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阿波罗15号登月飞船

阿波罗15号(Apollo 15)是美国阿波罗计划的第九次载人任务,也是人类第四次成功登陆月球。阿波罗15号还是阿波罗计划中首次J任务——与前几次任务相比在月球上停留更久,科学研究的比例更大。

阿波罗15号于1971年7月26日13时34分00秒(UTC时间)在肯尼迪航天中心成功发射,并于1971年7月30日22时16分29秒在月球成功着陆。任务持续12天7小时11分钟。

指令长大卫·斯科特和登月舱驾驶员詹姆斯·艾尔文在月球表面停留了三天,在登月舱外的时间总长为十八个半小时。两位宇航员驾驶的历史上第一辆月球车使他们在月球上穿越的距离比前几次任务遥远了很多。他们一共收集了约77千克的月球岩石标本。

与此同时,指令舱驾驶员阿尔弗莱德·沃尔登留在指令舱中环绕月球,使用科学仪器模组中的全景相机、加玛射线光分计、绘图相机、激光高度、质谱以及任务后发射的子卫星等等设备对月球表面环境进行了详细的研究。

阿波罗15号的一些纪录包括:送入地球和月球轨道有效载荷最大;航天器首次携带科学仪器模块;首次使用月球车;首次使用月表导航设备;首次在月球轨道投放子卫星;首次在返回地球途中进行舱外活动。

飞船名称阿波罗15号英文名称Apollo 15
研制国家美国任务结果成功
发射时间1971年7月26日13时34分00秒发射场肯尼迪航天中心
运载工具土星5号运载火箭登陆时间1971年7月30日22时16分29秒
登陆地点北纬26度13分,西经158度13分宇航员大卫·斯科特、阿尔弗莱德·沃尔登、詹姆斯·艾尔文

任务成员

 阿波罗15号宇航员合影

图:阿波罗15号宇航员合影

大卫·斯科特(David Scott,曾执行双子星8号、阿波罗9号),指令长

阿尔弗莱德·沃尔登(Alfred Worden),指令舱驾驶员

詹姆斯·艾尔文(James Irwin),登月舱驾驶员

替补成员

替补成员同样接受任务训练,在主力成员因各种原因无法执行任务时接替。

理查德·戈尔登(Richard Gordon,曾执行双子星11号以及阿波罗12号),指令长

文斯·布兰德(Vance Brand,曾执行阿波罗-联盟测试计划、STS-5、STS-41-B以及STS-35任务)

哈里森·施密特(Harrison Schmitt,曾执行阿波罗17号任务),登月舱驾驶员

任务过程

计划和训练

阿波罗15号的三位宇航员此前曾担任阿波罗12号的替补团队。成为宇航员之前都是空军飞行员的斯科特、沃尔登和艾尔文在阿波罗12号任务的准备过程中曾与都来自海军的三位主力成员进行了友好的竞争。

原计划中,阿波罗15号会与阿波罗12号、阿波罗13号以及阿波罗14号一样,是一次H任务。但1970年9月2日美国国家航空航天局宣布阿波罗15号的任务会被修改,阿波罗18号之后的任务都会被取消。为了最大化接下来阿波罗任务的科学成果,阿波罗15号被改为J任务,并会首次使用月球车。

阿波罗15号的训练中最大的变化之一就是地质学训练。尽管在之前的任务中宇航员们也接受了野外地质学训练,但地质学项目在阿波罗15号的训练过程中首次变得特别重要。斯科特和艾尔文跟随加州理工学院(Caltech)的地质学家李·席尔沃(Lee Silver)学习地质学。席尔沃是由哈里森·施密特推荐的,以替代之前航空航天局为宇航员们准备的地质学教师。五十年代末,席尔沃曾对使用铀和铅衰变测年的方法做出重大贡献。

起初席尔沃带领主力和替补团队去各种地质景点,就像大学里真正的野外地质学课一样;但当发射日期逐渐开始逼近时,席尔沃开始逐渐模拟登月之后的真实情况。斯科特和艾尔文会背着宇航服的背包模型,使用无线对讲机向不远处帐篷中的“指令舱宇航通讯员”讲述周围的地质结构(真实的任务中,只有指令舱宇航通讯员和宇航员们保持正常通讯)。真实任务中,指令舱宇航通讯员身边往往会坐着一组地质学家;由于他们对于月球上的地形不了解,宇航员们必须要对月球表面做出准确的描述。

登月点选择委员会于1970年9月选择了哈得利溪(Hadley Rille)作为阿波罗15号的登月点。当时两个最终的候选是:哈得利溪或者马里尤斯环形山。尽管最终选择权并不在他,但指令长的意见一直都很被看重。斯科特的选择很明确:哈得利溪会是“最佳探索地点”。

