Лунный модуль Аполлона

Лунный модуль Orion от Аполлона 16 на Луну (1972)

Лунный Apollo модуль ( LM для лунного модуля , первоначально LEM для Excursion лунного модуля ) был спускаемый аппарат разработан с 1963 по Grumman компании для НАСА в рамках программы Apollo для посадки на Луну . Однако предварительное планирование НАСА восходит к 1960 году.

LM представляет собой лунный модуль, состоящий из двух частей и состоящий из ступени спуска и подъема. Всего было построено 15 посадочных модулей Apollo. Из них шесть совершили посадку на Луну, оставив нижнюю часть с опорами и спусковым двигателем (ступень спуска) на Луне. После того, как астронавты после пребывания на Луне переключились на командный модуль, чтобы вернуться на Землю, верхняя часть лунного модуля (этап восхождения) осталась на лунной орбите и позже упала на Луну. Большинство из остальных девяти построенных были использованы для испытаний на Земле или не использовались, потому что их миссии были отменены. Лунный модуль Аполлона-13был использован, чтобы частично взять на себя функции поврежденного служебного модуля и, таким образом, позволить космическим путешественникам вернуться на Землю. Некоторые из неиспользуемых лунных десантных аппаратов сейчас выставлены в музеях.

Обычно

Чтобы доставить людей на Луну, на ранней стадии проекта «Аполлон» были продуманы различные технические решения. НАСА относительно быстро перешло от космического корабля, который полностью приземлился на Луну, к разделенной системе, в которой астронавт в «возвращаемой капсуле» ( командно-служебный модуль, CSM) вращается вокруг Луны, а отдельный «Landefahrzeug» должен использоваться с два космонавта на лунную экскурсию. Эта концепция ( сближение на лунной орбите ) оптимизирована по массе, но технически сложна, поскольку оба корабля перемещаются независимо и должны снова состыковаться на лунной орбите после всплытия.

Профиль миссии

Лунный модуль Аполлона незадолго до выхода из третьей ступени Сатурна V ( Аполлон-11 )

Положение лунного модуля Аполлона внутри Сатурна V.

Лунный модуль "Аполлон" на лунной орбите вскоре после отделения от командно-служебного модуля ("Аполлон-11")

На начальном этапе и до тех пор, пока он не достиг лунной переходной орбиты, лунный модуль находился в коническом адаптере на S-IVB, третьей ступени Saturn V , ниже CSM. После выхода на лунную переходную орбиту (транслунная инъекция) этот адаптер был открыт и отделен, и после маневра поворота, который пилот совершил вручную, CSM состыковался с теперь доступным посадочным модулем (перемещение, стыковка и извлечение). . Помимо кратких испытаний, лунный модуль оставался пассивным в большинстве миссий до выхода на лунную орбиту.

На лунной орбите пилот LM и командир миссии затем запустили LM в работу, развернули посадочные опоры и отделились от CSM. Это дало возможность пилоту CSM, оставшемуся в CSM, визуально осмотреть посадочный модуль. Затем два астронавта в LM зажгли спускаемый двигатель примерно на 30 секунд (Descent Orbit Insertion, DOI) с целью создания эллиптической переходной орбиты с самой низкой точкой (периселен или перицинтион) на высоте около 15 км, около 480 км. (восток), чтобы достичь запланированной точки приземления. Этот маневр произошел на обратной стороне Луны без радиосвязи с Землей. Начиная с Apollo 14 , этот процесс был изменен таким образом, что маневр DOI выполнялся CSM, а разделение происходило только после этого, чтобы иметь больше топлива для фазы приземления; для CSM, с его большим запасом хода, необходимость снова ускориться не была проблемой.

