Mondlander

Apollo Apollo Mondmodul-5 Adler Wie aus gesehen aus CSM-107 Columbia

A Mondlander oder Mondlander ist ein Raumfahrzeug Entworfen um Land auf der Oberfläche des Mondes. Ab 2021 die Apollo Mondmodul ist der einzige Mondlander, der jemals im menschlichen Raumflug eingesetzt wurde und sechs Mondlandungen von 1969 bis 1972 während der abgeschlossen hat Vereinigte Staaten' Apollo -Programm.

Die Entwurfsanforderungen für diese Lander hängen von Faktoren ab, die durch die Nutzlast, die Flugrate, die Anforderungen und die Konfigurationsbeschränkungen auferlegt werden.[1] Weitere wichtige Konstruktionsfaktoren sind der Gesamtenergiebedarf, die Missionsdauer, die Art der Missionsvorgänge auf der Mondoberfläche und Lebenserhaltungssystem Wenn besetzt. Das relativ hoch Schwere und Mangel an Mondatmosphäre negiert die Verwendung von Aerobraking, also muss ein Lander einen Antrieb nutzen, um zu verlangsamen und a zu erreichen weiche Landung.

Mehrere Studien zeigen das Potenzial für wissenschaftliche und technologische Vorteile einer anhaltenden Exploration der Mondoberflächen, die bei der Nutzung von Mondressourcen oder bei der Entwicklung der erforderlichen Technologien zur Landlast auf anderen Planeten in der Gipfel gipfeln würden Sonnensystem.[2]

Geschichte

Das Luna -Programm war eine Reihe von Roboter -Impaktoren, Flybys, Orbiter und Lander, die von der geflogen wurden Sovietunion Zwischen 1958 und 1976. Luna 9 war das erste Raumschiff, das am 3. Februar 1966 nach 11 erfolglosen Versuchen eine weiche Landung auf dem Mond erreichte. Drei Luna-Raumschiffe erwiderte von 1972 bis 1976 Mondbodenproben auf die Erde Lunokhod Robotermondrover in den Jahren 1970 und 1973. Luna erreichte insgesamt sieben erfolgreiche Softlandungen, von 27 Versuchen.

Das Vereinigte Staaten' Vermessungsprogramm Erster weich gelandet Vermesser 1 am 2. Juni 1966 und erfolgreich weiche landete vier weitere in insgesamt sieben Versuchen bis zum 10. Januar 1968.

Das Apollo Mondmodul war der Mondlander für die Vereinigte Staaten' Apollo -Programm. Ab 2021 ist es der einzige Mondlander, der jemals im menschlichen Raumflug eingesetzt wurde und sechs Mondlandungen von 1969 bis 1972 abgeschlossen hat.

Das Lk Mondmodul war der von der entwickelte Mondlander Sovietunion als Teil von mehreren Sowjetische Lunar -Programme. Es wurden mehrere LK -Mondmodule ohne Crew eingeflasst Niedrige Erdumlaufbahn, aber das LK -Mondmodul flog nie zum Mond, als die Entwicklung der N1 Rakete Startfahrzeug Erforderlich für den Mondflug erlitt Rückschläge (einschließlich mehrerer Startfehler) und nach dem ersten Menschen Mondlandungen wurden durch die erreicht Vereinigte StaatenDie Sowjetunion hat sowohl die N1 -Rakete als auch die LK -Lunar -Modulprogramme ohne weitere Entwicklung abgesagt.

Vorgeschlagene Lander

Menschliche Lander in der Entwicklung

Am 16. April 2021, NASA kündigte einen künstlich fixierten Preisvertrag in Höhe von 2,89 Milliarden US-Dollar mit SpaceX Für eine ungeschriebene und anschließende Besatzungsmission zum Mond mit dem Mond Starship HLS.[4]

Herausforderungen für die Mondlandung einzigartig

Die Landung auf jedem Solarsystemkörper ist mit Herausforderungen verbunden, die für diesen Körper einzigartig sind. Das Mond hat eine relativ hohe Schwerkraft im Vergleich zu der von Asteroiden oder Kometen - und einigen anderen Planetensatelliten- und keine signifikante Atmosphäre. Praktisch bedeutet dies, dass die einzige Abstiegs- und Landungsmethode, die einen ausreichenden Schub mit der aktuellen Technologie liefern kann Chemische Raketen.[5] Außerdem hat der Mond lange Solartag. Die Lander werden länger als zwei Wochen im direkten Sonnenlicht und dann noch zwei Wochen in völliger Dunkelheit sein. Dies führt zu erheblichen Problemen bei der thermischen Kontrolle.[6]

