飞船为什么不能直接飞到月球,而是需要环绕变轨?
飞船为什么不能直接飞到月球,而是需要环绕变轨?
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因为钱少,燃料贵。中国航天目前还比较穷。
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首先,你的想法确实是可以实现的,从地球赤道出发,两点一线,所耗费的时间和距离最少。
但是,你知道这样比环绕着陆耗费的燃料要多得多了。
先给你看嫦娥一号奔月的轨道示意图,嫦娥一号是在绕地3圈多之后才终于离开地球的怀抱,飞往月球。而在“登陆”(实际上是坠月)月球的过程,同样经历了3圈多的在轨运行。
嫦娥一号轨道示意图
阿波罗登月飞行轨迹
专业的术语和数据就不引用了,用人话来说,这样运用地球的引力加速,比人工的燃料加速要省力的多得很。
所谓的引力加速,又叫引力弹弓,就是利用行星的重力场来给太空探测船加速,将它甩向下一个目标,也就是把行星当作“引力助推器”。利用引力弹弓使我们能探测冥王星以内的所有行星,且能为人类节省大量的燃料。
还有一个原因,人类的探测器在飞出地球,在轨运行,进入月球轨道,月球着陆过程中,都需要相对漫长的时间,对飞行器上的所有器材进行细致的检查,毕竟稍有一点差池,一次探月任务就OVER了。
其三,月球虽然离我们很近,但是,我们对月球的了解还是有限的,所以,好近九牛二虎之力,发射一个航天器,就为了登陆月球,那未免有点奢侈了,很多飞行器在登陆之前,还会肩负很多在轨检测的任务,所以,这也是不选择直接降落的原因之一。
还有一点,在登月之前,目的地着陆点都是事先设定的,如果像你说的,直接着陆的话,那肯定做不到那么精确,在轨运行的好处就是可以不断的飞行器进行细微的矫正,从而让登月更加的顺利。
如上,希望你能满意!
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飞船为什么不能直接飞到月球,而是需要环绕变轨?
简单回答:飞船绕弯子不直接到达月球,第一是为了省钱,第二技术难度更小。下面就具体说说。
首先说说省钱。
实际上就是为了节省燃料,节省了燃料当然就省钱了。
航天活动燃料是一个最大的消耗。运载火箭发射上天的有效载荷一般只有1%左右,也就是说要起飞重量100吨,才能够把1吨有效载荷送上天,有时候还达不到这个水平。起飞重量消耗的主要是燃料,还有装载这些燃料的火箭本体和发动机等。
上世纪美国发射的阿波罗登月飞船采用土星五号运载火箭,发射重量达到3038吨,送上天的阿波罗飞船只有45吨。送上地月转移轨道后,这个土星五号火箭就连燃料带箭体都消耗完了,废弃了;我国发射的嫦娥五号探测器采用长征五号遥五运载火箭,起飞重量达到870吨,而进入轨道的嫦娥五号探测器组合只有8.2吨,把嫦娥五号送到地月转移轨道后,整个遥五运载火箭就废弃了。
从上面的起飞重量和入轨后的有效载荷比来看,美国土星五号达到67.5:1,也就是有效载荷达到1.48%;我国遥五火箭达到106:1,有效载荷只有0.94%。而且即便脱离了火箭的飞船,其中燃料还是占有很大比例。如嫦娥五号探测器8.2吨总质量就包括近4吨的燃料,这些燃料主要用于调姿变轨、加速和制动减速需要。
如果直飞直降,就需要更多的燃料。
凭人类现在掌握的航天技术,要直飞月球并且直接降落也不是不可能的,但这样会增加很大成本和技术难度,得不偿失。
现在的运载火箭把飞船送到地球轨道后,就会实现船箭分离,这时的运载火箭就完成了发射任务,坠入大气层烧毁了。但这个时候,很多飞船并没有达到飞往月球的速度,为了达到挣脱地球引力束缚的速度,就必须利用地球的引力弹弓效应,通过兜圈子提升速度,这是一个椭圆形圈子,圈子越兜越大,当近地点约200千米,远地点达到约40万千米时,就进入了地月转移轨道,飞往月球了。
当然也可以直接达到奔月速度,飞往月球。要达到这个速度有两种方法,一种就是增加火箭燃料,加大推力,并且持久加速;二是在飞船上装载更多的燃料,船箭分离后飞船利用携带的燃料提速。但这样就必须加大火箭起飞重量,而且不仅仅是加大燃料重量,还需要增加装这些加大燃料的储罐,加大飞船重量。这样又要增加将这些增加的燃料和设备送上轨道的燃料了,这是一个指数级增加。
而到了月球,飞船还是利用月球引力,辅之反推减速,因此会围绕着月球绕几个圈,减少许多自动燃料。如果直飞直落,月球上没有大气,既无法利用大气摩擦力减速,也无法使用降落伞,而是完全需要飞船发动机反推减速。
这种减速方式不但要增加非常多的燃料,还需要在距离月球很远就开始刹车,因为一到大月球后就来不及了。这样种方式,就不但要增加海量的燃料携带,从而让飞船质量成倍增加,还反而拖延了到达的时间,完全得不偿失。
航天是世界最高水平的科技活动。
航天是一项科学技术要求非常高的活动,它代表着一个国家和地区最高的科学技术水平。飞船的仪器设备要求很精密,稍有差池就会失败。就拿嫦娥五号为例,这还只是一艘无人探测器,分为四大舱段,光是发动机就配置有77台。其中轨道器有27台,着陆器有17台,上升器有21台,返回器有12台。正是这些发动机精密控制着飞船的提速、减速、刹车、轨道修正、月面起飞、轨道对接、变轨提速返回等。