当斯科特和艾尔文进行着描述地形和采集标本的训练时,指令舱驾驶员沃尔登在进行着不同的地质学训练。他跟随埃及地质学家法鲁克·埃尔-巴兹(Farouk El-Baz),驾驶能够模拟月球地形对于指令舱的移动速度的飞机观测地球地形,练习从空中准确描述下方的地形结构。

硬件

月球探险车,或称月球车的研制从1969年5月开始,承包商是波音公司(同时也是土星5号火箭S-II第二级的承包商)。月球车能够被折入一个1.5米乘0.5米的空间。空车质量为209千克,在装载两名宇航员及设备时质量约为700千克。月球车为四轮驱动,每个轮子都有独立的四分之一马力(200瓦)的电动马达。尽管两个宇航员都可以驾驶,月球车每次被使用都是那次任务的指令长担任司机。月球车的最大速度为每小时10至12千米,意味着宇航员们会有时间驶离登月舱很远而仍然有时间进行长时间的科学实验。

阿波罗15号服务舱科学仪器模块部分

图:阿波罗15号服务舱科学仪器模块部分

阿波罗15号使用的土星5号的序列号为SA-510,是该系列中的第十艘可发射火箭。阿波罗15号的指令/服务舱的序列号为CSM-112,呼号是“奋进”(Endeavour),以詹姆斯·库克18世纪第一次远征时所统帅的帆舰皇家奋进号(HM Bark Endeavour)命名。序列号为LM-10的登月舱的呼号是“猎鹰”(Falcon),以美国空军学院的吉祥物命名。如果阿波罗15号是一次H任务,则会使用CSM-111号指令/服务舱和LM-9号登月舱。CSM-111号指令/服务舱后来在阿波罗-联盟测试计划中使用,而LM-9号登月舱则未被使用,目前在肯尼迪航天中心展出。

任务的修改导致火箭载荷有所增加,土星5号本身的发射轨道也因此进行了调整。火箭的发射角度更加偏南(80到100°方位角),地球停泊轨道高度也降低到了166千米。这两项调整使有效载荷增加了500千克。备用推进剂被减少以减轻火箭质量,S-IC第一级的制动火箭系统数量也从八台降到了四台。S-IC五台主火箭都需要比原计划燃烧更久以获得足够的推力。S-II第二级也进行了调整以避免纵向藕合振动。

登月舱降落部分和起飞部分的燃料和氧化剂罐都被加大,降落部分的底部的钟形喷管(engine bell)也被加长。登月舱上还增加了普通电池和太阳能电池板以增加电力。这些修改使登月舱的质量于之前的型号相比增加了1800千克,达到了16,330千克。

宇航员们的宇航服也与之前任务有所不同。之前的任务中,包括没有去月球的阿波罗7号和9号,指令长和登月舱驾驶员穿的宇航服带有生命支持系统、液体冷却系统以及两排胸前连接口,每排三个。阿波罗15号任务中使用的新式A7L-B型宇航服胸前的连接口位置有改变,形成两个三角形。此外,宇航服的拉链也从之前的上下开口改为斜拉——从右肩到左臀部。这两个调整使宇航员们可以在穿着宇航服时完全弯腰,甚至坐在月球车上;更新的宇航服背包还可以使宇航员在月球表面停留更久。从阿波罗15号起,不进行登月的指令舱驾驶员需要在返回地球途中进行一次舱外活动以取得指令/服务舱外部摄像机中的胶片,所以其宇航服也从三个连接口改为五个以增加液体冷却系统。

科学仪器模块(SIM)给肯尼迪航天中心的技术人员制造了很多问题。阿波罗15号是科学仪器模块首次被使用,从一开始就出现了很多问题。各种仪器都是设计在零重力下使用,却不得不在地球表面的1g状态中测试。比如质谱和加玛射线光分计只能在模拟的太空环境中测试,效果很不理想。当技术人员尝试将整个科学仪器模块安装在航天器上时,几个系统的数据流做不到同步,使得技术人员反复进行调试,直到发射前不久。测试加玛射线光分计时,测试点周围16千米内的一切机器都必须被暂时关闭。

当所有航天器部件都被安装到土星5号中后,土星5号从火箭组装大楼移动到了39A号发射台准备发射。六月末七月初期间,火箭和发射架至少被闪电击中了四次。好在损坏并不严重,仍然可以按时发射。

飞向月球

三位宇航员于凌晨4点19分(当地时间)被叫醒。在简单的身体检查后,他们与替补团队和支持团队一起吃了早餐。然后,他们6点45分时被基地车辆送到发射地点。此时离发射还有两个半小时。发射时斯科特坐在指令舱的左边,沃尔登坐在中间,艾尔文坐在右边。

