土星五號火箭以什麼流程把阿波羅11號送往月球?

2020-12-06 騰訊網

點擊「國家空間科學中心」可以訂閱哦！

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！

相關焦點

  • 月球沒有發射塔與火箭,阿波羅號與嫦娥五號如何返航?數據說話
    月球返航的質疑：1968年，土星五號帶著阿波羅號離開地球，很多人質疑運載火箭與阿波羅號脫離之後，阿波羅號是如何獨自從月球表面返航的？地球升空：阿波羅號從地球上升空時是至今推力都排世界第二的土星五號，火箭總重量3000多噸，荷載45噸，依靠巨大的發射架，場面振奮人心。
  • 萬代「大人の超合金」阿波羅13號&土星五號運載火箭
    tid=1674173&ds=1&page=1&toread=1【AC模玩評測組】BANDAI 「大人の超合金」阿波羅13號&土星五號運載火箭本次評測玩具「 BANDAI 「大人の超合金」 阿波羅13號 & 土星五號運載火箭 」 由萬代魂提供，特別鳴謝萬代魂所提供的模型。
  • 與NASA土星五號相比,這艘星際飛船如何?
    SPACEX正在為星際飛船做準備，這是一種能夠將乘客送往火星的火箭。那麼，「星際飛船」與美國宇航局標誌性的「土星5號」火箭相比如何呢？「土星5號」火箭曾用於阿波羅登月計劃。
  • 土星5號,人類火箭巨無霸!
    因為我們在登月50年後，連土星5號級別的火箭都還沒造出來；第2種，對月球著陸技術要求太高，幾乎不可能；第3種，當時交會對接技術還沒突破，多次對接風險也特別大。最終，阿波羅載人登月選擇了方案4，它需要一枚近地軌道運力達到140噸級、月球轉移軌道運力達到45噸級的火箭。
  • 美媒稱長徵九號比肩土星五號 令獵鷹重型火箭相形見絀
    美媒稱長徵九號比肩土星五號 令獵鷹重型火箭相形見絀　　核心提示：報導稱，長徵九號的研製工作正在進行之中，其設計方案也在不斷更新和修改，不過其最終目標是打造出一款比肩土星五號並將中國人送上月球的火箭。
  • 土星五號的F1火箭發動機:單燃燒室最強推力,實現「阿波羅」登月
    NASA證明了他們可以將人送入太空後，就開始了「雙子星座」計劃，這一計劃在1961年到1966年與「阿波羅」計劃並行。「雙子星座」計劃的目標是測試「阿波羅」計劃中必要的太空旅行技術，研發和論證兩架太空飛行器在太空中對接技術，這對月球著陸至關重要。
  • 美國宇航局的10次阿波羅號的月球任務
    阿波羅2號和3號(無人測試飛行) 在阿波羅1號災難發生之前，阿波羅與土星火箭進行了三次無人駕駛飛行測試。任務AS-201、AS-202和AS-203在1966年進行，測試土星1B運載火箭。他們為AS-204計劃中的首次載人任務做了鋪墊，但最終導致三名太空人死亡。 這項任務後來被重新命名為阿波羅1號。
  • 為什麼說23天返回的嫦娥5號，比8天的阿波羅11，還要先進？
    阿波羅11號嗎？運載阿波羅11號到月球的火箭，這是土星五號強大的運載能力背書的，可以說沒有土星五號，就沒有阿波羅登月計劃！，阿波羅11號在191.2千米的待機軌道上運行了2.5圈之後再出發，這個軌道上由於大氣分子比較密集，並不是久留之地，後期的阿波羅15、16、17號待機軌道低至150千米，這個軌道停留的時間更短！
  • 超級火箭土星五號到底有多強?比「胖五」還重四倍
    #人類登月50年# 50年前，阿波羅11號登月靠的就是超級火箭土星五號，這貨到底有多強，寫一些數據看一看好了。 1.土星五號研發費用是1960年代的64億美元。單次發射費用大概2億美元，大概相當於今天的15億美元左右發射一次，足夠把嫦娥二號造15遍。
  • 中國最強火箭長徵五號,距離超級火箭土星五號,差距還有多遠
    本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽歷經實踐二十號衛星、天宮載人飛船、火星探測器以及最近的嫦娥五號探月工程，在十二個月內密集完成四次發射任務，四發四中，可以說中國最強火箭長徵五號已經充分驗證了其強大的性能。
