阿波罗登月需要解决飞行控制问题,数学家卡尔曼在维纳控制的基础上提出了卡尔曼滤波

news2024/11/16 8:32:31

        说到登月,很多人只想到和火箭以及航天器相关的技术,其实登月离不开信息技术的革命。因为从飞行控制到远程通信,都需要解决很多过去从未遇到过的难题。

        登月首先要保证在月球上着陆的地点准确,而且要保证返回火箭和飞船能够在月球轨道上准确对接,这就要用到控制论了。在控制论被提出之前,德国的V-2火箭完全靠事先的预测确定落点,而一点点误差和各种很小的意想不到的干扰因素,就会让火箭偏离十万八千里二战后期德国向英国发射了3万枚火箭,目标是泰晤士河上的伦敦塔桥,但是所有火箭都没有命中目标。

        阿波罗登月需要解决飞行控制问题,数学家卡尔曼在维纳控制的基础上提出了卡尔曼滤波(Kalmanfltering),确保了火箭能够准确无误地抵达登月地点。在实现卡尔曼滤波的过程中,原始的数学模型有8阶,这在当时的计算机上完全无法实时计算。于是,许多控制专家经过努力,将控制模型简化成3阶,使得当时的计算机能够实现控制。要知道,当时控制阿波罗登月的大型计算机还没有今天一台智能手机快。

        在信息技术方面,另一个关键问题是远程无线通信。为了确保相距38万千米的地月之间通信畅通,美国发射了很多环月球的航天器专门测试地月之间的通信情况。最后,由摩托罗拉公司提供了月球和地球之间的对讲设备,确保了登月计划通信的畅通。此外,为了在月球上拍摄清晰的影像,瑞典的哈苏公司研制出了特殊的照相器材,记录了阿波罗登月宝贵的科学和历史资料。

        最后,人在月球环境下的生存以及安全返回,在20世纪60年代也是一个似乎无解的难题,特别是如何保证宇航员能够从月球安全返回到地球上。阿波罗计划一开始,美国宇航局提出了4种返回方案。最初,专家们考虑随登陆舱一起带一枚大火箭发射到月球上,然后用那枚大火箭将登月舱直接发射回地球。这种方法最为简单,但登月设备的总重量非常大,需要建造超级大火箭,这在当时还难以完成。后来科学家约翰·侯博尔特坚持认为,登月设备的总重量越轻越好,并想方设法说服了大多数人。

        于是,包括冯·布劳恩在内的专家决定,让带一枚小火箭的登月舱登月,同时一艘飞船环绕月球飞行。在登月完成后,小火箭只要把登月舱送回月球轨道,在那里和环月球的飞船对接后一同返回地球。这个方案可以极大地降低登月总设备的重量,但是需要卓越的空间对接技术。阿波罗计划最终采用了这个方案并获得成功。美国历史学家认为,如果不是因为美国宇航局最终采用了少数人的意见,就不可能在20世纪60年代末实现登月。

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