[科普中国]-登月舱

结构组成

登月舱从起飞到入轨这一段称为动力上升段，它又可以分为垂直上升段和轨道进入段。当垂直起飞一定时间或者达到一定速度的时候，由垂直上升段转入轨道进入段，开始进行制导。1登月舱在月面时，上升、下降段合二而一，但从月球表面再度起飞时，保有上升段起飞，下降段则是发射架，发射完毕后置留于月球表面。上升段有乘员室，气温24度，室内充满1/3大气压的纯氧。载人登月舱上升段有卧室和立式两种结构。上升段采用卧式结构与立式结构相比有明显的优点，主要体现以下几个方面：（1）在同等体积的情况下卧式结构可以提供更大的地板空间；（2）卧式结构可以为航天员提供更好的视角；（3）更易于航天员舒展肢体；（4）提供承受推进剂贮箱载荷的结构（立式结构在一个方向上比较弱） 。下降段装有登月舱向月面降落减速使用的逆喷射火箭，备有火箭的燃料、氧化剂槽、水和氧气槽，还有调查月面的科学仪器。下降段主要包含推进系统和完成月球轨道插入、月面降落和着月过程所需的推进剂。2

关键技术级间分离关键技术分析载人登月舱上升段和下降段通过机械连接形成一个整体结构，上升段返回时，将与下降段断开。尽管我国“嫦娥”探月三期将突破返回舱返回任务，但是载人登月舱上升段和下降段之间除了机械连接外，还包含与航天员任务密切相关的连接电缆，用于将储存于下降段的水和氧气输送给环境控制系统的气体、液体通道，并且提供冷却液的循环回路。因此返回前，上升段和下降段分离时不仅仅需要解除机械连接，还要切断连接电缆、气体、液体连接通道，而且需要对液体通道断面处进行密封。2

通常情况，级间分离技术包含三个方面：（1）上升段和下降段之间的机械连接断开关键技术。针对级间机械连接的断开广泛采用的是爆炸螺栓，我国“嫦娥”三期及“阿波罗”工程均采用爆炸螺栓断开机械连接。通常情况下登月舱上升段与下降段之间采用四个爆炸螺栓进行连接，爆炸螺栓具有承载能力大、结构简单、工作可靠、使用方便的优点；（2）上升段和下降段之间的连接线缆断开关键技术。登月舱上升段与下降段级间分离除了上述机械连接断开外，还包括与航天员密切相关的连接线缆及气液通道断开技术。综合前期载人登月及我国载人航天研究成果，通常情况下级间连接线缆的断开可以采用级间缆线断开器，级间气体、液体通道的断开可以采用气液通道断开器；（3）上升段与下降段气液通道断面的自动密封关键技术。载人登月舱上升段及下降段电缆线、水供应通道、氧气供应通道等断开后，断口处的自动密封装置必须具有高度可靠性，否则会严重威胁航天员的生命安全。对月球登月舱来说，气液通道断开面一般位于分离机构处，用爆炸螺栓通过分离机构将上升段和下降段连接起来，分离时爆炸螺栓引爆，分离机构沿分离面断开，分开的气液通道端面根据需要应能自动密封，避免发生气体和液体的泄露。自动密封装置具有结构简单和稳定可靠的特点，“阿波罗”采用的是压缩式双密封装。2

软着陆关键技术实现月面软着陆且保证航天员安全是整个探月任务中最关键的技术之一，能否使登月舱稳定、安全的着陆在月面上直接关系到整个探测任务的成败。航天器实现软着陆的方式有很多，应用于航天器软着陆的缓冲方式主要有以下几种: 降落伞、着陆缓冲火箭、缓冲气囊、机械式缓冲器、压缩式吸能缓冲器。美国和前苏联发射的无人月球探测器中，将机械式缓冲器和压缩式吸能缓冲器组合起来作为软着陆系统，而“阿波罗”载人登月计划中，登月舱软着陆系统采用的是压缩式吸能缓冲器。在新一轮探月高潮中，各国对磁流变缓冲器、油气缓冲器、金属橡胶缓冲器等应用于月球软着陆的可行性开展研究。伴随着新型缓冲材料的出现，尤其是半主动缓冲技术的应用成熟，突破传统的铝蜂窝缓冲装置，寻找简易、可控、可靠性高的缓冲材料是未来载人登月软着陆领域发展趋势。2

缓冲性能分析及耐撞性设计航天器与航天员之间不断地有动量和动量矩的交换，而这种相互作用在作用形式、作用规模、作用强度、作用位置和范围、作用时刻和时间等方面，都是随机的、不确定的，而且是高度耦合的。必须在载人航天器动力学模型中考虑航天员的作用和影响。2

目前，国内对登月着陆器的研究主要针对不载人着陆器，并未考虑航天员的参与以及坠撞特性。对载人登月最后着陆过程而言，可能出现各种意想不到的情况，登月舱有可能发生倾覆或者坠撞，登月舱主要结构是否不遭到致命的破坏，航天员能否利用上升舱返回，是极其重要的问题。因此需要对着陆器进行坠撞分析和耐撞性设计的研究。目前，我国在这方面的研究尚处于起步阶段，缺乏相关的全机坠撞试验和仿真分析研究经验，更缺乏相关设计标准和试验标准。2

