飛船奔月為何要在地球和月球繞很多圈子,不直接來回直…


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飛船奔月為何要在地球和月球繞很多圈子,不直接來回直接降落?

簡單地說,飛船圍繞著地球繞彎子再飛往月球,到了月球又繞彎子才降落,第一是為了省錢,第二為了減少技術難度。要了解其中緣由,就請耐著性子看完本文。

  • 首先說說省錢。

實際上就是為了節省燃料,節省了燃料當然就省錢了。

航天活動燃料是一個最大的消耗。運載火箭發射上天的有效載荷一般只有1%左右,也就是說要起飛重量100噸,才能夠把1噸有效載荷送上天,有時候還達不到這個水平。起飛重量消耗的主要是燃料,還有裝載這些燃料的火箭本體和發動機等。

上世紀美國發射的阿波羅登月飛船採用土星五號運載火箭,發射重量達到3038噸,送上天的阿波羅飛船隻有45噸。送上地月轉移軌道後,這個土星五號火箭就連燃料帶箭體都消耗完了,廢棄了;我國發射的嫦娥五號探測器採用長征五號遙五運載火箭,起飛重量達到870噸,而進入軌道的嫦娥五號探測器組合只有8.2噸,把嫦娥五號送到地月轉移軌道後,整個遙五運載火箭就廢棄了。

從上面的起飛重量和入軌後的有效載荷比來看,美國土星五號達到67.5:1,也就是有效載荷達到1.48%;我國遙五火箭達到106:1,有效載荷只有0.94%。而且即便脫離了火箭的飛船,其中燃料還是佔有很大比例。如嫦娥五號探測器8.2噸總質量就包括近4噸的燃料,這些燃料主要用於調姿變軌、加速和製動減速需要。

  • 如果直飛直降,就需要更多的燃料。

憑人類現在掌握的航天技術,要直飛月球並且直接降落也不是不可能的,但這樣會增加很大成本和技術難度,得不償失。

現在的運載火箭把飛船送到地球軌道後,就會實現船箭分離,這時的運載火箭就完成了發射任務,墜入大氣層燒毀了。但這個時候,很多飛船並沒有達到飛往月球的速度,為了達到掙脫地球引力束縛的速度,就必須利用地球的引力彈弓效應,通過兜圈子提升速度,這是一個橢圓形圈子,圈子越兜越大,當近地點約200千米,遠地點達到約40萬千米時,就進入了地月轉移軌道,飛往月球了。

當然也可以直接達到奔月速度,飛往月球。要達到這個速度有兩種方法,一種就是增加火箭燃料,加大推力,並且持久加速;二是在飛船上裝載更多的燃料,船箭分離後飛船利用攜帶的燃料提速。但這樣就必須加大火箭起飛重量,而且不僅僅是加大燃料重量,還需要增加裝這些加大燃料的儲罐,加大飛船重量。這樣又要增加將這些增加的燃料和設備送上軌道的燃料了,這是一個指數級增加。

而到了月球,飛船還是利用月球引力,輔之反推減速,因此會圍繞著月球繞幾個圈,減少許多自動燃料。如果直飛直落,月球上沒有大氣,既無法利用大氣摩擦力減速,也無法使用降落傘,而是完全需要飛船發動機反推減速。

這種減速方式不但要增加非常多的燃料,還需要在距離月球很遠就開始剎車,因為一到大月球後就來不及了。這樣種方式,就不但要增加海量的燃料攜帶,從而讓飛船質量成倍增加,還反而拖延了到達的時間,完全得不償失。

  • 航天是世界最高水平的科技活動。

航天是一項科學技術要求非常高的活動,它代表著一個國家和地區最高的科學技術水平。飛船的儀器設備要求很精密,稍有差池就會失敗。就拿嫦娥五號為例,這還只是一艘無人探測器,分為四大艙段,光是發動機就配置有77台。其中軌道器有27台,著陸器有17台,上升器有21台,返回器有12台。正是這些發動機精密控制著飛船的提速、減速、剎車、軌道修正、月面起飛、軌道對接、變軌提速返回等。

如果採用直飛直降方式,火箭整體起飛重量就會成倍增加,不但增加了巨量的發射成本,製造和發射的技術難度、安全風險係數也會呈數量級的上升。這就是一般的航天活動都會採取利用天體引力彈弓效應來提速和減速的原因。

但有時候,在不增加燃料甚至還節約燃料的基礎上,也會採取直接方式。如嫦娥五號採樣返回器的回收,就採取直接撞入大氣層,利用依靠大氣“打水漂”減速,然後再進入大氣層,實現了完美回收;NASA的毅力號火星車到達火星,也是一頭撞進火星大氣層,利用火星稀薄大氣摩擦減速,最後用降落傘起重機式著陸,頗有科幻大片場面。

這些當然要很高的控制技術,進入目標星球的入射角要非常精準,否則不是漂得不知所踪,就是墜毀得面目全非。這種方式大大減少了剎車所用的燃料,但目標星球必須有大氣。而月球是沒有大氣的,無法採用這種方式減速。

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