Apollo Lunar Module

Lunar Module Orion of Apollo 16 on the Moon (1972)

Den Apollo lunar modulen ( LM för Lunar Module , ursprungligen LEM för Lunar Excursion Module ) var en lander utvecklats från 1963 av Grumman företaget för NASA som en del av Apollo-programmet för att landa på månen . NASA: s preliminära planering går dock tillbaka till 1960.

LM är en tvådelad månmodul och består av en nedstigning och ett stigningssteg. Totalt 15 Apollo-månlandare gjordes. Av dessa genomförde sex en månlandning och lämnade den nedre delen med fötterna och nedstigningsmotorn (nedstigningssteget) på månen. Efter att astronauterna hade bytt till kommandomodulen efter sin vistelse på månen för att återvända till jorden lämnades den övre delen av månmodulen (stigningssteget) i månbana och kraschade senare på månen. De flesta av de andra nio byggda användes för tester på jorden eller användes inte för att deras uppdrag avbröts. Apollo 13 Lunar Moduleanvändes för att delvis ta över uppgifterna för den skadade servicemodulen och därmed göra det möjligt för rymdresenärer att återvända till jorden. Några av de oanvända månlandningsfordonen visas nu på museer.

Rent generellt

För att få människor till månen fanns det olika tekniska mönster som tänktes igenom i den tidiga fasen av Apollo-projektet. NASA rörde sig relativt snabbt från en rymdfarkost som landade helt på månen till ett uppdelat system där en astronaut i "returkapseln" ( kommandot och servicemodulen , CSM) kretsar runt månen och en separat "Landefahrzeug" ska användas med två astronauter för månutflykten. Detta koncept ( månbana rendezvous ) är massoptimerat, men tekniskt komplext, eftersom båda fordonen navigerar oberoende och måste docka i månbana efter uppstigningen igen.

Uppdragsprofil

Apollo Lunar Module strax innan den drog sig ur den tredje etappen av Saturn V ( Apollo 11 )

Apollo Lunar Module inne i Saturn V.

Apollo månmodul i månbana kort efter separationen från kommandot och servicemodulen (Apollo 11)

I startfasen och tills den nådde månens överföringsbana, placerades månmodulen i en konisk adapter på S-IVB, den tredje etappen av Saturn V , nedanför CSM. Efter inträde i månöverföringsbanan (trans-måninsprutning) öppnades denna adapter och separerades, och efter en vändmanöver, som dess pilot flög manuellt, dockade CSM till den nu tillgängliga landaren (transponering, dockning och utvinning) . Bortsett från korta tester förblev månmodulen passiv på de flesta uppdrag tills efter att ha nått en månbana.

I månbana satte LM-piloten och uppdragschefen LM i drift, brett ut landningsbenen och separerade från CSM. Detta gav CSM-piloten kvar i CSM möjlighet att visuellt inspektera landaren. De två astronauterna i LM antändte sedan nedstigningsmotorn i cirka 30 s (Descent Orbit Insertion, DOI) i syfte att skapa en elliptisk överföringsbana med en lägsta punkt (periselenum eller pericynthion) i en höjd av cirka 15 km cirka 480 km (öster) för att nå den planerade landningsplatsen. Denna manöver ägde rum på månens baksida utan radiokontakt med jorden. Från och med Apollo 14 ändrades denna process så att DOI-manöver utfördes av CSM och separationen först skedde efteråt för att få mer bränsle för landningsfasen. för CSM, med sin större reserv, var behovet av att accelerera igen inte ett problem.

Uppstegsfas i Apollo Lunar Module före mötet med Command and Service Module (Apollo 11)

