阿波罗登月计划工程技术案例分析

1、阿波罗登月计划工程技术案例分析1、阿波罗计划的简要阿波罗计划（ Apollo Project），又称阿波罗工程，是美国从1961年到 1972 年从事的一系列载人登月飞行任务。 美国于20 世纪 60 年代至 70 年代初组织实施的载人登月工程，或称”阿波罗”计划。它是世界航天史上具有划时代意义的一项成就。工程开始于1961 年 5 月，至1972 年 12 月第 6 次登月成功结束，历时约11 年，耗资 255 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，总人数超过30 万人。迄今（ 2010年）为止还没有过其他的载人航天器离开过地球轨道。阿波

2、罗计划详细地揭示了月球表面特性、物质化学成份、光学特性并探测了月球重力、磁场、月震等。后来的天空实验室计划和美国、苏联联合的阿波罗 - 联盟测试计划也使用了原来为阿波罗建造的设备，也就经常被认为是阿波罗计划的一部分，阿波罗计划取得了巨大的成功。时代背景：美国为谋求和保持“空间领先”地位，在 空间竞赛 中战胜苏联，自1958 年成立航宇局以来实施了一系列载人航天计划。“水星”计划是美国1958 年开始实施的第一个载人航天计划。 鉴于当时与苏联竞争紧迫形势， 该计划的基本指导思想是尽可能利用已经掌握的技术和成果，以最快的速度和简单可靠的方式抢先把人送上天。但事实上，当苏联于1961年 4 月 12

3、 日把航天员加加林送上天成功地完成轨道飞行时，“水星”飞船尚处于无人试验阶段，直到 1962 年才进行首次载人轨道飞行。“水星”计划于1963 年结束，共完成 25次飞行试验，其中包括 4 次动物飞行，2 次载人弹道飞行，4 次载人轨道飞行，耗资约4 亿美元。 1美国通过 “水星” 计划证明人能够在空间环境中生存和有效地驾驶飞船，也取得了载人飞船设计的初步经验。 但是在这一回合的载人航天竞争中输给了苏联，突出表现为载人上天的时间落后于苏联， 航天运载能力也处于劣势。 为改变这种局面， 经美国航宇局和冯布劳恩等火箭专家论证，提出美国在 60 年代经过努力能够达到而又刚好超出苏联能力的目标是载人登

4、月。于是，美国总统肯尼迪于 1961 年 5 月 25 日宣布了“阿波罗”载人登月计划。2、危害作为从“水星”到“阿波罗”计划之间过渡，美国于1961 年 11 月至 1966 年 11 月实施了“双子星座” 计划。 其主要任务是研究、发展载人登月的技术和训练航天员长时间飞行及舱外活动的能力。 该计划历时5 年，完成了 10 次环地轨道载人飞行，每次 2 人，共花费 12.8 亿美元。此外，美国为实施“阿波罗”计划还研制了“徘徊者”、“勘测者”、 “月球轨道环形器”无人月球探测器、 土星族重型运载火箭， 以及由逃逸系统、 指令舱、 服务舱和登月舱组成的阿波罗飞船，这些工作为 1969 年把人送

5、上月球奠定了坚实的技术基础。“阿波罗”计划从 1961 年开始实施至 1972 年结束，共花费 240 亿美元，先后完成 6 次登月飞行，把 12 人送上月球并安全返回地面。它不仅实现了美国赶超苏联的政治目的，同时也带动了美国科学技术特别是推进、制导、结构材料、电子学和管理科学的发展。但是，“阿波罗”计划耗资太大，几乎占用了航宇局60 年代部经费的3/5 ，严重影响了美国空间科学和空间应用领域的发展，迫使美国重新考虑下一步的航天目标2 。因此对于当时的美国来说有着负面影响如下；（ 1）耗资太大，光“阿波罗”计划从 1961 年开始实施至 1972 年结束，共花费 240 亿美元，而其从水星计划

6、到美国于 1961 年 11 月至 1966 年 11 月实施了 “双子星座” 计划，再到“阿波罗”计划时所用的费用简直就是个天文数字。- 1 -3表一： NASA每年为阿波罗登月工程所拨付经费状况表（单位：美元）时间原始预算最终拨款时间原始预算最终拨款1962 年29， 500160，0001968 年2,606,5002,556,0001963 年617， 164617，1641969 年2,038,8002,025,0001964 年2,243,9002,272,9521970 年1,651,1001,686,1451965 年2,818,5002,614,6191971 年956,50

