美国上世纪六七十年代成功实施了载人登月工程,这一壮举震惊世界。阿波罗系列载人登月飞船和用于发射飞船的土星五号运载火箭名声大噪,而用于发射土星五号,位于卡纳维拉尔角肯尼迪航天发射中心的39号发射台也格外引人瞩目。
土星五号全长110多米,起飞重量3038吨,起飞推力3400吨,相当于把一艘中型驱逐舰送上太空,速度至少达到7.9千米/秒。这样大的质量和推力,当然需要一个庞大的发射基地和塔架了,所以在地球发射航天器必须先修建发射场。那么问题来了:阿波罗载人登月的登月没问题了,那是从地球的发射基地起飞的,但月球没有提前修建发射基地设施,没有发射塔架,那登月后从月球如何起飞返回地球?为了解释这个问题,咱们先来看看阿波罗飞船的结构组成和如何登陆月球的。
阿波罗飞船由指令舱、服务舱和登月舱组成,总质量47吨,高约16米。中间的指令舱呈圆锥形,是宇航员主要生活和工作的空间。左边服务舱则是携带推进剂和设备仪器的舱段。登月舱对接在指令舱端,登月时与指令舱分离,独自登陆月球。
下面说一下登月舱是如何从月球起飞的以及不同于地球发射的原因。
看见图中的登月舱了吧?登月舱由下降级和上升级组成,落月时它们是一起落月,主要利用下降级的着陆发动机悬停反冲软着陆月面。下降级就是图中下方用金色箔纸包裹的部分,上升级就是上面白色的舱室。其中下降级就是阿波罗飞船登月舱飞离月球的发射架。宇航员在完成月面任务后登上弦梯进入白色的上升舱段内,
上升级携带发动机和推进剂(登月舱净重4.1吨,加上推进剂总重14.7吨,其中推进剂10.1吨,分配于下降级和上升级),相当于一枚小型载人运载火箭。飞离地球时,上升级以下降级为发射架,点火起飞,载着两位宇航员缓缓上升。
为什么在月球上不像在地球上那样,发射火箭必须在发射基地用发射塔架呢?这是因为月球的引力只有地球的1/6,同样的发射质量只需要1/6的力量就能达到同样的加速度。同时火箭也用不着携带大量的推进剂以至于变成个庞然大物。同样的载荷,火箭质量可不是仅仅减少为原来的1/6,这里面有复杂的计算公式,这里就不多说了。总而言之发射架承受的力大大减轻,所以在月面起飞只需简易的发射架即可。
再说一下阿波罗飞船是如何返回地球的
好了,咱们接着说从月面起飞后的过程:上升级速度逐渐达到1.5千米/秒(差不多只是地球第一宇宙速度的1/6――1/5)的月球第一宇宙速度后,开始环绕月球,寻找月球轨道上的阿波罗飞船的指令舱和服务舱组合体,然后和组合体对接,
宇航员从登月舱上升级转移到指服组合体。然后再抛掉登月舱上升级,调整指服组合体航向开始返回地球,经过三天的飞行后,在进入地球大气层前(三名宇航员早就在指令舱中就坐),抛掉服务舱,指令舱带着三名宇航员以近第二宇宙速度(11.2千米/秒)采用弹跳式二次再入大气层的方式返回地球,
平安降落大洋中。
这是阿波罗11号、12号、14号、15号、16号和17号载人登月飞船返回地球的方式。
阿波罗13号返回地球的方式稍有不同,因为在发射后第三天服务舱氧气罐发生爆炸,炸掉了一半服务舱,
指令舱氧气也开始泄露,登月已不可能,这时离地球32万公里。美宇航局地面指挥中心果断决定利用登月舱载三名宇航员返回地球,先是继续飞向月球绕转到月球暗面后启动登月舱,利用引力弹弓效应变轨进入自由返回轨道,阿波罗13号的三名宇航员克服重重困难最终来到地球大气层边缘,宇航局做了一个违反常规的做法:抛掉服务舱而不是登月舱,目的是为了给服务舱拍照以备事故调查。
三位宇航员这时也离开登月舱,进入指令舱重返大气层,然后再扔掉登月舱,最后乘坐指令舱平安溅落太平洋。
阿波罗13号指令舱平安溅落太平洋