Den faktiska bromsmanöveren (Powered Descent Initiation, PDI) började i periselenum (och återigen i radiokontakt med både CSM och jorden). Primärt minskade hastigheten på LM; denna flygfas ägde rum helt under datorstyrning. På en höjd av cirka 3 km, vid den så kallade ”höga porten”, uppfördes LM delvis för första gången och tillät astronauterna att inspektera landningsplatsen. I denna fas kunde befälhavaren flytta målpunkten, som fortfarande flögs till under datorstyrning, med hjälp av sin trådkorg genom att flytta sin handkontroll i flygriktningen eller åt sidan. Datorn indikerade en vinkel för detta (Landing Point Designator, LPD); Att läsa den och övervaka de andra flygparametrarna (framför allt höjd och nedstigningshastighet) var månmodulpilotens ansvar medan befälhavaren höll ögonen riktade utåt. Den slutliga infartsfasen inleddes på en höjd av 200 till 300 m ("låg grind"); alla befälhavare tog över ett av de två delvis manuella styrlägena för att själva välja en lämplig landningsplats, även om en helautomatisk landning skulle ha varit möjlig. Under denna flygfas var bränslet kvar i ungefär två minuter. En avslutning skulle ha varit möjlig i varje fas, uppstigningssteget skulle sedan ha flögit tillbaka till en månbana. När månens yta nåddes rapporterade sensorerna på tre av de fyra benen kontakt med marken med hjälp av en blå signallampa. Astronauterna stängde sedan av motorn manuellt och månmodulen föll den sista metern till månens yta.

För returstarten separerades nedstigningssteget, fungerade som en lanseringsplattform och förblev på månen. Uppstigningsnivån flög tillbaka in i en månbana och dockade där igen med CSM. Efter att astronauterna överförts separerades uppstigningssteget från CSM och lämnades i månbana eller fördes till en kontrollerad krasch.

utveckling

Lunar Module , lunar module

År 1963 fick ordern att bygga landaren till företaget Grumman i Bethpage , New York . Thomas J. Kelly , som åtföljde de tidiga studierna för utveckling av LM, kallas vanligtvis landarens far . Som han själv sa var LM dock en samproduktion av många. Till exempel var de framtida Apollo-astronauterna också involverade i utvecklingen och konstruktionen, eftersom de slutligen var tvungna att flyga och landa LM. Dessa var främst Scott Carpenter , Charles Conrad och Donn Eisele .

LM var det största bemannade rymdfarkosten som någonsin hade utvecklats och byggts upp till den punkten. Det måste finnas tillräckligt med utrymme inne i landaren för att två astronauter ska kunna flyga och landa LM manuellt om det behövs. Passagerarna var tvungna att kunna ta på sig och ta av sig sina rymddräkter och gå ut ur fordonet till månens yta. Behovet av att spara vikt var ännu större än med CSM, eftersom landningen på månen och uppstigningen vardera krävde en hastighetsförändring på cirka 1800 m / s. Det måste finnas utrymme för de jordprover ( månstenar ) som fördes med sig , och astronauterna måste kunna leva, äta, dricka och sova i LM i flera dagar.

Utbildningslandare vid Edwards Air Force Base (1964)

De första planerna var för platser som liknar dem i en flygplanskock. Dessa skulle inte bara ha varit skrymmande och tunga utan skulle också ha krävt betydligt större fönster. Med tanken på att flyga och driva LM i stående läge kunde astronauterna komma mycket närmare fönstren och därför göra dem mycket mindre. Det vänstra fönstret (befälhavarens) fick en trådkorg som gjorde det möjligt för befälhavaren att identifiera landningsplatsen på månytan, beräknad i form av en numerisk kod.

Eftersom LM sjönk ner till månen på egen hand, måste den också ha ett oberoende livsuppehållande system och oberoende elektriska system inklusive navigering. De företag som fick uppdraget att utveckla livsstödssystemet skilde sig från de som ansvarade för CSM. Under Apollo 13- uppdraget visade det sig vara ett allvarligt fel, eftersom båda systemen var delvis oförenliga . Icke desto mindre kunde Apollo 13-astronauterna också återvända till jorden genom att stanna kvar i den fortfarande funktionella LM under lång tid efter explosionen i serviceenheten. LM fungerade som en livbåt, så att säga. LM använde också olika bränslen och motorer än SM, men navigationsenheten var i stort sett identisk och navigationsdata kunde överföras mellan systemen.

Landningsbenen utgjorde ett speciellt problem.De borde vara så graciösa och lätta som möjligt, men också så stabila som nödvändigt för landning på månen och kunna absorbera de resulterande chockerna. Dessutom var de tvungna att kunna dras in, eftersom raketstadiets diameter hade bestämts relativt tidigt. I början av planeringen tillhandahöll utvecklarna fem landningsben. Av rymdskäl implementerades endast fyra, men detta påverkade inte stabiliteten.