阿波罗15号于1971年7月26日早晨9点34分0秒(EST)发射。在S-IC第一级和S-II第二级火箭分离时,第一级火箭的熄火过程拖延较长,从百分之二到零推力的时间超过四秒钟。这意味着第二级火箭点火时与第一级之间的距离比预计短,使得第二级火箭的点火损害了第一级的遥感勘测系统。

发射11分钟34秒后,航天器进入地球停泊轨道(Earth parking orbit),轨道长轴为171.3千米,短轴为169.5千米。在这个高度,由于地球大气层的阻力,太空飞行非常不舒服。由于一个排放口未被关闭以及在S-IVB第三级火箭关闭后火箭倾斜速度过快导致约220千克的液态氧燃料被损失。

阿波罗15号上有一扇窗户经过特殊设计只传播紫外线,让宇航员们拍摄地球和月球的紫外线照片。从进入地球轨道起,三位宇航员们就开始通过这扇窗户拍摄照片。当窗户不再使用时,指挥中心指挥宇航员们盖住窗户以降低紫外线辐射。

发射2小时50分钟2.6秒后,第三级火箭重新点火,进行月球转移轨道射入(Trans-Lunar Injection,TLI)。燃烧时间为5分钟49秒。这次点火使航天器的速度从7,809米/秒增加到10,827米/秒,飞行高度增加到310.0千米;航天器离开地球轨道,开始向月球飞行。

推进器的问题

离开地球轨道后的下一个重要步骤是指令舱掉头,与登月舱对接并将其从S-IVB第三级火箭中抽出。登月舱发射时位于指令舱下方,头尾相接。指令/服务舱从第三级火箭分离后,飞出一段距离,用十分钟作180度转弯,与登月舱对接并将其取出。半小时后,在给登月舱加压并确定对接完全锁牢后,三名宇航员从S-IVB中抽出了“猎鹰号”。第三级火箭按照计划将在月球上南纬3度39分,西经7度35分处撞毁。

在掉头与对接时,控制面板中输入监视系统(Entry Monitor System)上的服务推进系统推进器(SPS Thrust)信号灯突然亮了。服务推进系统(Service Propulsion System,SPS)是指令/服务舱上的主推进器,突然亮的那盏信号灯是用来显示推进器阀门是否开启的。如果阀门被开启,服务推进系统将点火,而此时阀门应该处于关闭状态。为了安全起见,三位宇航员关闭了控制阀门的电路使阀门关闭,确保服务推进系统不会点火。

经过分析,问题的起因被认为是来自于Delta-V推进器(Delta-V Thrust)开关的短路,阀门是由它开启的。问题出在开关表示推进器本身一切正常,但是需要有防止其突然点火的办法。

阿波罗计划能够成功的原因之一就是关键系统上的冗余措施——比如在服务推进系统中,推进器有两个各自独立的阀门系统。短路只会影响一个阀门系统,使在关闭一个系统后推进器仍然可以点火。每次点火时并不开启全部阀门而只使用正常工作的那一组;被短路影响的阀门在点火后十秒才开启,在燃烧结束前就会关闭。

指挥中心决定取消第一次中期轨道纠正(mid-course correction?),意味着服务推进系统的点火只能留到计划中的第二次中期轨道纠正了。轨道纠正的取消使宇航员的睡眠时间得以提前。在宇航员们可以开始休息前,他们还需要向太空排除一些舱内废水,并将航天器调整为被动热控制(Passive Thermal Control,PTC?)模式,也称为烧烤模式。这个模式使航天器大约每小时沿着长轴旋转一圈,保证航天器上平均的热分布(在阳光直射时,航天器表面温度高达200摄氏度,而阴暗面只有零下100摄氏度)。高温差会使隔热板裂开或者燃料舱爆炸。发射十五小时后,三位宇航员熄灯睡觉。

第二天

阿波罗15号的第二天中的主要任务就是计划中的第二次中期轨道纠正和对登月舱“猎鹰号”进行一次检查。指挥中心首先要求三位宇航员让服务推进系统在第二次中期轨道纠正开始前点火0.7秒,以孤立Delta-V推进器开关短路的位置。这次点火使指挥中心确认服务推进系统只可能因为故障开关而突然点火。任务结束后的调查显示一段1.4毫米长的电线掉入了开关中并导致短路。检查性质的点火本身使航天器速度增加了1.62米/秒,使挥中心决定取消计划中的第二次和第三次中期轨道纠正。

在排出了登月舱中的空气(以防止有可能的毒气)并从指令舱补充了足够的空气后,三位宇航员打开了奋进号和猎鹰号之间的舱门,进入了登月舱。斯科特和艾尔文检查了登月舱所有的开关、电力系统、建成环境以及通讯系统。他们发现某个长条状仪表的玻璃盖破了,登月舱中飘浮着玻璃碎片。虽然这对仪器没有太大影响,但三位宇航员担心玻璃碎片可能会被吸入鼻腔。返回指令舱并关闭舱门后,他们在进食后在太空已经度过第一个整天并开始睡觉。

