登月艙

登月艙從起飛到入軌這一段稱為動力上升段，它又可以分為垂直上升段和軌道進入段。當垂直起飛一定時間或者達到一定速度的時候，由垂直上升段轉入軌道進入段，開始進行制導。 ^[1]  登月艙在月面時，上升、下降段合二而一，但從月球表面再度起飛時，保有上升段起飛，下降段則是發射架，發射完畢後置留於月球表面。上升段有乘員室，氣温24度，室內充滿1/3大氣壓的純氧。載人登月艙上升段有卧室和立式兩種結構。上升段採用卧式結構與立式結構相比有明顯的優點，主要體現以下幾個方面：（1）在同等體積的情況下卧式結構可以提供更大的地板空間；（2）卧式結構可以為航天員提供更好的視角；（3）更易於航天員舒展肢體；（4）提供承受推進劑貯箱載荷的結構（立式結構在一個方向上比較弱） 。下降段裝有登月艙向月面降落減速使用的逆噴射火箭，備有火箭的燃料、氧化劑槽、水和氧氣槽，還有調查月面的科學儀器。下降段主要包含推進系統和完成月球軌道插入、月面降落和着月過程所需的推進劑。 ^[2] 

級間分離關鍵技術分析

載人登月艙上升段和下降段通過機械連接形成一個整體結構，上升段返回時，將與下降段斷開。儘管我國“嫦娥”探月三期將突破返回艙返回任務，但是載人登月艙上升段和下降段之間除了機械連接外，還包含與航天員任務密切相關的連接電纜，用於將儲存於下降段的水和氧氣輸送給環境控制系統的氣體、液體通道，並且提供冷卻液的循環迴路。因此返回前，上升段和下降段分離時不僅僅需要解除機械連接，還要切斷連接電纜、氣體、液體連接通道，而且需要對液體通道斷面處進行密封。 ^[2] 

通常情況，級間分離技術包含三個方面：（1）上升段和下降段之間的機械連接斷開關鍵技術。針對級間機械連接的斷開廣泛採用的是爆炸螺栓，我國“嫦娥”三期及“阿波羅”工程均採用爆炸螺栓斷開機械連接。通常情況下登月艙上升段與下降段之間採用四個爆炸螺栓進行連接，爆炸螺栓具有承載能力大、結構簡單、工作可靠、使用方便的優點；（2）上升段和下降段之間的連接線纜斷開關鍵技術。登月艙上升段與下降段級間分離除了上述機械連接斷開外，還包括與航天員密切相關的連接線纜及氣液通道斷開技術。綜合前期載人登月及我國載人航天研究成果，通常情況下級間連接線纜的斷開可以採用級間纜線斷開器，級間氣體、液體通道的斷開可以採用氣液通道斷開器；（3）上升段與下降段氣液通道斷面的自動密封關鍵技術。載人登月艙上升段及下降段電纜線、水供應通道、氧氣供應通道等斷開後，斷口處的自動密封裝置必須具有高度可靠性，否則會嚴重威脅航天員的生命安全。對月球登月艙來説，氣液通道斷開面一般位於分離機構處，用爆炸螺栓通過分離機構將上升段和下降段連接起來，分離時爆炸螺栓引爆，分離機構沿分離面斷開，分開的氣液通道端面根據需要應能自動密封，避免發生氣體和液體的泄露。自動密封裝置具有結構簡單和穩定可靠的特點，“阿波羅”採用的是壓縮式雙密封裝。 ^[2] 

