Лунный посадочный модуль - Lunar lander

Для использования в других целях см. Лунный посадочный модуль (значения).

Аполлон Лунный модуль Аполлона -5 Орел как видно из CSM -107 Колумбия

А посадочный модуль или же Посадочный модуль на Луну это космический корабль предназначен для приземлиться на Луне. В Лунный модуль Аполлона, предназначенный для посадки экипажа из двух человек и возвращения их на орбиту, совершил шесть успешных посадок и взлетов с 1969 по 1972 год.

Требования к конструкции этих посадочных устройств зависят от факторов, налагаемых характеристиками и назначением полезной нагрузки, скоростью полета, требованиями к двигательной силе и ограничениями конфигурации.[1] Другие важные факторы проектирования включают общие потребности в энергии, продолжительность миссии, тип операций миссии на лунной поверхности и система жизнеобеспечения если экипаж. Относительно высокий сила тяжести и отсутствие лунная атмосфера отрицает использование аэродинамическое торможение, поэтому спускаемый аппарат должен использовать тягу для замедления и достижения мягкая посадка.

Несколько исследований указывают на потенциал как научных, так и технологических выгод от непрерывных исследований лунной поверхности, которые завершатся использованием лунных ресурсов или разработкой необходимых технологий для посадки полезных грузов на другие планеты в Солнечная система.[2]

История

В Луна программа был серией ударных роботов, облетов, орбитальных аппаратов и посадочных аппаратов Советский союз между 1958 и 1976 годами. Луна 9 был первым космическим кораблем, совершившим мягкую посадку на Луну 3 февраля 1966 года после 11 неудачных попыток. Три Луны вернули на Землю образцы лунного грунта с 1972 по 1976 год. Две Луны совершили мягкую посадку на Землю. Луноход Роботизированный луноход в 1970 и 1973 годах. Луна совершила в общей сложности 7 успешных мягких посадок из 27 попыток.

Соединенные Штаты Сюрвейерская программа первая мягкая посадка Сюрвейер 1 2 июня 1966 года, и успешно осуществили мягкую посадку еще четырех, всего за семь попыток до 10 января 1968 года.

В Лунный модуль Аполлона использовался для Программа пилотируемых космических полетов США на 1969–1972 гг..

В LK Lander был разработан для программы пилотируемых космических полетов Советского Союза, но никогда не использовался в космосе.

Предлагаемые посадочные места

Проблемы, уникальные для посадки на Луну

Приземление на любое тело Солнечной системы сопряжено с проблемами, уникальными для этого тела. В Луна имеет относительно высокую гравитацию по сравнению с астероидами или кометами, а также некоторые другие спутники планет - и никакой особой атмосферы. Фактически это означает, что единственный метод снижения и посадки, который может обеспечить достаточную тягу с помощью современных технологий, основан на химические ракеты.[4] Кроме того, у Луны длинный солнечный день. Ландеры будут находиться под прямыми солнечными лучами больше двух недель подряд, а затем еще две недели в полной темноте. Это вызывает серьезные проблемы с терморегулятором.[5]

Отсутствие атмосферы

По состоянию на 2019 год космические зонды приземлились на все три тела, кроме Земли, которые имеют твердые поверхности и атмосферу, достаточно толстую, чтобы сделать возможным аэротормоз: Марс, Венера, и Спутник Сатурна Титан. Эти зонды смогли использовать атмосферы тел, на которые они приземлились, чтобы замедлить их спуск с помощью парашютов, уменьшив количество топлива, которое им требовалось нести. Это, в свою очередь, позволило посадить на эти тела большие полезные нагрузки при заданном количестве топлива. Например, 900-кг Любопытство ровер приземлился на Марс ремесло имея массу (на момент входа в атмосферу Марса) 2400 кг,[6] из которых только 390 кг приходилось на топливо. Для сравнения, гораздо легче (292 кг) Сюрвейер 3 совершил посадку на Луну в 1967 году, использовав почти 700 кг топлива.[7] Однако отсутствие атмосферы устраняет необходимость в установке теплового экрана для посадочного модуля на Луну, а также позволяет аэродинамика не следует принимать во внимание при проектировании корабля.

