Лунный посадочный модуль - Lunar lander

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

Аполлон Лунный модуль Аполлон- 5 Орел, вид с CSM- 107 Колумбия

Лунный посадочный модуль или Луны посадочный модуль является космическим аппаратом предназначен для земли на поверхности Луны . По состоянию на 2021 год лунный модуль Apollo - единственный лунный модуль, который когда-либо использовался в космических полетах человека, совершивший шесть посадок на Луну с 1969 по 1972 год в рамках американской программы Apollo .

Требования к конструкции этих посадочных устройств зависят от факторов, налагаемых полезной нагрузкой, скоростью полета, требованиями к двигательной силе и ограничениями конфигурации. Другие важные факторы проектирования включают общие потребности в энергии, продолжительность миссии, тип операций миссии на поверхности Луны и систему жизнеобеспечения, если есть экипаж. Относительно высокая гравитация и отсутствие лунной атмосферы исключают использование аэродинамического торможения , поэтому спускаемый аппарат должен использовать тягу для замедления и достижения мягкой посадки .

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 Солнечной системы .

История

Программа « Луна» представляла собой серию ударных роботов, облетов, орбитальных аппаратов и посадочных устройств, которыми управлял Советский Союз в период с 1958 по 1976 год. « Луна-9» была первым космическим кораблем, совершившим мягкую посадку на Луну 3 февраля 1966 года после 11 неудачных попыток. . Три космических корабля "Луна" вернули на Землю образцы лунного грунта с 1972 по 1976 год. Два других космических корабля "Луна" совершили мягкую посадку на луноход- робот " Луноход" в 1970 и 1973 годах. "Луна" совершила в общей сложности семь успешных мягких посадок из 27 попыток.

США программа Surveyor первая мягкая посадка Surveyor 1 на 2 июня 1966 года, и успешно мягкую посадку еще четыре, в общей сложности семь попыток через 10 января 1968 года.

Лунный модуль « Аполлон» был посадочным устройством для американской программы « Аполлон» . По состоянию на 2021 год это единственный лунный посадочный модуль, который когда-либо использовался в космических полетах человека, совершивший шесть посадок на Луну с 1969 по 1972 год.

LK модуль лунной был лунный посадочный модуль , разработанный Советского Союза в составе нескольких советских лунных программ с экипажем . Несколько лунных модулей LK были запущены без экипажа на низкой околоземной орбите , но лунный модуль LK никогда не летал на Луну, поскольку разработка ракеты- носителя N1, необходимой для полета на Луну, потерпела неудачу (включая несколько неудачных запусков), а после Первые пилотируемые посадки на Луну были осуществлены Соединенными Штатами , Советский Союз отменил программы ракеты N1 и лунного модуля LK без каких-либо дальнейших разработок.

Предлагаемые посадочные места

Человеческие десантные аппараты в стадии разработки

16 апреля 2021 года НАСА объявило о заключении контракта с компанией SpaceX с твердо фиксированной ценой на 2,89 миллиарда долларов США на полет на Луну без экипажа и последующую миссию с экипажем на Луну с использованием Starship HLS .

Проблемы, уникальные для высадки на Луну

Приземление на любое тело Солнечной системы сопряжено с проблемами, уникальными для этого тела. У Луны относительно высокая гравитация по сравнению с гравитацией астероидов или комет - и некоторых других спутников планет - и нет значительной атмосферы. Фактически это означает, что единственный способ спуска и посадки, который может обеспечить достаточную тягу при существующих технологиях, основан на химических ракетах . Кроме того, на Луне длинный солнечный день . Ландеры будут находиться под прямыми солнечными лучами больше двух недель подряд, а затем в полной темноте еще две недели. Это вызывает серьезные проблемы с терморегулятором.

Отсутствие атмосферы

По состоянию на 2019 год космические зонды приземлились на всех трех телах, кроме Земли, которые имеют твердые поверхности и атмосферу, достаточно толстую, чтобы сделать возможным аэродинамическое торможение: 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, марсоход Curiosity массой 900 кг был доставлен на Марс аппаратом, имеющим массу (на момент входа в атмосферу Марса) 2400 кг, из которых только 390 кг было топливом. Для сравнения, гораздо более легкий (292 кг) Surveyor 3 приземлился на Луну в 1967 году, использовав почти 700 кг топлива. Однако отсутствие атмосферы устраняет необходимость в установке теплового экрана для посадочного модуля на Луну, а также позволяет не учитывать аэродинамику 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 спуска.

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 большей массы требуется больше топлива), необходимая для приземления и взлета с Луны.

Тепловая среда

На лунную термальную среду влияет продолжительность лунного дня. Температура может колебаться от -250 до 120 ° C (от -418,0 до 248,0 ° F) (от лунной ночи до лунного дня). Эти крайности случаются в течение четырнадцати земных дней каждая, поэтому системы терморегулирования должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать длительные периоды экстремального холода или жары. Большинство приборов космических аппаратов должны храниться в гораздо более строгом диапазоне от -40 до 50 ° C (от -40 до 122 ° F), а для комфорта человека требуется диапазон от 20 до 24 ° C (от 68 до 75 ° F). Это означает, что спускаемый аппарат должен охлаждать и нагревать свои приборы или боевой отсек.

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

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. В вакууме единственный способ снизить скорость - использовать ракетный двигатель.

Этапы посадки могут включать:

  1. Вывод на спускаемую орбиту - космический аппарат выходит на орбиту, благоприятную для окончательного спуска. Эта стадия отсутствовала при ранних попытках приземления, которые начинались не с лунной орбиты. Вместо этого такие миссии начинались по траектории столкновения с Луной.
  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 окончательную корректировку точного места приземления.
  4. Приземление - космический корабль совершил мягкую посадку на Луну.

Приземление

Посадка на Луну обычно заканчивается выключением двигателя, когда спускаемый аппарат находится на высоте нескольких футов над поверхностью Луны. Идея состоит в том, что выхлоп двигателя и лунный реголит могут вызвать проблемы, если их отбросить 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, выполненная советским зондом « Луна-9» , была достигнута путем сперва замедления космического корабля до подходящей скорости и высоты, а затем выброса полезной нагрузки, содержащей научные эксперименты. Полезный груз был остановлен на поверхности Луны с помощью подушек безопасности, которые обеспечивали амортизацию при падении. Луна 13 использовала похожий метод.

Методы подушек безопасности нетипичны. Например, зонд NASA Surveyor 1 , запущенный примерно в то же время, что и Luna 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 удар и сохраняли полезную нагрузку в безопасности. Совсем недавно китайский спускаемый аппарат Chang'e 3 использовал аналогичную технику, упав на 4 метра после остановки двигателя.

Возможно, самые известные лунные посадочные аппараты программы « Аполлон» были достаточно прочными, чтобы справиться с падением, как только их контактные зонды обнаружили, что посадка неизбежна. Шасси было спроектировано так, чтобы выдерживать посадку с выключенным двигателем на высоте до 10 футов (3,0 м), хотя оно предназначалось для остановки двигателя при спуске, когда один из 67-дюймовых (170 см) зондов касался поверхности. . Однако во время « Аполлона-11» Нил Армстронг очень осторожно приземлился, запустив двигатель до приземления; некоторые более поздние экипажи заглушили двигатель перед приземлением и почувствовали заметные неровности при посадке с большим сжатием посадочных стоек.

Смотрите также

использованная литература