V400Hz交流電
下降級：
高：3.2米
直徑：4.2米
支撐腿跨度：9.4m（30.8ft）
最大燃料裝載量：10,334kg（22,783lb）
供水：1個151公斤水罐
供電：2套296A·h銀鋅電池（次系統(tǒng)）
推進劑量：8,165kg（18,000lb）
下降級推進系統(tǒng)推力：可調(diào)范圍為45.04kN（10,125lbf）～4.56kN（1025lbf）
下降級推進系統(tǒng)推進劑：N2O4/航空肼50（不對稱二甲肼/聯(lián)氨）
DPSpressurant：1個22kg超臨界氦罐，罐壓10.72kPa.
發(fā)動機比沖：3050N·s/kg
DescentstagedeltaV：2,470m/s（8,100ft/s）
電池：4套400A·h銀鋅電池
首次
首次載人
1969年3月3日，執(zhí)行登月艙首次載人飛行任務(wù)的”阿波羅”9號發(fā)射成功。這次任務(wù)的基本目的是對整個飛船系統(tǒng)中的這一部分進行飛行鑒定。另外，還要證明登月艙是否能在指令與服務(wù)艙的配合下，在失重飛行條件下完成所承擔(dān)的任務(wù)。這項工作不需要飛往月球，因此“阿波羅”9號任務(wù)是在地球軌道上進行的。按照該規(guī)劃，在飛行過程中，宇航員將在三種不同情況下進入登月艙，首先是要檢查大量的程序和其它項目，其次是對登月艙進行多次啟動和關(guān)閉。登月艙在飛行中做一次以上的加電和減電，這是唯一的一次。這樣做的用意是想發(fā)現(xiàn)可能出問題的事情，并對在模擬過程中制訂出來的程序進行細化，并更加精確地完成任務(wù)。
阿波羅”11號飛船的登月艙
首次登月
1969年7月21日（美國東部時間）下午4時17分40秒，美國宇航員阿姆斯特朗和奧爾德林駕駛“阿波羅”11號飛船的登月艙平安降落在月球“靜海”的西南部，這是世界首次降落在月球表面的登月艙。他們在月面豎立了美國國旗，采集了月面巖石標本，安放了地震儀和激光反射器，并進行了月面探測。21時36分20秒后，他們點燃登月艙上升段火箭，飛離月面。這時另一名宇航員柯林斯正在指揮艙中作環(huán)月軌道飛行，與其會合對接后，阿姆斯特良與奧爾德林將收集到的資料通過80厘米的“隧道”移入指揮艙后，登月艙的上升段便被拋開甩掉。大約兩天半后，即1969年7月24日（美國東部時間）12時50分35秒時，載有三名宇航員的指揮艙安全濺落在太平洋上，結(jié)束了他們?yōu)槠?95小時18分35秒的月球航行。此后，美國又有”阿波羅12號、14號─17號的登月艙各載兩名宇航員分別著陸于月球表面，進行了大量月球洋活動和科學(xué)探察，從中獲得許多寶貴資料。
對于每一次登月任務(wù)，登月艙的軟著陸支架無疑是最為關(guān)鍵的裝置之一。軟著陸支架能確保登月艙安全平穩(wěn)地降落在月球表面，宇航員得以順利出艙并進行月面探測活動。同時，軟著陸支架還起到月面上升器的發(fā)射架作用，保證航天員攜帶月球樣品可靠地由月面進入環(huán)月軌道，最終安全返回地球。“阿波羅”登月艙軟著陸支架的設(shè)計有以下特點：（1）“阿波羅”登月艙軟著陸支架的設(shè)計考慮了月坡、月石、較大的著陸速度等惡劣工況，緩沖能力及著陸穩(wěn)定性具備較大的設(shè)計裕度，可靠性高；（2）設(shè)計采用4 組“懸臂”式著陸腿、可收攏展開的構(gòu)型，是充分考慮質(zhì)量、著陸穩(wěn)定性、運載器包絡(luò)要求、各種惡劣工況條件等因素的綜合優(yōu)化結(jié)果；（3）采用鋁蜂窩作為緩沖元件，其吸能效率高、質(zhì)量輕，對于一次性使用的登月艙軟著陸支架是較為有效、可靠且簡單的方法；（4）采用彈簧驅(qū)動方式的展開鎖定機構(gòu)，相對于電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動、火工作動等方式，系統(tǒng)設(shè)計較為簡單，且能夠相對獨立。其關(guān)鍵問題是要解決機構(gòu)的運動優(yōu)化，不能出現(xiàn)干涉和死點，必須保證機構(gòu)的重復(fù)運行精度。
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