Высокая гравитация

Хотя у Луны гораздо меньшая гравитация, чем у Земли, у Луны достаточно высокая гравитация, поэтому падение необходимо значительно замедлить. Это контрастирует с астероидом, в котором «посадка» чаще называется «стыковкой» и является скорее вопросом сближения и согласования скорости, чем замедления быстрого снижения.

Поскольку для спуска и посадки используется ракетная техника, гравитация Луны требует использования большего количества топлива, чем требуется для посадки на астероид. Действительно, одним из основных конструктивных ограничений для посадки на Луну программы Apollo была масса (поскольку для посадки больше массы требуется больше топлива), необходимая для приземления и взлета с Луны.[8]

Тепловая среда

На лунную термальную среду влияет продолжительность лунного дня. Температура может колебаться от 25K (в течение лунной ночи) до 390K (в течение лунного дня). Эти крайности случаются в течение четырнадцати земных дней каждая, поэтому системы терморегулирования должны быть рассчитаны на длительные периоды сильного холода или жары.[9] Напротив, большинство космических аппаратов должны находиться в гораздо более строгом диапазоне от 233K до 323K.[10] Это означает, что спускаемый аппарат должен охлаждать и нагревать свои инструменты.

Продолжительность лунной ночи затрудняет использование солнечной электроэнергии для нагрева инструментов, поэтому часто используются ядерные обогреватели.[5]

Этапы посадки

Достижение мягкой посадки является главной целью любого лунного посадочного модуля и отличает посадочные модули от ударных, которые были первым типом космических кораблей, достигших поверхности Луны.

Для спуска всем лунным посадочным аппаратам требуются ракетные двигатели. Орбитальная скорость вокруг Луны может в зависимости от высоты превышать 1500 м / с. Космические аппараты на траекториях столкновения могут иметь скорость, значительно превышающую эту.[11] В вакууме единственный способ снизить скорость - использовать ракетный двигатель.

Этапы посадки могут включать:[12][13]

  1. Вывод на спускаемую орбиту - космический аппарат выходит на орбиту, благоприятную для окончательного спуска. Эта стадия отсутствовала при ранних попытках посадки, которые начинались не с лунной орбиты. Вместо этого такие полеты начинались по траектории столкновения с Луной.[11]
  2. Спуск и торможение - космический корабль запускает двигатели до тех пор, пока он не выйдет на орбиту. Если бы двигатели полностью прекратили работу на этом этапе, космический корабль в конечном итоге столкнулся бы с поверхностью. На этом этапе космический корабль использует свой ракетный двигатель для снижения общей скорости.
  3. Окончательный подход - космический корабль почти на месте приземления, и можно сделать окончательные корректировки для точного места приземления.
  4. Touchdown - космический корабль совершил мягкую посадку на Луну.

Приземление

Посадки на Луну обычно заканчиваются выключением двигателя, когда посадочный модуль находится на несколько футов выше поверхности Луны. По идее, выхлоп двигателя и лунный реголит могут вызвать проблемы, если они будут отброшены с поверхности на космический корабль, и, таким образом, двигатели отключатся непосредственно перед приземлением. Инженеры должны обеспечить достаточную защиту транспортного средства, чтобы падение без толчков не привело к повреждению.