Этап подъема лунного модуля Аполлон перед встречей с командно-служебным модулем (Аполлон-11)

Фактический маневр торможения (инициирование спуска с приводом, PDI) начался в периселене (и снова при радиосвязи как с CSM, так и с землей). В первую очередь была снижена скорость LM; этот этап полета проходил полностью под компьютерным контролем. На высоте около 3 км, у так называемых «высоких ворот», LM впервые был частично возведен и позволил космонавтам осмотреть место посадки. На этом этапе командир мог перемещать точку цели, которая все еще находилась под управлением компьютера, с помощью своей сетки, перемещая свой ручной контроллер в направлении полета или в сторону. Компьютер указал для этого угол (обозначение точки посадки, LPD); Считывание и отслеживание других параметров полета (прежде всего высоты и скорости снижения) было обязанностью пилота лунного модуля, в то время как командир смотрел наружу. Заключительный этап захода на посадку начинался на высоте от 200 до 300 м («низкие ворота»); все командиры взяли на себя один из двух частично ручных режимов управления, чтобы самостоятельно выбрать подходящее место для приземления, хотя полностью автоматическая посадка была бы возможна. Во время этой фазы полета топливо оставалось около двух минут. Прекращение было бы возможно на каждой фазе, после чего ступень подъема улетела бы обратно на лунную орбиту. Когда была достигнута поверхность Луны, датчики, установленные на трех из четырех опор, сообщили о контакте с землей с помощью синей сигнальной лампы. Затем астронавты вручную выключили двигатель, и лунный модуль упал на последний метр на поверхность Луны.

Для обратного старта ступень спуска была отделена, служила стартовой площадкой и оставалась на Луне. Подъемный уровень вылетел обратно на лунную орбиту и снова состыковался там с CSM. После переброски космонавтов ступень подъема была отделена от CSM и оставлена ​​на лунной орбите или доведена до управляемой аварии.

разработка

Lunar Module , лунный модуль

В 1963 году заказ на строительство посадочного модуля был отдан компании Grumman в Бетпейдж , Нью-Йорк . Томаса Дж. Келли , который сопровождал первые исследования по разработке LM, обычно называют отцом посадочного модуля . Однако, как он сам сказал, LM был совместным производством многих. Например, будущие астронавты Apollo также участвовали в разработке и строительстве, поскольку в конечном итоге им пришлось летать и садить LM. В основном это были Скотт Карпентер , Чарльз Конрад и Донн Эйзеле .

LM был самым большим пилотируемым космическим кораблем, который когда-либо был разработан и построен до того момента. Внутри посадочного модуля должно быть достаточно места, чтобы два астронавта могли летать и в случае необходимости садить LM вручную. Пассажиры должны были иметь возможность надевать и снимать скафандры и выходить из транспортного средства на поверхность Луны. Потребность в экономии веса была даже больше, чем с CSM, поскольку для посадки на Луну и подъема требовалось изменение скорости примерно на 1800 м / с. Должно было быть место для привезенных с ними образцов почвы ( лунных камней ), а астронавты должны были иметь возможность жить, есть, пить и спать в LM в течение нескольких дней.

Учебный посадочный модуль на базе ВВС Эдвардс (1964)

Первоначально планировалось создать сиденья, аналогичные сиденьям в кабине самолета. Они были бы не только громоздкими и тяжелыми, но и потребовали бы значительно больших окон. С идеей полета и управления LM в положении стоя астронавты смогли подойти намного ближе к окнам и, следовательно, сделать их намного меньше. В левом окне (у командира) была прицельная сетка, которая позволяла командиру определять место приземления на лунной поверхности, рассчитанная в виде числового кода.

Поскольку LM спустился на Луну самостоятельно, он также должен был иметь независимую систему жизнеобеспечения и независимые электрические системы, включая навигацию. Компании, получившие контракт на разработку системы жизнеобеспечения, отличались от тех, кто отвечал за CSM. Во время миссии Apollo 13 это оказалось серьезной ошибкой, поскольку обе системы были частично несовместимы . Тем не менее, астронавты Аполлона-13 также смогли вернуться на Землю, оставаясь во все еще работающем LM в течение длительного времени после взрыва в служебном блоке. LM служил, так сказать, спасательной шлюпкой. LM также использовал другое топливо и двигатели, чем SM, но навигационный блок был в основном идентичным, и навигационные данные могли передаваться между системами.

Особую проблему представляли опоры для приземления: они должны быть максимально изящными и легкими, но в то же время максимально устойчивыми для посадки на Луну и способны поглощать возникающие удары. Кроме того, они должны были быть выдвижными, так как диаметр ступени ракеты был определен сравнительно рано. В начале проектирования разработчики предусмотрели пять посадочных опор. Из-за недостатка места тогда было реализовано только четыре, но это не повлияло на стабильность.