Eftersom månmodulen var tvungen att arbeta i månens gravitationsfält, var det inte möjligt att korrekt testa LMs flygegenskaper på jorden. Förändringar av LM till att installera en flytande motor visade sig vara meningslösa. Tester med landare avstängda från helikoptrar gav inte heller några användbara resultat. Slutligen gjordes försök att återskapa månens gravitation genom att ge specialbyggda landningsutbildningsanordningar, LLTV: erna , ett lyft med hjälp av ytterligare motorer . Men eftersom lyft- och kontrollmunstyckena påverkade varandra var LLTV: erna inte särskilt stabila, och det var flera kraschar, varigenom piloterna, inklusive Neil Armstrong , kunde rädda sig med utkastarsätet . Som ett resultat minskade användningen av LLTV och endast uppdragskommandörerna tilläts. En speciell konstruktion var LLRF för att öva den sista landningssekvensen fram till touchdown. I synnerhet användes simulatorer i en tidigare okänd utsträckning.

Tekniska specifikationer

Lunar Module Eagle on the Moon (1969)

Vid drivning hade landaren en nominell totalvikt på 14.696 kg, som dock skilde sig från uppdrag till uppdrag, en total höjd på 6,40 m och en diameter på 4,30 m (9,50 m med utsträckta landningsben). Den bestod av cirka en miljon delar, hade redundant utformat radio- och radarutrustning , den ovannämnda livsstöds- och navigationsdatorn . Denna komplexitet gjorde nya processer inom planering, produktion och kvalitetssäkring nödvändiga. Bristen på en atmosfär på månen krävde också skydd mot mikrometeoriter och termiskt skydd i form av aluminium och guldförångade Kapton-folier .

Månmodulen utvecklades ur en rent funktionell synvinkel. De aerodynamik spelade någon roll på grund av vakuumet i rymden eller på månen. Systemet bestod av två steg: nedstigningssteget (DS) och stigningssteget (Ascent Stage - AS), som var och en var utrustad med sin egen motor. Denna struktur innebär att tyngdpunkten ligger mycket exakt på motoraxeln, vilket uppnåddes genom olika designåtgärder.

Nedflyttningsnivå

Nedstigningssteget (DS för D escent S dagar) var den nedre delen och förutom motorn innehöll tankarna för bränsle, syre , vatten och helium . På utsidan av strukturen fanns de fyra landningsbenen och utrustningen för fältuppdrag. En inte obetydlig del av scenens totala massa beräknades slutligen av batterierna för leverans av det inbyggda nätverket på 28 V och 115 V. Dessa batterier var i princip uppladdningsbara, men det fanns inget system för laddning ombord .

Landningsbenen gav fordonet ett spindelliknande utseende, vilket fick smeknamnet ”Spindel” bland astronauter. Steget, inklusive landningsbenen, var 3,24 m högt. En stege fästs vid benet under luckan för att komma in och ut. EASEP eller ALSEP och, i fallet med J-uppdrag, också Lunar Roving Vehicle rymdes på sidorna och var tillgängliga från utsidan . Efter utforskningen var nedstigningssteget som utgångspunkt för uppstegssteget. En explosiv mekanism separerade de två stegen och lämnade nedstigningssteget på månen. Vid behov kan separationen också utföras under nedstigningsfasen för att möjliggöra att landningen avbryts med en säker återgång till CSM.

strukturera

Strukturellt bestod nedstigningssteget av ett dubbelkors med en central fyrkant och fyra lika stora lådkonstruktioner fästa vid sidoytorna. De enskilda panelerna bestod av slipade och kemiskt bearbetade aluminiumplattor som nitades ihop. Motorn var i mitten, de två tankarna för bränslet och oxidationsmedlet placerades symmetriskt på de fyra sidorna . De yttre diagonalerna på korset var stagade och klädda, så att nedstigningssteget fick formen av en åttkant. De andra anläggningarna var inrymda i de fyra triangulära segmenten. Landningsbenen var bundna till de yttre hörnen med stöd. De konstruerades teleskopiskt och innehöll ett deformerbart element som tog upp en stor del av stöten vid beröring. Benet framför utgångsluckan bar stegen som astronauterna kunde använda för att nå mångolvet, och de andra tre benen var utrustade med sensorer för att upptäcka vidrörelse. För att skydda mot nedkylning på väg till månen var nedstigningssteget mestadels klätt med guldbelagd mylarfolie.