軟着陸關鍵技術

實現月面軟着陸且保證航天員安全是整個探月任務中最關鍵的技術之一，能否使登月艙穩定、安全的着陸在月面上直接關係到整個探測任務的成敗。航天器實現軟着陸的方式有很多，應用於航天器軟着陸的緩衝方式主要有以下幾種: 降落傘、着陸緩衝火箭、緩衝氣囊、機械式緩衝器、壓縮式吸能緩衝器。美國和前蘇聯發射的無人月球探測器中，將機械式緩衝器和壓縮式吸能緩衝器組合起來作為軟着陸系統，而“阿波羅”載人登月計劃中，登月艙軟着陸系統採用的是壓縮式吸能緩衝器。在新一輪探月高潮中，各國對磁流變緩衝器、油氣緩衝器、金屬橡膠緩衝器等應用於月球軟着陸的可行性開展研究。伴隨着新型緩衝材料的出現，尤其是半主動緩衝技術的應用成熟，突破傳統的鋁蜂窩緩衝裝置，尋找簡易、可控、可靠性高的緩衝材料是未來載人登月軟着陸領域發展趨勢。 ^[2] 

緩衝性能分析及耐撞性設計

航天器與航天員之間不斷地有動量和動量矩的交換，而這種相互作用在作用形式、作用規模、作用強度、作用位置和範圍、作用時刻和時間等方面，都是隨機的、不確定的，而且是高度耦合的。必須在載人航天器動力學模型中考慮航天員的作用和影響。 ^[2] 

國內對登月着陸器的研究主要針對不載人着陸器，並未考慮航天員的參與以及墜撞特性。對載人登月最後着陸過程而言，可能出現各種意想不到的情況，登月艙有可能發生傾覆或者墜撞，登月艙主要結構是否不遭到致命的破壞，航天員能否利用上升艙返回，是極其重要的問題。因此需要對着陸器進行墜撞分析和耐撞性設計的研究。我國在這方面的研究尚處於起步階段，缺乏相關的全機墜撞試驗和仿真分析研究經驗，更缺乏相關設計標準和試驗標準。 ^[2] 

軟着陸機構柔性鉸鏈設計技術

由於月球表面不是平坦的，登月艙着陸於有坡度的月面時，登月艙相對於着陸處的水平面也存在坡度，對載人登月艙而言，如果着陸後登月艙不是水平的，將會導致很多不便，可應用柔性鉸鏈對登月艙進行自水平設計。對每條着陸腿使用柔性鉸鏈，並對柔性鉸鏈進行優化設計，使登月艙能在一定的着陸坡度範圍內保持接近水平的狀態。着陸器的重量與柔性鉸鏈的抵抗力矩共同作用使登月艙達到靜力平衡。登月艙柔性鉸鏈設計關鍵在於如何推導柔性鉸鏈的轉動剛度，並對柔性鉸鏈與機構參數進行優化。針對柔性鉸鏈計技術早期使用試湊法，現多用基於拓撲結構的系統化分析與設計方法。主要有: 剛體替換法( 偽剛體模型法、結構矩陣法) 、連續法( 拓撲優化法、均勻化法、基礎結構法、窗函數法、水平集法) 、約束設計法、基於旋量理論的拓撲綜合法、模塊法等。 ^[2] 

非對稱式載人登月艙設計關鍵技術

登月艙總體具有對稱佈局與非對稱佈局兩種。探月領域所採用過的均為對稱佈局。但是有關研究表明: 在相同的可靠性、穩定性基礎上，非對稱登月艙相對於對稱登月艙可減少10% 左右結構質量。 ^[2] 

非對稱登月艙相對於對稱登月艙優點歸納總結如下：（1）着陸腿非對稱分佈有利於配平登月艙重心位置、便於機構佈置、結構簡單、便於運載同時容易適應運輸空間裝載要求；（2）着陸腿非對稱分佈形式的登月艙可以提高登月艙的着陸穩定性，研究表明:非對稱四腿着陸結構，相對於對稱四腿着陸結構，該非對稱的四腿結構一側的兩條腿向外伸長，將足墊與機體的軸線的距離增加了33%，這樣就在很大程度上提高了着陸穩定性。同時非對稱登月艙可以適應其他任務要求。 ^[2] 

儘管對稱式登月艙仍然是探月的主流選擇，我國“嫦娥”二期、三期均使用對稱佈局登月艙。但由於非對稱登月艙優良的着陸性能，相對較輕的質量同時適合較大規模登月艙尤其載人系列，國外研究已廣泛開展，其研究也取得階段性成果。 ^[2] 