Поскольку лунный модуль должен был работать в гравитационном поле Луны, должным образом проверить летные характеристики LM на Земле не удалось. Изменения ЛМ в части установки плавающего двигателя оказались бессмысленными. Испытания с посадочными модулями, подвешенными к вертолетам, также не дали полезных результатов. Наконец, были предприняты попытки воссоздать лунную гравитацию с помощью специально построенных устройств для тренировки посадки, LLTV , с помощью дополнительных двигателей . Но поскольку подъемные и управляющие сопла влияли друг на друга, LLTV были не очень устойчивыми, и было несколько аварий, в результате чего пилоты, в том числе Нил Армстронг , смогли спастись с помощью катапультного кресла . В результате использование LLTV было сокращено, и допускались только командиры миссий. Специальная конструкция была LLRF для отработки последней последовательности посадки до приземления. В частности, тренажеры использовались в неизвестной ранее степени.

Спецификации

Лунный модуль " Орел на Луне" (1969)

На заправленном топливе посадочный модуль имел номинальную общую массу 14 696 кг, которая, однако, различалась от миссии к миссии, общую высоту 6,40 м и диаметр 4,30 м (9,50 м с удлиненными посадочными опорами). Она состояла из около миллиона частей, что избыточно разработана радио и радиолокационного оборудование , вышеупомянутого жизнеобеспечение и навигационного компьютер . Эта сложность потребовала новых процессов в планировании, производстве и обеспечении качества. Отсутствие атмосферы на Луне также требовало защиты от микрометеоритов и тепловой защиты в виде алюминиевых и золотых каптоновых пленок .

Лунный модуль был разработан с чисто функциональной точки зрения. В аэродинамике не играет никакой роли из-за вакуум в пространстве или на Луне. Система состояла из двух ступеней: ступени спуска (DS) и ступени всплытия (Ascent Stage - AS), каждая из которых была оборудована собственным двигателем. Такая конструкция означает, что центр тяжести очень точно расположен на оси двигателя, что было достигнуто за счет различных конструктивных мер.

Уровень понижения

Стадия спуска (DS for D escent S days) была нижней частью и, помимо двигателя, содержала баки для топлива, кислорода , воды и гелия . На внешней стороне конструкции были четыре опоры для приземления и оборудование для полевых миссий. Немаловажная часть общей массы ступени в конечном итоге приходилась на батареи для питания бортовой сети на 28 В и 115 В. Эти батареи в принципе были перезаряжаемыми, но на борту не было системы подзарядки. .

Посадочные опоры придавали аппарату вид паука, за что среди космонавтов он получил прозвище «Паук». Ступенька, включая опоры, была высотой 3,24 м. К ноге под люком была прикреплена лестница для входа и выхода. EASEP или ALSEP, а также, в случае миссий J, лунный движущийся корабль были размещены по бокам и доступны снаружи . После завершения исследования этап спуска послужил стартовой базой для этапа восхождения. Взрывной механизм разделил две ступени, оставив ступень спуска на Луне. При необходимости, эшелонирование также может быть выполнено на этапе снижения, чтобы можно было прервать посадку с безопасным возвратом в CSM.

структура

Конструктивно ступень спуска состояла из двойного креста с центральным квадратом и четырех коробчатых конструкций одинакового размера, прикрепленных к боковым поверхностям. Отдельные панели состояли из фрезерованных и химически обработанных алюминиевых пластин, которые были склепаны вместе. Двигатель находился посередине, два бака для топлива и окислителя располагались симметрично с четырех сторон . Наружные диагонали креста были скреплены и плакированы, так что ступенька спуска имела форму восьмиугольника. Остальные помещения располагались в четырех треугольных сегментах. Посадочные стойки были привязаны к внешним углам подкосами. Они были сконструированы телескопически и содержали деформируемый элемент, который принимал на себя большую часть удара при касании. Нога перед выходным люком несла лестницу, которую астронавты могли использовать для достижения лунного дна, а три другие ноги были оснащены датчиками для обнаружения приземления. Для защиты от остывания на пути к Луне спускаемая ступень была в основном покрыта майларовой фольгой, покрытой золотом.