Mangel an Atmosphäre

Ab 2019, Raumsonden sind auf allen drei anderen Leichen als Erde gelandet, die feste Oberflächen und Atmosphären haben, die dick genug sind, um Aerobrak zu ermöglichen: Mars, Venus, und Saturns Mondtitan. Diese Sonden konnten die Atmosphären der Körper, auf denen sie landeten, nutzen, um ihren Abstieg mit Fallschirmen zu verlangsamen und die Menge an Kraftstoff zu verringern, die sie tragen mussten. Dies ermöglichte es wiederum, dass größere Nutzlasten auf diesen Leichen für einen bestimmten Kraftstoffmengen gelandet werden. Zum Beispiel die 900 kg Neugier Rover wurde auf dem Mars von gelandet von ein Handwerk mit einer Masse (zum Zeitpunkt des atmosphärischen Eintritts von Mars) von 2400 kg,[7] von denen nur 390 kg Kraftstoff waren. Im Vergleich dazu das viel leichtere (292 kg) Vermesser 3 landete 1967 auf dem Mond mit fast 700 kg Kraftstoff.[8] Das Fehlen einer Atmosphäre beseitigt jedoch die Notwendigkeit, dass ein Mondlander einen Wärmeschild hat und auch erlaubt Aerodynamik bei der Gestaltung des Handwerks ignoriert werden.

Hohe Schwerkraft

Obwohl es viel weniger Schwerkraft als die Erde hat, hat der Mond eine ausreichend hohe Schwerkraft, dass der Abstieg erheblich verlangsamt werden muss. Dies steht im Gegensatz zu einem Asteroiden, bei dem "Landung" häufiger als "Docking" bezeichnet wird und eine Frage der Rendezvous und der passenden Geschwindigkeit mehr ist als eine schnelle Abstammung zu verlangsamen.

Da Rocketry für Abstammung und Landung verwendet wird, erfordert die Schwerkraft des Mondes die Verwendung von mehr Kraftstoff, als für die Asteroidenlandung benötigt wird. In der Tat war eine der zentralen Designbeschränkungen für die Mondlandung des Apollo -Programms (da mehr Masse mehr Kraftstoff erforderlich ist), um zu landen und vom Mond zu starten.[9]

Wärmeumgebung

Die thermische Mondumgebung wird von der Länge des Mondtages beeinflusst. Die Temperaturen können zwischen ungefähr –250 bis 120 ° C (–418,0 bis 248,0 ° F) (Mondnacht bis Mondtag) schwingen. Diese Extreme treten an jeweils vierzehn Erdentagen auf, sodass thermische Steuerungssysteme so ausgelegt sein müssen, dass lange Zeiträume extremer Kälte oder Wärme verarbeitet werden.[10] Die meisten Instrumente des Raumfahrzeugs müssen in einem viel strengeren Bereich zwischen –40 und 50 ° C (–40 und 122 ° F) gehalten werden.[11] und menschlicher Komfort erfordert einen Bereich von 20 bis 24 ° C (68 bis 75 ° F). Dies bedeutet, dass der Lander seine Instrumente oder seine Besatzungsabteilung abkühlen und heizen muss.

Die Länge der Mondnacht macht es schwierig, die elektrische Solarenergie zu verwenden, um die Instrumente zu erwärmen, und häufig werden Kernheizungen verwendet.[6]

Landungsphase

Eine weiche Landung zu erreichen ist das übergeordnete Ziel eines Mondlanders und unterscheidet Lander von Impactors, die die erste Art von Raumfahrzeug waren, die die Oberfläche des Mondes erreichte.

Alle Mondlander benötigen Raketenmotoren zum Abstieg. Orbitalgeschwindigkeit um den Mond kann je nach Höhe 1500 m/s überschreiten. Raumschiffe auf Impact -Trajektorien können Geschwindigkeiten haben, die sich weit davon übertreffen.[12] Im Vakuum besteht die einzige Möglichkeit, von dieser Geschwindigkeit zu verlangsamen, um einen Raketenmotor zu verwenden.