如果采用直飞直降方式,火箭整体起飞重量就会成倍增加,不但增加了巨量的发射成本,制造和发射的技术难度、安全风险系数也会呈数量级的上升。这就是一般的航天活动都会采取利用天体引力弹弓效应来提速和减速的原因。
但有时候,在不增加燃料甚至还节约燃料的基础上,也会采取直接方式。如嫦娥五号采样返回器的回收,就采取直接撞入大气层,利用依靠大气“打水漂”减速,然后再进入大气层,实现了完美回收;NASA的毅力号火星车到达火星,也是一头撞进火星大气层,利用火星稀薄大气摩擦减速,最后用降落伞起重机式着陆,颇有科幻大片场面。
这些当然要很高的控制技术,进入目标星球的入射角要非常精准,否则不是漂得不知所踪,就是坠毁得面目全非。这种方式大大减少了刹车所用的燃料,但目标星球必须有大气。而月球是没有大气的,无法采用这种方式减速。
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这是牛顿和爱因斯坦的问题,牛顿认为太空是平的,爱因斯坦说时空是弯曲的。但是,爱因斯坦只说了时空的弯曲,并没有说大质量星球弯曲的时空是漩涡状的。
飞船,之所以叫“船”,就是就是因为它是漂浮的。
我们地球人类探索宇宙太空的科技水平还停留在初级阶段,用造船行船来比喻就是古代人力划船的水平。
牛顿眼里的“水面”是平静的湖水,爱因斯坦眼里的“水面”是有漩涡的活水。
水中行船,在平静的湖水里给点力就能直行,在流动的活水里不用划,水流能冲着船走,叫做顺水行舟。
地球、月球、火星都是一个个时空漩涡、引力漩涡,宇宙飞船想要离开地球首先就要冲出漩涡。可以想象一下,船是怎么划出漩涡的。
牛顿认为引力是平直的,就像用皮筋拴狗,狗狗只要力气足够大,挣断皮筋就能逃脱。
真实的引力场更类似龙卷风,想要从龙卷风的中心跑出来,顺着风向转圈儿是是最省力的。
我们人类的科技水平还不足以任性的挣脱引力漩涡,所以火箭发射升空后就开始顺着引力漩涡转圈儿了,这个就是借力。
发射火箭为什么都选择纬度低,靠近赤道的地方,就是要借力地球自转的线速度。地球如同旋转的陀螺,越靠近赤道线速度越快,顺着自转方向发射可以借不少力。
这主要是为了节省燃料。
当然,我们要是有钱了也可以任性的制造足够大推力的火箭,无视引力漩涡,时空漩涡,地球自转,直来直去。可现在的情况是没必要,太空探索不是什么急不可待的事,也不是救人救火,成本核算是可持续发展的基础保证。
上世纪美国苏联搞太空竞赛,阿波罗计划的土星五号火箭就是个任性的大家伙,鲸吞海饮的任性吞噬金钱以节省时间,追上并超过了前苏联,帮助美国在太空竞赛中战争了前苏联。
美国的这个行为跟美国人的性格有直接关系,看看美国的军费支出就知道了,看看美国汽车的大排量,大个头,大空间就知道了。人家能任性的时候绝对任性而为。
相比起来,我们东方人想的东西就多了些,日本车在世界上能站稳脚跟就是人家会算计,省油。
宇宙飞船飞上月球,其过程就是从地球这个漩涡到月球那个漩涡。飞船之所以叫“船”,因为它就是船,航行在太空的船。
行船呢,在“逆水行舟”和“顺水推舟”之间,我们要是不赶时间的话,还是选择顺水推舟更经济划算,有利于可持续发展。
到哪一天钱多了,再任性,直来直去也不是不可以了。
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一、直接飞到月球是可以的,但是这样做需要耗费更多的燃料。
地球一直在以29.8km/s的线速度、15°/h的角速度在自转,因为我们在地球上具有同样的速度,所以感觉不到。对于月球,其公转的角速度为 33′/h,即0.55°/h。
由此可以看出,地球自转速度是月球绕地球公转速度的27倍之多!如果地球上发射一颗月球探测器,由于惯性则此探测器自身就带有一个和地球自转一样的角速度。如此巨大的角速度,使探测器不得不呈现出一种螺旋式上升方式(椭圆轨道)。除非探测器使用反方向推力,降低自己的角速度和月球公转角速度一致,才能够和月球相对静止,然后直线飞过去。但是,这个过程需要探测器耗费巨量燃料降低角速度,并且还要探测器做足够的功才可以地球的引力势能,整个过程可以说是要耗费大量的燃料。
二、如果采取让探测器跟随地球自转的方式,就可以避免使用大量燃料:
月球公转很慢,几乎可以认为相对地球静止。探测器在围绕月球公转的时候,每次顺着地球公转方向只需要燃烧少许燃料,就可以使探测器获得更大的速度,做更大的椭圆轨道运动(下图)。当经过几次加速过程,探测器围绕地球转速已经够大了,这时候待探测器刚好转到地月背面时,只要再次少许加速一次,探测器就可以轻而易举地摆脱地球的引力势井,以一个更大椭圆的螺旋曲线奔向月球,然后到达月球时再减速就可以被月球的引力俘获从而围绕月球转。整个过程类似于一个引力弹弓,说白了就是探测器利用了地球自身的自转速度而已。
这种方式燃料耗费较少,只需要3次加速过程和减速过程。但是轨道的计算过程十分复杂,而直接飞就不用计算什么轨道,但是燃料耗费的却太多。以目前人类的探测器制造技术,还不能够携带较多的燃料,故而只能够采取第二种方式登月。
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