7、0913,6691966 年2,997,3852,967,3851972 年612,200601,2001967 年2,974,2002,916,2001973 年128,70076,700（ 2）耗时约 11 年，即从 1961 年施舍到 1972 年，其中不包括其准备阶段。（ 3）力物力太大， 工程开始于 1961 年 5 月，至 1972 年 12 月第 6 次登月成功结束， 历时约 11 年，耗资 255 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，总人数超过30 万人。（4）1 号飞船 一次灾难 (1967.1.27) ： 1967年1月2

8、7日。宇航员维尔基尔 - 格里森、 爱德华 - 怀特和罗杰 - 查菲在当晚一场大火中身亡。当时这场大火吞没了他们的阿波罗1 号飞船。原计划 2 月 21 日飞船发射并把他们送上地球轨道14 天，就在进行这次发射的模拟演习中，他们死于地面。国家航空与航天管理局官员说，大概是一个电火花点燃了阿波罗飞船座舱的纯氧。这三名宇航员如同真地飞行那样并肩坐在肯尼迪角第34 号发射架上的“土星”1号火箭顶部，就在这天下午 6 点 31 分发生大火。 事因是他们被卡在关闭的舱门后面， 无法使用阿波罗安全系统， 因为被导弹拖车挡住了。 急救人员试图接近他们， 却被舱内滚滚冒出的浓烟阻挡。 空军及国家航空航天局收集

9、了所有与火灾有关的资料。官员们说： 人员和飞船的损失给阿波罗登月计划以严重打击。3、工程方案阿波罗登月计划提出后,采取什么方案才能切实可行地按时完成登月任务呢? 当时科学家和工程师们提出了三种方案。（1）直接登月法 : 使用推力极大的诺瓦火箭将巨大的阿波罗飞船直接推向月球,然后使用制动火箭使整个飞船在月球上软着陆。 这个方案的优点是飞行过程简单 , 但它需要研制出强大推力的火箭。（ 2）地球轨道交会法 : 用几枚土星 - 火箭将阿波罗飞船及其装载推进剂的逃逸火箭等分别送入地球轨道 , 在那里使它们交会对接起来 , 再飞往月球 , 飞船整体在月球软着陆。（ 3）空航天局兰利研究中心霍博尔特 (

10、J. C. Houbolt ) 博士提出的 “月球轨道交会法” :运载火箭先将载有三名宇航员的阿波罗飞船送入月球轨道,在沿月球轨道的飞行中,两名宇航员进入登月舱,然后登月舱脱离飞船的主体指令舱 ,用制动火箭逐步降低速度,在月面上降落。完成登月和月球考察以后,登月舱从月球表面上升返回月球轨道,并与一直在月球- 2 -轨道上运行的阿波罗飞船主体交会对接, 然后三名宇航员抛弃登月舱, 启动指令舱火箭 ,脱离月球轨道 , 返回地球。这个方案给人的直觉印象是成功率较小。不过, 由于不再需要使整个阿波罗飞船在月球上软着陆的庞大推进系统, 被运载的空间飞行器的重量将减轻将近一半,只使用一枚土星 - V火箭就

11、足够了。 4霍博尔特的方案得到了兰利研究中心空间小组的赞同。三种登月方案提出后 , 各有一批支持者。最初 , 航空航天局总部不少人倾向于采纳地球轨道交会法, 航空航天局下属的马歇尔航天飞行中心主任冯 布劳恩等人则认为直接登月法更好, 但不久冯 布劳恩转而支持地球轨道交会法。相比之下 ,月球轨道交会法却在航空航天局遭到冷遇, 以至霍博尔特不得不致信航空航天局副局长西门斯, 敦请航空航天局采取积极的态度对待他的方案。三种登月方案各有利弊,一时很难作出抉择。 为此 , 国家航空航天局相继组织了三个专家组和一个与国防部联合的委员会进行调查研究。 对三种方案进行了深入的、 慎重的分析和权衡工作。首先考虑