1969年3月3日，執行登月艙首次載人飛行任務的”阿波羅”9號發射成功。這次任務的基本目的是對整個飛船系統中的這一部分進行飛行鑑定。另外，還要證明登月艙是否能在指令與服務艙的配合下，在失重飛行條件下完成所承擔的任務。這項工作不需要飛往月球，因此“阿波羅”9號任務是在地球軌道上進行的。按照該規劃，在飛行過程中，宇航員將在三種不同情況下進入登月艙，首先是要檢查大量的程序和其它項目，其次是對登月艙進行多次啓動和關閉。登月艙在飛行中做一次以上的加電和減電，這是唯一的一次。這樣做的用意是想發現可能出問題的事情，並對在模擬過程中制訂出來的程序進行細化，並更加精確地完成任務。

1969年7月21日（美國東部時間）下午4時17分40秒，美國宇航員阿姆斯特朗和奧爾德林駕駛 “阿波羅”11號飛船的登月艙平安降落在月球“靜海”的西南部，這是世界首次降落在月球表面的登月艙。他們在月面豎立了美國國旗，採集了月面岩石標本，安放了地震儀和激光反射器，並進行了月面探測。21時36分20秒後，他們點燃登月艙上升段火箭，飛離月面。這時另一名宇航員柯林斯正在指揮艙中作環月軌道飛行，與其會合對接後，阿姆斯特良與奧爾德林將收集到的資料通過80釐米的 “隧道”移入指揮艙後，登月艙的上升段便被拋開甩掉。大約兩天半後，即1969年7月24日（美國東部時間）12時50分35秒時，載有三名宇航員的指揮艙安全濺落在太平洋上，結束了他們為期195小時18分35秒的月球航行。此後，美國又有 ”阿波羅12號、14號─17號的登月艙各載兩名宇航員分別着陸於月球表面，進行了大量的月央活動和科學探察，從中獲得許多寶貴資料。

對於每一次登月任務，登月艙的軟着陸支架無疑是最為關鍵的裝置之一。軟着陸支架能確保登月艙安全平穩地降落在月球表面，宇航員得以順利出艙並進行月面探測活動。同時，軟着陸支架還起到月面上升器的發射架作用，保證航天員攜帶月球樣品可靠地由月面進入環月軌道，最終安全返回地球。“阿波羅”登月艙軟着陸支架的設計有以下特點：（1）“阿波羅”登月艙軟着陸支架的設計考慮了月坡、月石、較大的着陸速度等惡劣工況，緩衝能力及着陸穩定性具備較大的設計裕度，可靠性高；（2）設計採用4 組“懸臂”式着陸腿、可收攏展開的構型，是充分考慮質量、着陸穩定性、運載器包絡要求、各種惡劣工況條件等因素的綜合優化結果；（3）採用鋁蜂窩作為緩衝元件，其吸能效率高、質量輕，對於一次性使用的登月艙軟着陸支架是較為有效、可靠且簡單的方法；（4）採用彈簧驅動方式的展開鎖定機構，相對於電機驅動、液壓驅動、火工作動等方式，系統設計較為簡單，且能夠相對獨立。其關鍵問題是要解決機構的運動優化，不能出現干涉和死點，必須保證機構的重複運行精度。 ^[3] 

2024年2月14日，美國太空探索公司SpaceX和直覺機器公司執行發射代號為IM-1的私人月球探測任務。此次任務於美國東部時間2月14日凌晨12:57分（格林尼治標準時間05:57分）從佛羅里達州卡納維拉爾角太空基地，通過SpaceX公司的獵鷹9號火箭將直覺機器公司研製的機器人登月艙“奧德修斯”（Odysseus）送往月球。SpaceX表示，奧德修斯將在2月22日嘗試創造歷史，如果成功，將成為有史以來第一個在月球表面軟着陸的私人航天器 ^[4]  。