Die Landungsphasen können umfassen:[13][14]

  1. Abstiegsumlaufbahn - Insertion - Das Raumschiff tritt in eine für den endgültigen Abstieg günstige Umlaufbahn ein. Diese Phase war in den frühen Landungsbemühungen nicht vorhanden, die nicht mit Mondumlaufbahn begannen. Solche Missionen begannen stattdessen auf einer Mondwirkung.[12]
  2. Abstieg und Bremsen - Das Raumschiff feuert seine Motoren ab, bis es nicht mehr in der Umlaufbahn ist. Wenn die Motoren in diesem Stadium vollständig abfeuern würden, würde sich das Raumschiff schließlich auf die Oberfläche auswirken. In dieser Phase nutzt das Raumschiff seine Raketenmotor, um die Gesamtgeschwindigkeit zu verringern
  3. Endgültiger Ansatz - Das Raumschiff befindet sich nahezu am Landeplatz, und die endgültigen Anpassungen für den genauen Ort des Touchdowns können vorgenommen werden
  4. Touchdown - Das Raumschiff erreicht eine weiche Landung auf dem Mond

Landung

Mondlandungen enden in der Regel mit dem Abschalten des Motors, wenn der Lander mehrere Fuß über der Mondoberfläche liegt. Die Idee ist, dass Motorauspuff und Mond Regolith Kann Probleme verursachen, wenn sie von der Oberfläche zum Raumschiff zurückgetreten werden würden, und so schneiden die Motoren kurz vor dem Touchdown ab. Die Ingenieure müssen sicherstellen, dass das Fahrzeug genug geschützt ist, um sicherzustellen, dass der Sturz ohne Schub keinen Schaden verursacht.

Die erste weiche Mondlandung, die vom Sowjet durchgeführt wird Luna 9 Die Sonde wurde erreicht, indem zuerst das Raumschiff zu einer geeigneten Geschwindigkeit und Höhe verlangsamt und dann eine Nutzlast mit den wissenschaftlichen Experimenten ausgeworfen wurde. Die Nutzlast wurde auf der Mondoberfläche mit Airbags gestoppt, die beim Sturz von Polsterung lieferten.[15] Luna 13 verwendete eine ähnliche Methode.[16]

Airbag -Methoden sind nicht typisch. Zum Beispiel die NASAs Vermesser 1 Die Probe, die ungefähr zur gleichen Zeit wie Luna 9 gestartet wurde, benutzte keinen Airbag für den endgültigen Touchdown. Stattdessen fiel es nach ihrer Verhaftung seiner Geschwindigkeit in einer Höhe von 3,4 m einfach auf die Mondoberfläche. Um den Sturz unterzubringen, war das Raumschiff mit vernichtbaren Komponenten ausgestattet, die den Schlag erweichen und die Nutzlast sicher aufbewahren würden.[12] In jüngerer Zeit die Chinesen Chang'e 3 Lander verwendete eine ähnliche Technik und fiel 4 m nach dem Abschalten des Motors.[17]

Vielleicht die berühmtesten Mondlander, die der der der Apollo -Programm, waren robust genug, um den Tropfen zu bewältigen, sobald ihre Kontaktsonden feststellten, dass die Landung unmittelbar bevorsteht. Das Fahrwerk wurde entwickelt, um Landungen mit einem Motor auszudämmen, der bis zu 3,0 m Höhe (bis zu 3,0 m) ausgestattet war, obwohl es für den Start des Abstiegsmotors vorgesehen war, um zu beginnen, als eine der 67-Zoll-Sonden (170 cm) die Oberfläche berührte . Während Apollo 11 Neil Armstrong landete jedoch sehr sanft, indem er den Motor bis zum Touchdown abfeuerte. Einige spätere Besatzungen schlossen den Motor vor dem Touchdown ab und spürten bei der Landung spürbare Unebenheiten, wobei die Landungsstreben eine stärkere Kompression der Landung hatten.[18][19]