Первая мягкая посадка на Луну, осуществленная советскими Луна 9 зонд, было достигнуто сначала замедлением космического корабля до подходящей скорости и высоты, а затем выбросом полезной нагрузки, содержащей научные эксперименты. Полезный груз был остановлен на поверхности Луны с помощью подушек безопасности, которые обеспечивали амортизацию при падении.[14] Луна 13 использовал аналогичный метод.[15]

Методы подушек безопасности нетипичны. Например, НАСА Сюрвейер 1 Зонд, запущенный примерно в то же время, что и «Луна-9», не использовал подушку безопасности для окончательного приземления. Вместо этого, после того, как он остановил свою скорость на высоте 3,4 м, он просто упал на поверхность Луны. Чтобы приспособиться к падению, космический корабль был снабжен разрушаемыми компонентами, которые смягчали бы удар и сохраняли полезный груз в безопасности.[11] Совсем недавно китайцы Чанъэ 3 спускаемый аппарат использовал аналогичную технику, упав на 4 м после остановки двигателя.[16] Возможно, самые известные лунные аппараты Программа Аполлона, были достаточно прочными, чтобы справиться с падением, как только их контактные зонды обнаружили, что посадка неизбежна. Аполлон-11 Лунный спускаемый аппарат, например, коснулся поверхности своим зондом на высоте 1,6 м над лунной поверхностью, после чего двигатель был выключен, и космический корабль упал на оставшееся расстояние.[17]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Требования к ступеням лунного посадочного модуля на основе базы данных по гражданским потребностям (PDF). Джон А. Малкуин. Центр космических полетов им. Маршалла НАСА. 1993 г.
  2. ^ Конфигурации Lunar Lander, включающие доступность, мобильность и опыт криогенного движения Centaur (PDF). Бонни М. Биркенштадт, Джош Хопкинс, Бернард Ф. Каттер, Фрэнк Зеглер, Тодд Мошер. Компания Lockheed Martin Space Systems. 20006.
  3. ^ Роботизированный лунный посадочный модуль, НАСА, 2010, по 10 января 2011 г.
  4. ^ Верц, Джеймс; Ларсон, Уайли (2003). Анализ и проектирование космических миссий (3-е изд.). Калифорния: Microcosm Press. ISBN  1-881883-10-8.
  5. ^ а б Окисио, Сёго; Нагано, Хосей; Огава, Хироюки (декабрь 2015 г.). «Предложение и проверка метода лунной ночи путем стимулирования теплообмена с реголитом». Прикладная теплотехника. 91 (5): 1176–1186. Дои:10.1016 / j.applthermaleng.2015.08.071. HDL:2346/64545.
  6. ^ "Специальная посадка MSL - MSL - Марсианская научная лаборатория".
  7. ^ «НАСА - NSSDCA - Космический корабль - Детали».
  8. ^ Коул, Э. (Ноябрь 1965 г.). «Проектирование и разработка трехместного космического корабля Apollo с двухместным лунным экскурсионным модулем (LEM)». Летопись Нью-Йоркской академии наук. 134 (1): 39–57. Дои:10.1111 / j.1749-6632.1965.tb56141.x.
  9. ^ Hager, P; Клаус, Д; Уолтер, У (март 2014 г.). «Характеристика переходных тепловых взаимодействий между лунным реголитом и надводным космическим кораблем». Планетарная и космическая наука. 92: 101–116. Дои:10.1016 / j.pss.2014.01.011.
  10. ^ Гилмор, Д. Г. (2003). Справочник по тепловому контролю космических аппаратов (2-е изд.). Сегундо, Калифорния: Aerospace Press. ISBN  1-884989-11-X.
  11. ^ а б c «НАСА - NSSDCA - Космический корабль - Детали».
  12. ^ "Обзор миссии Аполлона-11". 2015-04-17.
  13. ^ "Чанъэ 3 - Смена".
  14. ^ «НАСА: Луна 9».
  15. ^ "Миссия Луны 13: Рождество 1966 года на Луне". 2016-12-24.
  16. ^ Ринкон, Пол (14 декабря 2013 г.). "Китай отправляет марсоход Jade Rabbit на Луну". Новости BBC.
  17. ^ "Зондирование поверхности Луны".