[科普中國(guó)]-登月艙

結(jié)構(gòu)組成

登月艙從起飛到入軌這一段稱為動(dòng)力上升段，它又可以分為垂直上升段和軌道進(jìn)入段。當(dāng)垂直起飛一定時(shí)間或者達(dá)到一定速度的時(shí)候，由垂直上升段轉(zhuǎn)入軌道進(jìn)入段，開(kāi)始進(jìn)行制導(dǎo)。1登月艙在月面時(shí)，上升、下降段合二而一，但從月球表面再度起飛時(shí)，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。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(diǎn)，主要體現(xiàn)以下幾個(gè)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(jìn)劑貯箱載荷的結(jié)構(gòu)（立式結(jié)構(gòu)在一個(gè)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(jìn)系統(tǒng)和完成月球軌道插入、月面降落和著月過(guò)程所需的推進(jìn)劑。2

關(guān)鍵技術(shù)級(jí)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(guò)機(jī)械連接形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，上升段返回時(shí)，將與下降段斷開(kāi)。盡管我國(guó)“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(jī)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(chǔ)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(shí)不僅僅需要解除機(jī)械連接，還要切斷連接電纜、氣體、液體連接通道，而且需要對(duì)液體通道斷面處進(jìn)行密封。2

通常情況，級(jí)間分離技術(shù)包含三個(gè)方面：（1）上升段和下降段之間的機(jī)械連接斷開(kāi)關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)級(jí)間機(jī)械連接的斷開(kāi)廣泛采用的是爆炸螺栓，我國(guó)“嫦娥”三期及“阿波羅”工程均采用爆炸螺栓斷開(kāi)機(jī)械連接。通常情況下登月艙上升段與下降段之間采用四個(gè)爆炸螺栓進(jìn)行連接，爆炸螺栓具有承載能力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、使用方便的優(yōu)點(diǎn)；（2）上升段和下降段之間的連接線纜斷開(kāi)關(guān)鍵技術(shù)。登月艙上升段與下降段級(jí)間分離除了上述機(jī)械連接斷開(kāi)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(kāi)技術(shù)。綜合前期載人登月及我國(guó)載人航天研究成果，通常情況下級(jí)間連接線纜的斷開(kāi)可以采用級(jí)間纜線斷開(kāi)器，級(jí)間氣體、液體通道的斷開(kāi)可以采用氣液通道斷開(kāi)器；（3）上升段與下降段氣液通道斷面的自動(dòng)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(kāi)后，斷口處的自動(dòng)密封裝置必須具有高度可靠性，否則會(huì)嚴(yán)重威脅航天員的生命安全。對(duì)月球登月艙來(lái)說(shuō)，氣液通道斷開(kāi)面一般位于分離機(jī)構(gòu)處，用爆炸螺栓通過(guò)分離機(jī)構(gòu)將上升段和下降段連接起來(lái)，分離時(shí)爆炸螺栓引爆，分離機(jī)構(gòu)沿分離面斷開(kāi)，分開(kāi)的氣液通道端面根據(jù)需要應(yīng)能自動(dòng)密封，避免發(fā)生氣體和液體的泄露。自動(dòng)密封裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，“阿波羅”采用的是壓縮式雙密封裝。2

軟著陸關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)月面軟著陸且保證航天員安全是整個(gè)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(gè)探測(cè)任務(wù)的成敗。航天器實(shí)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(jī)械式緩沖器、壓縮式吸能緩沖器。美國(guó)和前蘇聯(lián)發(fā)射的無(wú)人月球探測(cè)器中，將機(jī)械式緩沖器和壓縮式吸能緩沖器組合起來(lái)作為軟著陸系統(tǒng)，而“阿波羅”載人登月計(jì)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(guó)對(duì)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(kāi)展研究。伴隨著新型緩沖材料的出現(xiàn)，尤其是半主動(dòng)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(jiǎn)易、可控、可靠性高的緩沖材料是未來(lái)載人登月軟著陸領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)。2

緩沖性能分析及耐撞性設(shè)計(jì)航天器與航天員之間不斷地有動(dòng)量和動(dòng)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(qiáng)度、作用位置和范圍、作用時(shí)刻和時(shí)間等方面，都是隨機(jī)的、不確定的，而且是高度耦合的。必須在載人航天器動(dòng)力學(xué)模型中考慮航天員的作用和影響。2

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)登月著陸器的研究主要針對(duì)不載人著陸器，并未考慮航天員的參與以及墜撞特性。對(duì)載人登月最后著陸過(guò)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(wèn)題。因此需要對(duì)著陸器進(jìn)行墜撞分析和耐撞性設(shè)計(jì)的研究。目前，我國(guó)在這方面的研究尚處于起步階段，缺乏相關(guān)的全機(jī)墜撞試驗(yàn)和仿真分析研究經(jīng)驗(yàn)，更缺乏相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。2