Nedstigningsmotor

Nedstigningen framdrivningssystem var svängbar och som en dragkraft på 10.500  pund _f (45 kN). Motorns kraft kan strypas av datorn eller manuellt i två intervall ner till 1050 pund (4,7 kN). En blandning av 50 procent hydrazin (N ₂ H ₄ ) och 50 procent asymmetriska dimetyl hydrazin , kallas Aerozin 50 , användes som bränsle. I samband med den oxiderande dikvävetetroxid (N ₂ O ₄ ), är blandningen höggradigt explosiv och hypergolic , dvs den tänder automatiskt vid kontakt utan behov av ett tändsystem. En annan tank innehöll helium , som användes som drivmedel för att pressa oxidationsmedlet och bränslet in i förbränningskammaren.

Specifikation

• Höjd utan landningsben: 2,62 m
• Bredd utan landningsben: 3,91 m
• Bredd med utfällda landningsben: 9,4 m
• Total bränsle: 10 334 kg (specificerat, exakt värde beroende på uppdrag), betydligt högre för J-uppdragen
• Vatten: en tank på 151 kg
• RCS : ingen, kontrollen baserades på kampanjnivån
• Bränsle av DPS (Descent Propulsion System): 8200 kg Aerozin 50 och lustgas tetroxid (N ₂ O ₄ ) som oxidationsmedel
• DPS-kraft: 45,0 kN, justerbar mellan 10% och 60%; svängbart munstycke
• Utskrift på DPS: en heliumtank på 22 kg under 10 700 kPa
• Specifik puls för DPS: 311 s
• DPS Delta v : 2500 m / s
• Batterier: fyra (fem för J-uppdrag) silver-zinkbatterier 28–32 volt, 415 Ah, vardera 61 kg

Avancerad nivå

Kontrollstrålar för stigningssteg

Uppstigningsstegets stuga

Uppstigningssteget (AS för en doft S dag) innehöll den cylindriska kabinen för två astronauter som var i den främre delen (vänster befälhavaren, höger piloten, ur astronautens synvinkel), en mittdel med alla kontroller och uppstigningen motor och en bakre del som rymde elektroniken. Tankarna, antennerna, attitydkontrollen och det yttre skalet byggdes runt cylindern, vilket gav uppstigningsscenen sitt karakteristiska utseende. För att spara vikt fick de två astronauterna stå när de landade. De hölls på plats med bälten och kablar. I det främre fotområdet mellan astronauterna fanns en nästan kvadratisk lucka, ungefär 82 cm bred och hög, som användes för att gå ut efter landning. En stor del av styr-, kommunikations- och utskriftssystemen var placerade i mitten. Bergproverna för returtransport hölls också här. En annan lucka med en diameter på cirka 84 cm fästes i den övre delen av den centrala sektionen och fungerade som en förbindelse mellan landaren och kommandomodulen. Uppstigningssteget hade tre fönster, två triangulära på framsidan för observation av landningen (försedd med en trådkorg i kommandantfönstret) och en liten rektangulär i toppen för att styra infarten till moderfartyget. Uppstigningsstegets position i rymden styrdes av 16 styrmunstycken , vilka var ordnade i fyra grupper (så kallade "fyrhjulingar"). Dessa var identiska med fyrhjulingarna i CSM - det vill säga hade en relativt hög dragkraft - och monterades långt ut. De resulterande stora ögonblicken , särskilt när tankarna var tomma, ledde till vad astronauterna kallade ”vinklat” flygbeteende.

strukturera

Uppstigningssteget byggdes runt en horisontell cylinder som bildar trycksatt hytt. Cylindern bestod åter av slipade aluminiumplattor, fram och bak var särskilt stelnade. Till skillnad från nedstigningsplattans struktur var alla andra delar (tankar, attitydkontrollmunstycken, antenner och den bakre instrumentpanelen) förbundna med stag. Återigen måste uppmärksamhet ägnas läget för tyngdpunkten; Eftersom uppstigningssteget bara har två tankar, var den lättare bränsletanken (på vänster sida, sett av astronauterna) placerad betydligt längre ut än oxidationsmedlets. Stödstången gömdes under ytterpanelen.