  • 人類登月五十年，憶阿波羅11號的奇妙冒險。
    進入地月轉移軌道後，阿波羅11號飛船準備開始進行空中組裝，即由指令服務艙和登月艙兩大模塊組成的阿波羅系列飛船，裝在火箭上時不是最終形態，需要在太空中重新組裝。空中組裝在航天任務中是比較少見的，通常入軌後，太空飛行器只進行類似太陽翼展開這樣的動作。那麼，為什麼阿波羅飛船要在太空中進行組裝呢？在土星五號運載火箭上有一個尖尖的逃逸塔，這是為航天員準備的。
  • 中國能否造出土星五號那樣的巨型火箭?答案是:十年後見!
    1969年7月16日，伴隨著巨大的轟鳴，傳奇般的土星五號巨型運載火箭發射升空，託舉著阿波羅11號登月飛船飛向月球。
  • 阿波羅號在月球沒有火箭發射場的情況下,是如何返回的?
    科學家們想發射衛星或者飛船擺脫地球的吸引力，需要達到11.2KM/s,而引力的大小則是取決於星體的質量，質量越大，引力越大。而現如今任何太空飛行器自身都沒法做到這一點，必須用火箭發射器進行助推，比如阿波羅的土衛五，嫦娥五號的長徵五號運載火箭。
  • 最強火箭來了?美國將發射超重型運載火箭,與土星五號非常相近
    太空發射系統（SLS）-土星五號的繼任者，液體燃料發動機如野獸五十多年前，美國先後6次將太空人送上月球，靠的就是土星五號超重型運載火箭，美國在1967年到1973年這個期間共計發射土星五號13枚，其中有9枚土星五號負責將載有美國太空人的阿波羅宇宙飛船送上月球軌道。
  • 一組阿波羅11號準備階段舊照
    1969年7月20日，阿姆斯特朗與奧爾德林成為了首次踏上月球的人類，而阿波羅11號登陸月球一事更進一步成為紀錄片和廣告常見之歷史事件。而今天要分享的老照片是阿波羅11號登月前的相關訓練與準備照片，可以從這組照片裡，簡單了解下這次登月行動的一些細節。
  • 美國最強火箭土星5號,為何無法再造,真是因為圖紙丟失?
    ，其中的代表就是蘇聯的能源號運載火箭和大家都知道的美國土星5號運載火箭。其發射紀錄也堪稱完美，在67年到73年6年的13次發生，其中9枚將阿波羅號飛船送上月球軌道。共有9枚「土星5號」運載火箭將載人的「阿波羅」號宇宙飛船送上月球軌道。
  • 阿波羅11號是如何把太空人帶回地球的?
    月球是人類飛出地球之後的首站，距離我們大約38萬公裡。上個世紀六十年代末和七十年代初美國進行了7次載人登月，其中阿波羅13號登月失敗了。共成功了六次把十二名太空人送上了月球表面，並且安全帶回。這幾天是阿波羅11號載人登月的50周年紀念活動，在1969年7月16日阿波羅11號發射成功，7月20號成功登陸月球表面。月錶停留時間大約是21小時，月面行走時間大約2個小時，最終安全返回。阿波羅載人登月成功的關鍵點之一就是大推力運載火箭土星五號，其次就是阿波羅飛船。飛船共分為三大部分：登月艙、指令艙、服務艙。
  • 阿波羅11號到底有沒有登陸過月球?嫦娥5號已經給出答案!
    阿波羅11號到底有沒有登上過月球，這已經成了一個經久不息的話題，每當有月球相關的探測相關重大進展時，阿波羅計劃就被再次提及，這次嫦娥五號任務的順利完成、成功帶回1731克月巖之際，阿波羅計劃真假又一次被推上了封口浪尖！阿波羅任務到底有哪些被吃瓜群眾找出來的破綻？
  • 阿波羅12號在月球著陸後,發現附近的美國「嫦娥」,模樣已大不同
    嫦娥五號任務其實可以看做是一次小型的阿波羅登月，如果能獲得成功，將為後續中國載人登月進行技術驗證，收集重要的信息。50年前，美國阿波羅11號飛船成功登陸月球，當阿姆斯特朗在月球上踏出第一腳印時，很多美國版的「嫦娥」已捷足先登，為首次載人登月立下汗馬功勞。
  • 土星5號:最高最重推力最大的火箭
    阿波羅計劃穩步推進。雖然阿波羅1號出現了致命的火災事故（詳見小火箭微信公眾號文章《紀念阿波羅1號事故49周年》），但是，在技術人員的堅持下，無論是火箭還是飛船都逐步滿足了工程需要，並最終在公元1969年7月21日凌晨2點56分（UTC），讓太空人尼爾·阿姆斯特朗的左腳踏上了月球。