軟著陸機(jī)構(gòu)柔性鉸鏈設(shè)計(jì)技術(shù)由于月球表面不是平坦的，登月艙著陸于有坡度的月面時(shí)，登月艙相對(duì)于著陸處的水平面也存在坡度，對(duì)載人登月艙而言，如果著陸后登月艙不是水平的，將會(huì)導(dǎo)致很多不便，可應(yīng)用柔性鉸鏈對(duì)登月艙進(jìn)行自水平設(shè)計(jì)。對(duì)每條著陸腿使用柔性鉸鏈，并對(duì)柔性鉸鏈進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(dá)到靜力平衡。登月艙柔性鉸鏈設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于如何推導(dǎo)柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，并對(duì)柔性鉸鏈與機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)柔性鉸鏈計(jì)技術(shù)早期使用試湊法，現(xiàn)多用基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)化分析與設(shè)計(jì)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?fù)鋬?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(jì)法、基于旋量理論的拓?fù)渚C合法、模塊法等。2

非對(duì)稱式載人登月艙設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)登月艙總體具有對(duì)稱布局與非對(duì)稱布局兩種。目前探月領(lǐng)域所采用過(guò)的均為對(duì)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(duì)稱登月艙相對(duì)于對(duì)稱登月艙可減少10% 左右結(jié)構(gòu)質(zhì)量。2

非對(duì)稱登月艙相對(duì)于對(duì)稱登月艙優(yōu)點(diǎn)歸納總結(jié)如下：（1）著陸腿非對(duì)稱分布有利于配平登月艙重心位置、便于機(jī)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于運(yùn)載同時(shí)容易適應(yīng)運(yùn)輸空間裝載要求；（2）著陸腿非對(duì)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: 如圖15 所示的非對(duì)稱四腿著陸結(jié)構(gòu)，相對(duì)于對(duì)稱四腿著陸結(jié)構(gòu)，該非對(duì)稱的四腿結(jié)構(gòu)一側(cè)的兩條腿向外伸長(zhǎng)，將足墊與機(jī)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(shí)非對(duì)稱登月艙可以適應(yīng)其他任務(wù)要求。2

盡管對(duì)稱式登月艙仍然是目前探月的主流選擇，我國(guó)“嫦娥”二期、三期均使用對(duì)稱布局登月艙。但由于非對(duì)稱登月艙優(yōu)良的著陸性能，相對(duì)較輕的質(zhì)量同時(shí)適合較大規(guī)模登月艙尤其載人系列，目前國(guó)外研究已廣泛開(kāi)展，其研究也取得階段性成果。2

發(fā)展概況首次載人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(hào)發(fā)射成功。這次任務(wù)的基本目的是對(duì)整個(gè)飛船系統(tǒng)中的這一部分進(jìn)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(xiàng)工作不需要飛往月球，因此“阿波羅”9號(hào)任務(wù)是在地球軌道上進(jìn)行的。按照該規(guī)劃，在飛行過(guò)程中，宇航員將在三種不同情況下進(jìn)入登月艙，首先是要檢查大量的程序和其它項(xiàng)目，其次是對(duì)登月艙進(jìn)行多次啟動(dòng)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(wèn)題的事情，并對(duì)在模擬過(guò)程中制訂出來(lái)的程序進(jìn)行細(xì)化，并更加精確地完成任務(wù)。

首次登月1969年7月21日（美國(guó)東部時(shí)間）下午4時(shí)17分40秒，美國(guó)宇航員阿姆斯特朗和奧爾德林駕駛 “阿波羅”11號(hào)飛船的登月艙平安降落在月球“靜?！钡奈髂喜?，這是世界首次降落在月球表面的登月艙。他們?cè)谠旅尕Q立了美國(guó)國(guó)旗，采集了月面巖石標(biāo)本，安放了地震儀和激光反射器，并進(jìn)行了月面探測(cè)。21時(shí)36分20秒后，他們點(diǎn)燃登月艙上升段火箭，飛離月面。這時(shí)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(huì)合對(duì)接后，阿姆斯特良與奧爾德林將收集到的資料通過(guò)80厘米的 “隧道”移入指揮艙后，登月艙的上升段便被拋開(kāi)甩掉。大約兩天半后，即1969年7月24日（美國(guó)東部時(shí)間）12時(shí)50分35秒時(shí)，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(shí)18分35秒的月球航行。此后，美國(guó)又有 ”阿波羅12號(hào)、14號(hào)─17號(hào)的登月艙各載兩名宇航員分別著陸于月球表面，進(jìn)行了大量的月央活動(dòng)和科學(xué)探察，從中獲得許多寶貴資料。

對(duì)于每一次登月任務(wù)，登月艙的軟著陸支架無(wú)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(jìn)行月面探測(cè)活動(dòng)。同時(shí)，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(jìn)入環(huán)月軌道，最終安全返回地球?！鞍⒉_”登月艙軟著陸支架的設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn)：（1）“阿波羅”登月艙軟著陸支架的設(shè)計(jì)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(jì)裕度，可靠性高；（2）設(shè)計(jì)采用4 組“懸臂”式著陸腿、可收攏展開(kāi)的構(gòu)型，是充分考慮質(zhì)量、著陸穩(wěn)定性、運(yùn)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(duì)于一次性使用的登月艙軟著陸支架是較為有效、可靠且簡(jiǎn)單的方法；（4）采用彈簧驅(qū)動(dòng)方式的展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)，相對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、火工作動(dòng)等方式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，且能夠相對(duì)獨(dú)立。其關(guān)鍵問(wèn)題是要解決機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化，不能出現(xiàn)干涉和死點(diǎn)，必須保證機(jī)構(gòu)的重復(fù)運(yùn)行精度。3