Двигатель ступени спуска

Спуск двигательной системы был поворачиватьс и обеспечил тягу 10500  фунтов _F (45 кН). Мощность двигателя может регулироваться компьютером или вручную в двух диапазонах до 1050 фунтов (4,7 кН). В качестве топлива использовалась смесь 50 процентов гидразина (N ₂ H ₄ ) и 50 процентов асимметричного диметилгидразина , называемого Аэрозин 50 . Вместе с окислителем тетроксидом азота (N ₂ O ₄ ) смесь является очень взрывоопасной и гиперголичной , то есть она автоматически воспламеняется при контакте без необходимости в системе зажигания. Другой бак содержал гелий , который использовался в качестве топлива для вдавливания окислителя и топлива в камеру сгорания.

Спецификация

• Высота без опор: 2,62 м
• Ширина без опор: 3,91 м
• Ширина с разложенными опорными стойками: 9,4 м
• Полная масса с топливом: 10 334 кг (указано, точное значение зависит от миссии), что значительно выше для миссий J
• Вода: бак 151 кг
• RCS : нет, контроль основан на уровне продвижения
• Топливо СПС (Descent Propulsion System): 8200 кг Аэрозина 50 и тетроксида азота (N ₂ O ₄ ) в качестве окислителя.
• Усилие ДПС: 45,0 кН, регулируемое от 10% до 60%; поворотное сопло
• Печать на ДПС: баллон с гелием 22 кг под 10700 кПа
• Удельный импульс ДПС: 311 с
• ДПС Дельта v : 2500 м / с
• Батареи: четыре (пять для миссий J) серебристо-цинковые батареи 28–32 В, 415 Ач, каждая весом 61 кг

Уровень продвижения

Жиклеры управления ступенью подъема

Кабина подъемной ступени

Этап подъема (AS for A scent S day) содержал цилиндрическую кабину для двух космонавтов, которые находились в передней части (слева командир, справа пилот с точки зрения космонавта), среднюю часть со всеми органами управления и подъемом. двигатель и задняя часть, в которой размещалась электроника. Баки, антенны, система ориентации и внешняя оболочка были построены вокруг цилиндра, что придавало ступени подъема характерный вид. Для экономии веса двум астронавтам пришлось стоять при посадке. Их удерживали ремнями и тросами. В передней части ступни между космонавтами имелся почти квадратный люк шириной и высотой 82 см, через который после приземления можно было выйти. Большая часть систем рулевого управления, связи и печати располагалась в средней части. Здесь же размещались образцы горных пород для обратного транспорта. Еще один люк диаметром около 84 см был прикреплен в верхней части центральной секции и служил связующим звеном между спускаемым аппаратом и командным модулем. Подъемная ступень имела три окна: два треугольных впереди для наблюдения за посадкой (снабжены сеткой в ​​комендантском окне) и маленькое прямоугольное сверху для контроля подхода к базовому кораблю. Положение ступеньки подъема в пространстве контролировали 16 контрольных сопел , которые были расположены в четыре группы (так называемые «квадроциклы»). Они были идентичны квадроциклам CSM, то есть обладали сравнительно высокой тягой, и располагались далеко от них. В результате возникли важные моменты , особенно когда резервуары были пустыми, что привело к тому, что астронавты назвали «угловатым» полетом.

структура

Подъемная ступень построена вокруг горизонтального цилиндра, образующего герметичную кабину. Цилиндр снова состоял из фрезерованных алюминиевых пластин, причем передняя и задняя части были особенно жесткими. В отличие от пластинчатой ​​конструкции ступени спуска все остальные части (баки, сопла ориентации, антенны и задняя панель приборов) соединялись подкосами. Опять же, нужно было обратить внимание на положение центра тяжести; Поскольку на этапе подъема всего два бака, более легкий топливный бак (с левой стороны, как видели астронавты) был расположен значительно дальше, чем бак окислителя. Контрфорс был скрыт под внешней панелью.