12、的是登月的人数 , 在月球上的时间和在月球上进行活动的可能的规模和范围。 在这几方面 , 月球轨道交会和直接登月都略占优势。 接着分析了三种方案在性能上的差别。 第一个问题是在研制和试验过程中 , 如果需要增加部件和分系统重量的话,准备使用的推进系统是否仍然可用。结论是, 地球轨道交会法最难办 , 接下来的顺序是月球轨道交会法和直接登月法。第二个问题是三种方案对制导精度、通信和跟踪的要求 ,结论是直接登月所需的制导系统最简单, 对通信和跟踪的要求也最容易实现。 在权衡每种方案的研究难度时, 他们发现 ,直接登月法所需的大推力火箭难以在登月计划期限内研制出来,月球轨道交会法的难度明显小于其它两个

13、方案, 并且完成任务所需要的时间最短。 对各个方案所需的经费作了比较, 结论是月球轨道交会法的研制费用比其他两种要低 10%。飞行的安全概率是选择的重要标准之一,计算结果表明 ,月球轨道交会法和直接登月法的成功率近似相等, 地球轨道交会法成功的概率,仅为前者的 2/3 。最后 ,又详细讨论了三种方案的发展潜力,结论是每种方案都会对地球轨道飞行、载人星际计划和军事应用等方面起重大推动作用。总之 , 国家航空航天局经过对三种方案反复比较、激烈争辩、 充分论证 , 最终以进程、 经费、安全和研制的简易性作为主要的考虑因素,选定月球轨道交会法作为基本方案。3.1 月球轨道交会法按照月球轨道交会法方案

14、, 整个飞行过程有 88个步骤 , 特别是在远离地球38 万公里的月球轨道上交会对接, 需要飞船和运载火箭有极精确的控制设备, 同时要求各部件高度可靠。为完成登月和安全返回,要为三名宇航员提供较长时间的适合的生活环境和工作条件; 要有精确可靠的通信联系和跟踪控制设备。此外 ,整个设计要便于进行月球探险和进行各种科学实验。根据这些要求 , 登月飞船要有防高温、 防辐射而又坚固轻巧的外壳, 它还要携带高度精确可靠的推力系统、控制和导航系统、稳定系统、通信和跟踪系统、电源系统、生命保障系统以及各种科学实验用的仪器设备重量高达40 多吨。为此 , 美国专门设计了土星 -V三级火箭和阿波罗飞船。土星 -

15、V火箭的研制被列为国家最重要的计划之一, 设计者在结构上作了大胆的革新 ,其中 J- 2 发动机的技术突破成为土星-V 研制成功的关键 , 它使用液氧 -液氢作为推进剂 ,比冲高达 424秒 ,并具有第二次点火能力。土星- V于 1967 年 11 月首次试飞成功 ,这项现代火箭技术的最高成就为将阿波罗飞船送往月球奠定了基础。阿波罗飞船采取层层分解、同步进行办法进行研制, 对不同技术方案均给予同等的机会, 结果仅用了4年时间就完成了由几百个部件构成的复杂系统。至于阿波罗飞船和土星 -V 的装配 , 若按常规到发射场组装 , 必须建造一个巨大的发射台和装配架,这样必将丧失许多时间。 航空航天局决

16、定打破常规 ,在肯尼迪宇航中心建造一座装配大楼, 在楼里组装好130 米大飞船 ,再用超巨型履带运输车运到发射场，这一决策取得了成功,以往发射前的准备时间都要数月之久, 这次只用了十几天。3.2结论- 3 -阿波罗计划获得的成功和取得的成就具有伟大的历史意义和现实意义。在政治上， 它使美国在航天技术的许多方面确立了领先地位，产生了极大的声誉。 在科学上， 它使人类对月球及近月空间有了首次直接的研究和认识。在技术上， 取得了许多技术突破，不仅为后来的航天计划奠定了基础， 而且许多技术后来广泛地用于国民经济领域。在工程管理上， 美国航宇局因此取得了一系列宝贵的大型工程计划和管理的经验。在经济上， 据蔡司报告指出， 阿波罗计划使美国经济增长率提高2，物价指数下降 2，创造 80 万个就业指标。 蔡司报告还认为， 美国1958 年国民收入为4062 亿美元， 1968年达到 8640 亿美元， 1970 年增至 9046 亿美元，十年间翻了一番，这是阿波罗计划刺激的结果。5参考文献：1温谷 . 波罗工程的前世今生 J. 太