第三天

第三天的“早晨”的主要任务是眼睛闪光实验。之前的一些任务中,一些宇航员在合眼之后仍然能看到亮光,艾尔文在前两次睡眠中也遇到了这个问题。实验中,三位宇航员戴着眼罩面对同一个方向,背对窗户。他们报告了所看到光斑的颜色、位置和闪烁时间,整个试验进行了一小时。光斑被认为是高能宇宙辐射造成的。

实验结束后,三位宇航员第二次进入了猎鹰号。按照指挥中心的安排,他们对登月舱进行了吸尘,吸完之后进行其他清理工作时吸尘器不关,以尽可能清除舱内飘浮的玻璃碎片。这时阿波罗15号已经进入月球重力影响,换句话说,月球的重力对飞船的影响比地球的大。

非常平静的一天后,舱内出现了水泄漏。在零重力情况下,水呈球型;尽管整个飞船内部都防水,但水球要是变得过大最终破裂的话,湿漉漉的环境会变得很不舒服。水的泄漏来自某个松动的氯注射口:飞行过程中,宇航员们需要向水中注射氯,起到杀菌的作用,泄漏是因为注射口出现了松动。

首次使用月球车

阿波罗号飞船按技术状态和工作能力大致可分为两组,阿波罗11~14号属于一组,阿波罗15~17号属于另一组。阿波罗15号以后的飞船最大的改进是向月球带去了一辆小型月球车,它能够使航天员在月球考察的范围更大,采集的标本更丰富,而且月球车上还可以装科学仪器和摄像机,从而能够记录月球表面考察的情况。

阿波罗15号携带的月球车

图:阿波罗15号携带的月球车

月球车长31米,宽2.3米,车轮中心间距1.8米,底座高35.5厘米。车轮为适应月面上松软和崎岖不平的特点,由金属丝网织成,每一个轮子都单独由一个电动机驱动,都可前后行驶和左右转弯,因此是真正的“四轮驱动”车。车的底盘由三段构成,用铰链连着,能使各部分在不平的月面都紧贴地面。四台电动机功率都是0.25马力,电源系统是2个36瓦蓄电池。为减轻重量,基本构架都由铝合金制造。

阿波罗15号宇航员和登月舱、月球车

图:阿波罗15号宇航员和登月舱、月球车

阿波罗15号首次利用四轮月球车行驶到30千米以外的地方进行考察和采集标本,标本采集总量达77千克。在返回前,宇航员将电视摄像机放置在月球车上,转播了登月舱上升时的情景。沃登在轨道上利用服务舱中的科学仪器间全景测绘摄像机和分光计探测了月球表面物质成份、太阳X射线和粒子辐射的相互作用。在返回轨道与服务舱对接后,航天员释放了一颗小型卫星,用以探测月球辐射的X射线和Γ射线。

飞船介绍

阿波罗号飞船由指挥舱、服务舱和登月舱3个部分组成。

指挥舱

指挥舱是宇航员在飞行中生活和工作的座舱,也是全飞船的控制中心。指挥舱为圆锥形,高3.2米,重约6吨,最大直径3.9米。指挥舱分前舱、宇航员舱和后舱3部分。前舱内放置着陆部件、回收设备和姿态控制发动机等。宇航员舱为密封舱,存有供宇航员生活14天的必需品和救生设备。后舱内装有10台姿态控制发动机,各种仪器和贮箱,还有姿态控制、制导导航系统以及船载计算机和无线电分系统等。

服务舱

服务舱的前端与指挥舱对接,后端有推进系统主发动机喷管。舱体为圆筒形,高6.7米,直径4米,重约25吨。主发动机用于轨道转移和变轨机动。姿态控制系统由16台火箭发动机组成,它们还用于飞船与第三级火箭分离、登月舱与指挥舱对接和指挥舱与服务舱分离等。

登月舱

登月舱由下降级和上升级组成,地面起飞时重14.7吨,宽4.3米,最大高度约7米。

下降级:由着陆发动机、4条着陆腿和4个仪器舱组成。

上升级:为登月舱主体。能容纳2名宇航员,宇航员完成月面活动后驾驶上升级返回环月轨道与指挥舱会合。上升级由宇航员“座”舱、返回发动机、推进剂贮箱、仪器舱和控制系统组成。有导航、控制、通信、生命保障和电源等设备注:这里的宇航员“座”舱只是一个能容纳2名宇航员的站位,登月舱内没有供宇航员座的座椅。

阿波罗15号登月飞船
航天器信息 浏览次数:3421次
最新更新:2015-07-30 17:53
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