Двигатель ступени подъема

Двигатель ступени подъема

Постоянно установлен - в отличие от стадии спуска, не-поворотное - двигатель для возвращения начать с Луны порождающей неконтролируемые тягу 3500 фунтов _F (15,6 кН). Этого было достаточно, чтобы вернуть ступень подъема весом около 4,8 тонны на лунную орбиту. Топливо было такое же, как и на спусковой ступени. Двигатель был спроектирован как можно более простым и, кроме клапанов, не имел движущихся частей, чтобы обеспечить максимально возможную надежность. Поэтому использовалась подача сжатого газа . Двигатель можно было повторно запустить несколько раз, так что изменения орбиты на лунной орбите после всплытия, в частности маневр сближения с CSM, были возможны. Управление во время фазы всплытия осуществлялось компьютером, у которого была собственная программа всплытия, которая не зависела от основной навигации. Однако было возможно и ручное управление.

Спецификация

• Экипаж: 2
• Жилой объем: 6,7 м ³
• Высота: 2,83 м
• Ширина: 4,29 м
• Глубина: 4.04 m
• Полная масса на топливе: в зависимости от задачи около 4870–4990 кг.
• Атмосфера: 100% кислород ниже 33 кПа
• Вода: два бака по 19,3 кг каждый
• Охлаждающая жидкость: 11 кг смеси этиленгликоль- вода (для электроники)
• Температурный контроль: активный испаритель
• Топливо RCS (система контроля реакции): 287 кг аэрозина 50 и тетроксида азота (N ₂ O ₄ ) в качестве окислителя.
• Конфигурация RCS: 16 форсунок с тягой 45 Н, расположенных на стойках по четыре «четверки».
• Удельный импульс ЭПР: 290 с
• Топливо APS (Ascent Propulsion System): 2353 кг Аэрозина 50 и тетроксида азота (N ₂ O ₄ ) в качестве окислителя.
• Тяга АПС: 15600 Н, не регулируется
• Печать на APS: два гелиевых бака по 2,9 кг каждый под 21000 кПа
• Удельный импульс АПС: 311 с
• APS Delta v : 2220 м / с
• Удельная тяга на Луне: 2,1: 1
• Батареи: две серебристо-цинковые батареи 28–32 В, 296 Ач, каждая по 57 кг.
• Электропитание: 28 В постоянного тока, 115 В 400 Гц переменного тока

Лунная машина

В рамках программы « Аполлон» « Аполлон-15» был первой из трех так называемых миссий J, которые предусматривали более длительное пребывание на Луне. Лунный вездеход с батарейным питанием , который складывался и прикреплялся к внешней стороне лунного модуля для транспортировки, позволял более свободно перемещаться по лунной поверхности и исследовать большую территорию.

Климатическая система

Климатическая система лунного модуля была настолько совместима с скафандрами космонавтов, что на пароме их можно было заряжать до шести раз.

Местонахождение лунного посадочного модуля

С Аполлона-15 использовался модифицированный лунный модуль, который позволял более длительное пребывание и мог нести лунную машину .

Смотри тоже

• Система первичного наведения, навигации и управления (PGNCS)
• Компьютер управления Apollo (AGC)
• Отмена системы наведения (AGS)

литература

• Томас Дж. Келли: Лунный посадочный модуль: как мы разработали лунный модуль «Аполлон» . Smithsonian Books, Вашингтон, округ Колумбия, 2001 г., ISBN 1-56098-998-X .

веб ссылки

• Обзор силовых установок лунного модуля Apollo (PDF)
• Лунный модуль (НАСА: Колесницы для Аполлона, Глава 6 )
• Запуск Аполлона-17 с Луны (фильм QuickTime; 998 кБ)

Индивидуальные доказательства

1. ↑ Лунные модули в Национальном музее авиации и космонавтики .
2. ↑ Астрономы могли найти модуль «Снупи» Аполлона 10. Доступ осуществлен 15 февраля 2020 г.
3. ↑ Джеймс Мидор: Долгосрочная орбитальная стабильность ступени подъема лунного модуля «Орёл» Аполлона-11. В: arXiv: 2105.10088 [Physics.space-ph]. 21 мая 2021, доступ к 17 июля 2021 . 
4. ↑ Майкл Хан: Орел все еще может летать. В: SciLogs - Научные блоги: вперед. 24 мая 2021, доступ к 17 июля 2021 .