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Lunar Lander -Stufe Anforderungen basierend auf der Datenbank der Zivilbedürfnisse Archiviert 2021-10-01 am Wayback -Maschine (PDF). John A. Mulqueen. NASA Marshall Space Flight Center. 1993.
  2. ^ Lunar Lander -Konfigurationen mit Zugänglichkeit, Mobilität und zentauren kryogenen Antriebserfahrung Archiviert 2018-09-20 bei der Wayback -Maschine (PDF). Bonnie M. Birckenstaedt, Josh Hopkins, Bernard F. Kutter, Frank Zegler, Todd Mosher. Lockheed Martin Space Systems Company. 20006.
  3. ^ Roboter -Mondlander Archiviert 2011-12-27 bei der Wayback -Maschine, NASA, 2010, abgerufen 2011-01-10.
  4. ^ Brown, Katherine (2021-04-16). "Die NASA nimmt Spacex aus, um die nächsten Amerikaner auf dem Mond zu landen". NASA. Archiviert vom Original am 2021-04-22. Abgerufen 2021-06-23.
  5. ^ Wertz, James; Larson, Wiley (2003). Weltraummissionsanalyse und Design (3. Aufl.). Kalifornien: Microcosm Press. ISBN 1-881883-10-8.
  6. ^ a b Okishio, Shogo; Nagano, Hosei; Ogawa, Hiroyuki (Dezember 2015). "Ein Vorschlag und eine Überprüfung der Mondmethode über Nacht durch Förderung des Wärmeaustauschs mit Regolith". Angewandte Wärmeingenieurwesen. 91 (5): 1176–1186. doi:10.1016/j.applthermaleng.2015.08.071. HDL:2346/64545.
  7. ^ "MSL Landing Special - MSL - Mars Science Laboratory". Archiviert vom Original am 2021-02-26. Abgerufen 2021-10-01.
  8. ^ "NASA - NSSDCA - Raumschiff - Details". Archiviert vom Original am 2019-09-04. Abgerufen 2019-03-09.
  9. ^ Cole, z. (November 1965). "Design und Entwicklung des Apollo -Drei -Mann -Raumfahrzeugs mit Zwei -Mann -Mondausflugsmodul (LEM)". Annalen der New York Academy of Sciences. 134 (1): 39–57. Bibcode:1965nyasa.134 ... 39c. doi:10.1111/j.1749-6632.1965.tb56141.x. S2CID 86244382.
  10. ^ Hager, p;Klaus, D;Walter, U (März 2014)."Charakterisieren transiente thermische Wechselwirkungen zwischen Mondregolithen und Oberflächenraumfahrzeugen". Planeten- und Weltraumwissenschaft. 92: 101–116. Bibcode:2014p & ss ... 92..101h. doi:10.1016/j.ps.2014.01.011.
  11. ^ Gilmore, D. G. (2003). Thermalkontrollhandbuch für Raumfahrzeuge (2. Aufl.).Segundo, Kalifornien: Aerospace Press. ISBN 1-884989-11-x.
  12. ^ a b c "NASA - NSSDCA - Raumschiff - Details". Archiviert vom Original am 2019-09-27. Abgerufen 2019-03-08.
  13. ^ "Apollo 11 Mission Übersicht". 2015-04-17. Archiviert vom Original am 2018-02-09. Abgerufen 2019-03-09.
  14. ^ "Chang'e 3 - Änderung". Archiviert vom Original am 2021-07-25. Abgerufen 2021-10-01.
  15. ^ "NASA - NSSDCA - Raumschiff - Details". nssdc.gsfc.nasa.gov. Archiviert vom Original am 2017-11-20. Abgerufen 2019-03-08.
  16. ^ "Die Mission von Luna 13: Weihnachten 1966 auf dem Mond". 2016-12-24. Archiviert vom Original am 2019-03-03. Abgerufen 2019-03-08.
  17. ^ Rincon, Paul (2013-12-14). "China bringt Jade Rabbit Rover auf den Mond". BBC News. Archiviert vom Original am 2019-03-27. Abgerufen 2019-03-08.
  18. ^ Jones, Eric M., ed. (1995). "Die erste Mondlandung". Apollo 11 Lunar Surface Journal. NASA. Archiviert Aus dem Original am 27. Dezember 2016. Abgerufen 13. Juni, 2013.
  19. ^ "Mondoberflächen -Erfassungssonden". Heroicrelics.org. Archiviert vom Original am 2019-03-16. Abgerufen 2019-03-08.