土星五號火箭以什麼流程把阿波羅11號送往月球?

2021-01-20 騰訊網

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空少問答

小課堂

第125期

7

月

22

日

周

一

答：土星五號火箭以什麼流程把阿波羅11號送往月球？

上周六，空少為大家留了1個問題，來看看空少的解答以及從留言中選出的最佳答案吧！

想要查看原問題背景介紹的朋友們可以點擊《問：土星五號火箭以什麼流程把阿波羅11號送往月球？》~下面就讓我們來看看空少的解答吧！

空少正解

上期我們講到，整整50年前，1969年7月，美國「阿波羅11號」飛船（Apollo 11）由土星五號火箭發射，實現了人類首次登月。作為一枚三級火箭，土星五號高達110.6米，起飛重量3038.5噸；總推力達3408噸，月球軌道運載能力45噸，近地軌道運載能力118噸。正是由於它具有強大的發射能力，才保證了從地球到月球的載人飛行——共有9枚土星五號運載火箭將載人的阿波羅號宇宙飛船送往月球軌道（包括航天員未登月的飛行）。

搬運中的土星五號火箭第一級（來源：NASA， https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/s16-060_ssc-20160616-s00372_saturn_v_stage.jpg）

那麼，點火之後，土星五號火箭是以什麼流程把阿波羅飛船送往月球的呢？各級火箭的點火、脫離都在什麼時候？

所有土星五號的發射任務都是美國佛羅裡達州約翰·F·甘迺迪航天中心（John F. Kennedy Space Center）的39號發射位發射的。火箭離開發射塔後，飛行控制權會轉交給位於德克薩斯州休斯頓的詹森航天中心（Johnson Space Center）的任務控制中心。實際上，一次發射任務總共使用到土星五號火箭的平均時間只有約20分鐘。

土星五號火箭發射阿波羅11號飛船的瞬間（來源：NASA，wiki，https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/16/Apollo_11_Launch_-_GPN-2000-000630.jpg）

一級火箭：

一級火箭燃燒約2分41秒，將火箭升到約68公裡的高度，速度約2756米/秒，燃燒約2100噸的推進劑（無燃料約131噸，裝滿燃料約2300噸）。

發射前8.9秒一級火箭就開始點火，並花了大約12秒才離開發射塔。土星五號在海拔超過1英裡（1600米）時達到每秒400英尺（120米/秒）。火箭飛行初期的大部分時間都花在了提高高度上，之後再提升速度。發射約1分鐘，土星五號在約5.5至7.4公裡的高度上速度已經在音速附近，產生音障。

僅一級火箭中的燃料重量就佔土星五號整個發射質量的約四分之三，此時燃料以每秒超過13噸的速度劇烈消耗，因此火箭質量在快速減少。另一方面，空氣中高速飛行的物體受到的阻力與空氣密度以及飛行速度有關，儘管一開始火箭飛行速度越來越快、對應阻力增大，但一定高度之後空氣密度極速下降到非常低的值，故而在發射大約80秒時土星五號受到的空氣阻力最大，之後阻力會開始變小。我們在中學時都學過，加速度等於力除以質量，火箭的推力差不多但是阻力減小、特別是重量大幅降低，火箭的加速度也就越來越大。算上地球重力加速度，火箭起飛時的加速度大概是1/4 g（g是地球重力加速度），在火箭發射約135秒時可以達到4 g，出於各種保護的目的，多個火箭發動機會分批關閉，防止加速度超過4 g。

發射了阿波羅8號的土星五號第一級（來源：NASA，wiki，https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7a/Apollo_8_first_stage_in_the_Vehicle_Assembly_Building.jpg）

二級火箭：

一級火箭分離之後，二級火箭燃燒約6分鐘，將飛行器推進至約175公裡、6995米/秒的速度，接近軌道速度。

在與一級火箭分離後不久，用於發射階段的逃生系統就被拋棄。二級火箭的發動機也是分批啟動的，並點火後約38秒開始切換軌道，儀器單元實時計算出朝向目標軌道的最省油的軌道。如果儀器發生故障，機組人員可以將火箭的控制切換到手動控制，或者中止飛行。

在二級火箭飛行結束、分離切斷前的約90秒，中央發動機停機以減少振蕩，並開始改變推進劑的混合比，來確保該階段飛行結束時殘留推進劑儘可能的少。

三級火箭：

第三級燃燒大約2.5分鐘，到發射11分40秒時暫時停火，火箭到達191.1公裡的高度和7793米/秒的速度進入地球軌道（稱為臨時停車軌道temporary parking orbit）。

在環繞地球一圈半後，大約是發射後2小時44分鐘，火箭開始進行月球轉移軌道射入（Translunar injection, TLI）。三級火箭燃燒了近6分鐘，使太空飛行器的速度達到接近地球逃逸速度的11200米/秒。在TLI開始約40分鐘後，指令/服務艙從土星5號分離，並旋轉180°與第三級火箭內的登月轉接器（Lunar Module Adaptor）中的登月艙連接，在完成後最終與火箭分離；這個過程稱為換位、對接和提取。

土星五號三級火箭的位置和剖面圖（來源：NASA，wiki，https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3b/SaturnV_S-IVB.jpg）

至此，土星五號火箭的任務圓滿完成，阿波羅飛船沿著地月軌道向月球進發。

留言區·精選

@趙趙孟晨

土星5號運載火箭是僅次於蘇聯能源號運載火箭的推力第二大運載火箭。在1967年-1973年間共發射了13枚「土星5號」運載火箭，它們保持著完美的發射記錄。

@Pluto初心

除了一次例外，所有其他土星5號的發射都有三級：S-IC一級、S-II二級和S-IVB三級。每一級都使用液態氧(LOX)作為氧化劑。第一級使用高精煉煤油(RP-1)作為燃料，其他兩級使用液態氫(LH2)作為燃料。一般來說，一次發射任務的前20分鐘左右由火箭推動。

感謝大家的支持，我們下期再見！

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