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(wei) 了省錢,第二為(wei) 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(wei) 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(ge) 最大的消耗。運載火箭發射上天的有效載荷一般隻有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(ge) 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(ti) 和發動機等。
上世紀美國發射的阿波羅登月飛船采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(ge) 土星五號火箭就連燃料帶箭體(ti) 都消耗完了,廢棄了;我國發射的嫦娥五號探測器采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隻有8.2噸,把嫦娥五號送到地月轉移軌道後,整個(ge) 遙五運載火箭就廢棄了。
從(cong) 上麵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,有效載荷隻有0.94%。而且即便脫離了火箭的飛船,其中燃料還是占有很大比例。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(yu) 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(hui) 增加很大成本和技術難度,得不償(chang) 失。
現在的運載火箭把飛船送到地球軌道後,就會(hui) 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(ge) 時候,很多飛船並沒有達到飛往月球的速度,為(wei) 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(ge) 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(wan) 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(ge) 速度有兩(liang) 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(jin) 僅(jin) 是加大燃料重量,還需要增加裝這些加大燃料的儲(chu) 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(ge) 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(hui) 圍繞著月球繞幾個(ge) 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(san) ,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刹車,因為(wei) 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(cong) 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(chang) 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(ge) 國家和地區最高的科學技術水平。飛船的儀(yi) 器設備要求很精密,稍有差池就會(hui) 失敗。就拿嫦娥五號為(wei) 例,這還隻是一艘無人探測器,分為(wei) 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製著飛船的提速、減速、刹車、軌道修正、月麵起飛、軌道對接、變軌提速返回等。
如果采用直飛直降方式,火箭整體(ti) 起飛重量就會(hui) 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(hui) 呈數量級的上升。這就是一般的航天活動都會(hui) 采取利用天體(ti) 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(hui) 采取直接方式。如嫦娥五號采樣返回器的回收,就采取直接撞入大氣層,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(san) 起重機式著陸,頗有科幻大片場麵。
這些當然要很高的控製技術,進入目標星球的入射角要非常精準,否則不是漂得不知所蹤,就是墜毀得麵目全非。這種方式大大減少了刹車所用的燃料,但目標星球必須有大氣。而月球是沒有大氣的,無法采用這種方式減速。
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