阿波罗计划系统工程报告

阿波罗计划系统工程报告
系统工程案例：
阿波罗计划，又称阿波罗工程，是美国从1961年到1972年组织实施的一系列载人登月飞行任务。

目的是实现载人登月飞行和人对月球的实地考察，为载人行星飞行和探测进行技术准备，它是世界航天史上具有划时代意义的一项成就。

阿波罗计划始于1961年5月，至1972年12月第6次登月成功结束，历时约11年，耗资255亿美元。

在工程高峰时期，参加工程的有2万家企业、200多所大学和80多个科研机构，总人数超过30万人。

整个“阿波罗”工程包括：确定登月方案；为登月飞行作准备的4项辅助计划；研制“土星”号运载火箭；进行试验飞行；研制“阿波罗”号飞船；实现载人登月飞行。

登月方案包括论证飞船登月飞行轨道和确定载人飞船总体布局。

从“阿波罗”号飞船的3种飞行方案中选定月球轨道交会方案，相应地确定由指挥舱、服务舱和登月舱组成飞船的总体布局方案。

辅助计划为登月飞行进行准备的4项辅助计划是：“徘徊者”号探测器计划(1961～1965年)：共发射9个探测器，在不同的月球轨道上拍摄月球表面状况的照片1.8万张，以了解飞船在月面着陆的可能性。

“勘测者”号探测器计划(1966～1968年)：共发射5个自动探测器在月球表面软着陆，通过电视发回8.6万张月面照片，并探测了月球土壤的理化特性数据。

“月球轨道环行器” 计划(1966～1967年)：共发射3个绕月飞行的探测器，对40多个预选着陆区拍摄高分辨率照片，获得1000多张小比例尺高清晰度的月面照片，据此选出约10个预计的登月点。