Uppstigningsmotor

Uppstigningsmotor

Den permanent installerade - i motsats till nedstigningssteget, icke-svängbar - motorn för återstart från månen genererade en icke-kontrollerbar dragkraft på 35,6 lb _f (15,6 kN). Det räckte för att föra uppstigningssteget, som väger cirka 4,8 ton, tillbaka till månbana. Bränslen var desamma som för nedstigningsfasen. Motorn var utformad för att vara så enkel som möjligt och hade, förutom ventilerna, inga rörliga delar för att uppnå högsta möjliga tillförlitlighet. Därför användes en gasmatning under tryck . Motorn kunde antändas flera gånger så att förändringar i omloppsbana i månbana efter uppstigningen, i synnerhet mötet med CSM, var möjliga. Kontroll under uppstigningsfasen utfördes av en dator som hade sitt eget uppstigningsprogram som var oberoende av huvudnavigeringen. Manuell kontroll var dock också möjlig.

Specifikation

• Besättning: 2
• Bostadsvolym: 6,7 m ³
• Höjd: 2,83 m
• Bredd: 4,29 m
• Djup: 4,04 m
• Total massa, drivs: beroende på uppdrag, cirka 4870–4990 kg
• Atmosfär: 100% syre under 33 kPa
• Vatten: två tankar om 19,3 kg vardera
• Kylvätska: 11 kg blandning av etylenglykol och vatten (för elektronik)
• Termisk styrning: en aktiv förångare
• Bränsle i RCS (reaktionskontrollsystem): 287 kg aerozin 50 och lustgas (N ₂ O ₄ ) som oxidationsmedel
• RCS-konfiguration: 16 munstycken med 45 N dragkraft, ordnade på stag i fyra "fyrhjulingar"
• Specifik puls för RCS: 290 s
• Bränsle i APS (Ascent Propulsion System): 2353 kg Aerozin 50 och lustgas (N ₂ O ₄ ) som oxidationsmedel
• APS-kraft: 15.600 N, ej justerbar
• Utskrift på APS: två heliumtankar om 2,9 kg vardera under 21 000 kPa
• Specifik puls för APS: 311 s
• APS Delta v : 2220 m / s
• Kraft-till-vikt-förhållande på månen: 2,1: 1
• Batterier: två silver-zinkbatterier 28–32 volt, 296 Ah, vardera 57 kg
• Strömförsörjning: 28 V DC, 115 V 400 Hz AC

Månbil

Som en del av Apollo-programmet var Apollo 15 den första av de tre så kallade J-uppdragen som gav en längre vistelse på månen. En batteridriven lunar Rovingmedlet, som veks upp och fästas på utsidan av månlandaren för transport, gjorde det möjligt att röra sig mer fritt över månens yta och att utforska ett större område.

Klimatsystem

Månmodulens klimatsystem var så kompatibelt med astronauternas rymddräkter att de kunde laddas upp till sex gånger på färjan.

Platsen för månlandaren

Från Apollo 15 användes en modifierad månmodul som möjliggjorde en längre vistelse och kunde bära en månbil .

Se även

• Primär vägledning, navigering och kontrollsystem (PGNCS)
• Apollo Guidance Computer (AGC)
• Abort Guidance System (AGS)

litteratur

• Thomas J. Kelly: Moon Lander: Hur vi utvecklade Apollo Lunar Module . Smithsonian Books, Washington, DC 2001, ISBN 1-56098-998-X .

webb-länkar

• Apollo Lunar Module Propulsion Systems Overview (PDF)
• Lunar Module (NASA: Chariots for Apollo, Chapter 6 )
• Starten på Apollo 17 från månen (QuickTime-film; 998 kB)

Individuella bevis

1. ↑ Lunnar-moduler i National Air and Space Museum .
2. ↑ Astronomer kan ha hittat Apollo 10: s “Snoopy” -modul . Åtkomst 15 februari 2020
3. ↑ James Meador: Långvarig omloppsstabilitet för Apollo 11 Eagle Lunar Module Ascent Stage. I: arXiv: 2105.10088 [physics.space-ph]. 21 maj 2021, åtkomst till 17 juli 2021 . 
4. ↑ Michael Khan: Örnen kan fortfarande flyga. I: SciLogs - Science Blogs: Go for Launch. 24 maj 2021, nås 17 juli 2021 .