软着陆机构柔性铰链设计技术由于月球表面不是平坦的，登月舱着陆于有坡度的月面时，登月舱相对于着陆处的水平面也存在坡度，对载人登月舱而言，如果着陆后登月舱不是水平的，将会导致很多不便，可应用柔性铰链对登月舱进行自水平设计。对每条着陆腿使用柔性铰链，并对柔性铰链进行优化设计，使登月舱能在一定的着陆坡度范围内保持接近水平的状态。着陆器的重量与柔性铰链的抵抗力矩共同作用使登月舱达到静力平衡。登月舱柔性铰链设计关键在于如何推导柔性铰链的转动刚度，并对柔性铰链与机构参数进行优化。针对柔性铰链计技术早期使用试凑法，现多用基于拓扑结构的系统化分析与设计方法。主要有: 刚体替换法( 伪刚体模型法、结构矩阵法) 、连续法( 拓扑优化法、均匀化法、基础结构法、窗函数法、水平集法) 、约束设计法、基于旋量理论的拓扑综合法、模块法等。2

非对称式载人登月舱设计关键技术登月舱总体具有对称布局与非对称布局两种。目前探月领域所采用过的均为对称布局。但是有关研究表明: 在相同的可靠性、稳定性基础上，非对称登月舱相对于对称登月舱可减少10% 左右结构质量。2

非对称登月舱相对于对称登月舱优点归纳总结如下：（1）着陆腿非对称分布有利于配平登月舱重心位置、便于机构布置、结构简单、便于运载同时容易适应运输空间装载要求；（2）着陆腿非对称分布形式的登月舱可以提高登月舱的着陆稳定性，研究表明: 如图15 所示的非对称四腿着陆结构，相对于对称四腿着陆结构，该非对称的四腿结构一侧的两条腿向外伸长，将足垫与机体的轴线的距离增加了33%，这样就在很大程度上提高了着陆稳定性。同时非对称登月舱可以适应其他任务要求。2

尽管对称式登月舱仍然是目前探月的主流选择，我国“嫦娥”二期、三期均使用对称布局登月舱。但由于非对称登月舱优良的着陆性能，相对较轻的质量同时适合较大规模登月舱尤其载人系列，目前国外研究已广泛开展，其研究也取得阶段性成果。2

发展概况首次载人1969年3月3日，执行登月舱首次载人飞行任务的”阿波罗”9号发射成功。这次任务的基本目的是对整个飞船系统中的这一部分进行飞行鉴定。另外，还要证明登月舱是否能在指令与服务舱的配合下，在失重飞行条件下完成所承担的任务。这项工作不需要飞往月球，因此“阿波罗”9号任务是在地球轨道上进行的。按照该规划，在飞行过程中，宇航员将在三种不同情况下进入登月舱，首先是要检查大量的程序和其它项目，其次是对登月舱进行多次启动和关闭。登月舱在飞行中做一次以上的加电和减电，这是唯一的一次。这样做的用意是想发现可能出问题的事情，并对在模拟过程中制订出来的程序进行细化，并更加精确地完成任务。

首次登月1969年7月21日（美国东部时间）下午4时17分40秒，美国宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林驾驶 “阿波罗”11号飞船的登月舱平安降落在月球“静海”的西南部，这是世界首次降落在月球表面的登月舱。他们在月面竖立了美国国旗，采集了月面岩石标本，安放了地震仪和激光反射器，并进行了月面探测。21时36分20秒后，他们点燃登月舱上升段火箭，飞离月面。这时另一名宇航员柯林斯正在指挥舱中作环月轨道飞行，与其会合对接后，阿姆斯特良与奥尔德林将收集到的资料通过80厘米的 “隧道”移入指挥舱后，登月舱的上升段便被抛开甩掉。大约两天半后，即1969年7月24日（美国东部时间）12时50分35秒时，载有三名宇航员的指挥舱安全溅落在太平洋上，结束了他们为期195小时18分35秒的月球航行。此后，美国又有 ”阿波罗12号、14号─17号的登月舱各载两名宇航员分别着陆于月球表面，进行了大量的月央活动和科学探察，从中获得许多宝贵资料。

对于每一次登月任务，登月舱的软着陆支架无疑是最为关键的装置之一。软着陆支架能确保登月舱安全平稳地降落在月球表面，宇航员得以顺利出舱并进行月面探测活动。同时，软着陆支架还起到月面上升器的发射架作用，保证航天员携带月球样品可靠地由月面进入环月轨道，最终安全返回地球。“阿波罗”登月舱软着陆支架的设计有以下特点：（1）“阿波罗”登月舱软着陆支架的设计考虑了月坡、月石、较大的着陆速度等恶劣工况，缓冲能力及着陆稳定性具备较大的设计裕度，可靠性高；（2）设计采用4 组“悬臂”式着陆腿、可收拢展开的构型，是充分考虑质量、着陆稳定性、运载器包络要求、各种恶劣工况条件等因素的综合优化结果；（3）采用铝蜂窝作为缓冲元件，其吸能效率高、质量轻，对于一次性使用的登月舱软着陆支架是较为有效、可靠且简单的方法；（4）采用弹簧驱动方式的展开锁定机构，相对于电机驱动、液压驱动、火工作动等方式，系统设计较为简单，且能够相对独立。其关键问题是要解决机构的运动优化，不能出现干涉和死点，必须保证机构的重复运行精度。3