“双子星座”号飞船计划(1965～1966年)：先后发射10艘各载2名航天员的飞船，进行医学-生物学研究和操纵飞船机动飞行、对接和进行舱外活动的训练。

运载火箭“阿波罗”号飞船使用大推力的“土星”号运载火箭发射。

运载火箭研制分两个阶段进行：研制“土星”1号和1B号，用以获取大型运载火箭的研制经验并进行“阿波罗”号飞船的飞行试验。

研制“土星”5号巨型3级运载火箭作为飞船登月的运载工具。

试验飞行1966～1968年进行了6次不载人飞行试验，在近地轨道上鉴定飞船的指挥舱、服务舱和登月舱，考验登月舱的动力装置。

1968～1969年，发射了“阿波罗”7、8、9号飞船，进行载人飞行试验。

主要作环绕地球、月球飞行和登月舱脱离环月轨道的降落模拟试验、轨道机动飞行和模拟会合、模拟登月舱与指挥舱的分离和对接。

按登月所需时间进行了持续11天的飞行，检验飞船的可靠性。

1969年5月18日发射的“阿波罗”10号飞船进行了登月全过程的演练飞行，绕月飞行31圈，两名航天员乘登月舱下降到离月面15.2公里的高度。

“阿波罗”号飞船“阿波罗”号飞船由指挥舱、服务舱和登月舱3个部分组成。

指挥舱航天员在飞行中生活和工作的座舱，也是全飞船的控制中心。

指挥舱为圆锥形，高3.2米，重约6吨。

指挥舱壳体结构分为3层：内层为铝合金蜂窝夹层结构，中层为不锈钢蜂窝夹层隔热层，外层为环氧-酚醛树脂烧蚀防热层。

舱内充以34.3千帕(0.35大气压)的纯氧，温度保持在21～24。

指挥舱分前舱、航天员舱和后舱3 部分。

前舱内放置着陆部件、回收设备和姿态控制发动机等，航天员舱为密封舱，存有供航天员生活14天的必需品和救生设备。

后舱内装有10台姿态控制发动机，各种仪器和贮箱，还有姿态控制、制导导航系统以及船载计算机和无线电分系统等。

服务舱前端与指挥舱对接，后端有推进系统主发动机喷管。

舱
体为圆筒形，高6.7米，直径4米，重约25吨。

服务舱采用轻金属蜂窝结构，周围分为6个隔舱，容纳主发动机、推进剂贮箱和增压、姿态控制、电气等系统。

主发动机推力达95.6千牛(9.75吨力)，由计算机控制，用于轨道转移和变轨机动。

姿态控制系统由16台火箭发动机组成，它们还用于飞船与第三级火箭分离、登月舱与指挥舱对接和指挥舱与服务舱分离等。

登月舱由下降级和上升级所组成，地面起飞时重14.7吨，宽4.3米，最大高度约7米。

下降级：由着陆发动机、4条着陆腿和4个仪器舱组成。

着陆发动机推力可在 4.67～46.7千牛(476～4760公斤力)范围内调节，发动机摆动范围为6°。

着陆腿末端有底盘，上面装有触地传感器。

下降级内还装有着陆交会雷达和4组容量为400安时的银锌蓄电池。

上升级：为登月舱主体。

航天员完成月面活动后驾驶上升级返回环月轨道与指挥舱会合。

上升级由航天员座舱、返回发动机、推进剂贮箱、仪器舱和控制系统组成。

航天员座舱可容纳2名航天员(但无座椅)，有导航、控制、通信、生命保障和电源等设备。

座舱前方有舱门，门口小平台外接登月小梯。

返回发动机推力为15.6千牛或1590公斤力(不可调)，可重复起动35次。

姿态控制系统包括16台小推力发动机。

仪器舱装有两组容量为296安．时互为备份的银锌蓄电池。

登月飞行“阿波罗”11号飞船于1969年7月20～21日首次实现人登上月球的理想。

此后，美国又相继6次发射“阿波罗”号飞船，其中5次成功。

总共有12名航天员登上月球。

“阿波罗”11号飞船登月飞行1969年7月16日由“土星” 5号火箭运载“阿波罗”11号飞船升空。

第三级火箭熄火时将飞船送至环绕地球运行的低高度停泊轨道。

第三级火箭第二次点火加速，将飞船送入地-月过渡轨道。

飞船与第三级火箭分离，飞船沿过渡轨道飞行2.5天后开始接近月球，由服务舱的主发动机减速，使飞船进入环月轨道。

航天员阿姆斯特朗，N.A.和E.E.奥尔德林进入登月舱，驾驶登月舱与母船分离，下降至月面实现软着陆。

另一名航天员仍留在指挥舱内，继续沿环月轨道飞行。

登月航天员在月面上展开太阳电池阵，安设月震仪和激光反射器，采集月球岩石和土壤样品22公斤，然后驾驶登月舱的上升级返回环月轨道，与母船会合对接，随即抛弃登月舱，起动服务舱主发动机使飞船加速，进入月－地过渡轨道。

在接近地球时飞船进入再入走廊，抛掉服务舱，使指挥舱的圆拱形底朝前，在强大的气动力作用下减速。

进入低空时指挥舱弹出3个降落伞，进一步降低下降速度。

“阿波罗”11号飞船指挥舱于7月24日在太平洋夏威夷西南海面溅落。

“阿波罗”12～17号飞船从1969年11月至1972年12月，美国相继发射了“阿波罗”12、13、14、15、16、17号飞船，其中除“阿波罗”13号因服务舱液氧箱爆炸中止登月任务(两名航天员驾驶飞船安全返回地面)外，均登月成功。

“阿波罗”12号从环月轨道上将登月舱上升级射向月面，进行了人工“陨石”撞击试验，引起月震达55分钟。

“阿波罗”15和16号在环月轨道上各发射出一颗环绕月球运行的科学卫星，“阿波罗”15、16、17号的航天员都曾驾驶月球车在月面活动和采集岩石。

彩色摄像机和通信设备将航天员驱车巡游月面和登月舱从月面起飞的情景实时传回地球。

在返回地球途中，航天员还出舱进入太空，把相机和其他设备收回舱内，“阿波罗”17号飞船首次载运地质科学家参加登月活动。

阿波罗工程是人类科学技术史上少有的大型工程系统，它的完成是世界航天史上具有划时代意义的一项成就。

案例分析：
这个计划的成功，关键在于整个组织管理过程采用了系统工程的方法和基本原理：
1、建立组织管理机构，明确职责分工
为了完成登月活动，首先确定所需的组织形式和管理原则。

国家宇航局设立了阿波罗计划办公室主管全部工作，在该局附属的三个研究中心分别设立了阿波罗项目办公室，受该局设计办公室的领导，负责分管的任务。

计划和项目办公室的职能有：①项目的计划和控制；
②系统工程；③可靠性和质量保证；④试验；⑤操作实施。

并分别设立主管部门。

为适合于研究和研制工作的情况，整个管理工作分成五个方面：确定计划的基本要求，量测性能、分析和评价、控制和指导变化、动作和反馈。

在整个管理过程中和五个职能部门内，经常考虑和处理的变量是工程进度、成本费用和技术性能。

2、制订和选择方案
计划办公室成立后，首先为实现登月选择飞行方案，提供了三个备选方案：①直接飞行，使用新型运载火箭；②地球轨道交汇，使用土星运载火箭分别发射载人航天飞行器和液氧贮箱；③地球轨道交会，使土星运载火箭一次发射载人航天飞行器和登月舱。

对三个方案分别在技术因素、工作进度、成本费用和研制难易度等方面权衡利弊。

结果认为第三个方案能确保在最短期间内，最经济地完成阿波罗的全部目标。

3、采用系统仿真技术对航天系统进行系统分析和评价。

在阿波罗工程中应用电子计算机进行各种仿真，确保了各项试验研究准确地按期完成,终于在1969年7月16日通过“阿波罗”11号飞船把3名宇航员送到月球并安全返回地面。

从航天系统的初始概念设计到系统研制和使用，不同型式的仿真得到了广泛应用，以实现事前的工程分析、可靠性分析和技术经济综合评价等。