【航天甲子年50讲】 04 奔月:从地球到月球



文:晟宇(视频讲解)

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奔月也算是我们神话体系里很重要的一个组成部分,实际上我一直都觉得很错乱,就是到底是月宫的位置高还是天庭的位置高。这么看来我很早就注定走上攻城狮的道路。





小时候从朋友处借了很多凡尔纳的科幻小说来看,虽然但是觉得有点假,现在看来其实很多部分凡尔纳老先生还是推演地很认真的,算是离现代工程很接近啦。而且老先生还预见到了美国人的成功~






星条旗插上月球,实在是太美国的一件事情。阿波罗计划是美国在太空竞赛中的决胜一局,我们曾经在【航天甲子年50讲】 01 飞天中介绍过。肯尼迪政府下了巨大的决心,投入了难以想象的 人力、物力来促成这一伟大壮举。虽然直到今天还有很多阴谋论者认为美国的登月是一个巨大的骗局,但是只要稍微知道一些和阿波罗计划有关的事实,就知道这个假没有那么好造的。整个阿波罗登月计划共获得了3000多项专利,培养了大批的科学家,工程师,从这个项目中孕育出来的技术大大推动了美国乃至世界科技水平的发展,所以即便造假能带来如此的收获也值得了。


另外登月的过程也不是一蹴而就的,前期经历了非常多的失败,阿波罗1号的3名宇航员在地面测试中直接葬身火海。在之后土星5号的13次发射中,根据前期用失败换来的经验,保证了稳定与成功。同时登月的次数也不止一次,整个计划中人类多次登上月球并选择了不同的登月点。更不用说带回来的月球土壤,岩石的样本了。





未来的登月计划可以到这些地点去看看之前留下的痕迹。由于阿波罗计划实在太烧钱了,而且继续下去的动力消失,因此在阿波罗17号创下多项纪录之后,载人的登月活动就停止了。





阿波罗计划的成功关键就是土星5号,符合美国人对大家伙的热衷,土星五号具备足够的推力使得阿波罗计划可以选择直接转移轨道前往月球。土星5号运载了指令舱、服务舱和登月舱。登月舱除了阿波罗13号外,都没有带回来。







奔月的过程大概是这样的。土星五号发射升空,成功之后去除逃生塔。然后在短暂的停泊轨道上运行之后开始变轨进入地月转移轨道。指令舱分离后转向180度和登月舱对接,然后和火箭第三级分离。在飞往月球的过程中要进行两次轨道的修正。三名宇航员其实在这段时间应该休息,可是一般都很兴奋,实际获得的睡眠很少。然后找到准确的实际进行机动进入月球的轨道,之后指令舱和登月舱分离,留一名宇航员作为指挥留在指令舱,另外两名宇航员乘登月舱在月球表面软着陆。





在月球完成了科学任务之后,两名宇航员乘坐登月舱的上升级离开月球表面,在月球轨道上和指令舱对接。将岩石样本等运回指令舱后,宇航员离开登月舱。指令舱和登月舱分离,完成导航后,机动进入月地轨道,最后返回地表。





飞向月球的地月转移轨道,其实可以想象成为扔一个石块去打别人踢飞的足球。我们实际上是在选定的时间点和月球相遇。所以这个时间点确定了,就受到了第一个约束,之后就是是能量的约束,能量越大那么从地球到月球的时间也就越短,另外脱离地球的逃逸轨道需要与黄道面的夹角尽可能的小,因为我们选择的是地日的轨道来进行向月球的飞行。


其他的约束还包括进入月球的轨道必须在地面可以测控的范围内,不能到月球的背面。逃逸轨道和停泊轨道轨道面一致,来节省燃料等等。


在整个过程中,还要要考虑我们在【航天甲子年50讲】 03 轨道摄动里讲到的天体的摄动,光压摄动等等。






之前有朋友让我聊聊停泊轨道,比较直观的来形容停泊轨道,其实就好象是跳远前的小碎步,为了跳得更好做调整和准备。停泊轨道就是入轨后到转移轨道之间的轨道。那么这个轨道就要受到很多因素的约束,包括了发射场的位置,运载能力决定了入轨高度,和轨道倾角等等。同时由于一般停泊轨道比较低,所以会受到大气摄动的影响,消耗能量。


然而停泊轨道时间长也有好处,特别是在探索的初期,可以做充足的准备,进行数据和经验的积累,从而保证任务的成功。








在完成了探月任务之后,就是回家的旅程了。返回地球主要考虑的是入轨点的考虑和着陆点的考虑。保证可以安全的返回。从月球看以看到不一样的地球,即近又远,月球无疑扮演着人类开拓宇宙第一站的角色,未来可以作为探索的基地,巨大的通信转发器,以及大型的观测平台。




测控网




指挥中心


其实整个的测控通信技术都在阿波罗计划期间得到了快速的发展,很多标准都是那个时候建立的。为了保障计划的顺利进行,尤其是在如同阿波罗13号那样的紧急事故时期,让地面的专家可以进行快速分析和宇航员一起找到解决的办法,使得危机化险为夷,都靠了庞大的测控通信网络来保证。美国不但建立了很多地面站,还派出了测控船和飞机来增加服务的保障。





最后我们再从月球看看我们蓝色的家园。


探索,回家。


最后感谢莫总和蒋老师之前的分享


参考文献


  1. 高玉东 月球探测器地月空间转移轨道研究
  2. 彭祺擘 载人登月地月转移轨道方案综述
  3. nasa.gov/mission_pages/
  4. W.David Woods ,How Apollo Flew to the Moon




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下期和大家分享的是空间任务几何,11月8日,欢迎关注~


[航天甲子年五十讲] 往期回顾


01. 【航天甲子年50讲】 01 飞天

02. 【航天甲子年50讲】 02 轨道力学

03. 【航天甲子年50讲】 03 轨道摄动