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飛船飛往月球時需要不斷變軌,為何不直接飛向月球?

2025-01-31 17:19:35

簡單解釋一下,其實就是四個關鍵字:省錢省事

咱們先聊聊怎麼節約資源的,其實關鍵在於節省燃料,燃料用得少,自然就省錢了。

對於那些對航天瞭解不深的旁觀者來說,他們很難想象航天活動有多麼昂貴。我也是個普通的旁觀者,雖然瞭解不深,但透過查閱一些資料,足以做些基本的科普。

相信許多人都目睹過運載火箭發射的壯觀場面,火箭在發射塔臺上顯得格外龐大,你知道為何火箭要設計得如此龐大嗎?

沒辦法,因為化學燃料的能效實在太有限了,為了讓火箭有足夠的力量推進,不得不把它做得足夠巨大,才能裝得下足夠的燃料。這就導致了整個發射系統的重量,絕大部分都是由燃料構成的,而有效載荷卻少得可憐。

通常情況下,火箭的有效載荷僅有1%的比例,這是什麼概念呢?比如一個重達100噸的火箭,其中只有1噸屬於有效載荷質量,也就是人類能夠利用的部分,其餘的質量(主要是燃料)在發射後就廢棄了。

當年阿波羅登月所用的土星五號運載火箭,發射重量高達驚人的3038噸,但實際的阿波羅飛船質量只有45噸,其餘的質量都最終被廢棄。

中國的嫦娥五號探測器所用的長征五號運載火箭,起飛重量是870噸,而嫦娥五號本身只有8.2噸。

即便飛船成功進入預定軌道,擺脫火箭束縛,燃料依然佔據了飛船的大部分重量。例如嫦娥五號的8.2噸質量中,還有4噸是燃料,這些燃料用來在軌道上變軌、加速和減速。

如果火箭直接飛往月球,當然可以,但需要攜帶更多的燃料,操作難度也會增加。

目前的運載火箭通常如何將飛船送至月球呢?

首先,把飛船送入地球軌道,然後火箭與飛船分離,意味著火箭的任務完成了,並在進入大氣層時焚燒殆盡。但此時飛船的速度還不足以飛往月球,該如何是好?

為了掙脫地球引力的束縛並獲得足夠的速度,飛船必須藉助地球的引力彈弓效應,透過多次繞圈變軌來逐步提升速度。

經過數次繞圈後,飛船的軌道變得越來越扁,近地點與遠地點的距離越拉越大。

當近地點達到200公里時,遠地點的距離可以延長至40萬公里。此刻,飛船實際上已經進入了地月轉移軌道,相當於已經抵達月球。因為地月間的平均距離大約為38萬公里。

當然,如同先前所說,也可以選擇不繞圈變軌,直接飛往月球,但這需要更大的速度,更大的速度意味著需要更多的燃料。無論是將更多燃料搭載在火箭還是飛船上,都會增加整體的起飛重量,而增加燃料的同時又必須攜帶燃料罐,這其實是一個成指數增加的過程。

當抵達月球時,過程與離開地球類似,需要利用月球引力輔助減速,這也意味著飛船要繞月球軌道飛行,從而減少燃料消耗。如果直接飛到月球表面,由於月球上沒有大氣,無法透過摩擦力或降落傘減速,只能依靠飛船自身的發動機剎車減速。

這樣一來,就需要攜帶更多燃料,並提前很遠就開始減速。這種飛往月球的方法註定會增加大量燃料,得不償失。

從技術難度上講,直接飛往月球同樣不划算,因為直飛意味著起飛重量大增,這不僅大大增加了發射成本,還讓發射的技術難度、危險性成倍上升。無論從哪個角度看,都是得不償失。

這就是為什麼通常的火箭發射都會經歷不斷變軌,利用天體的引力彈弓效應加速和減速的原因,這相當於利用了大自然的原有力量,既節省資源又安全,何樂而不為?

實際上,飛往月球的過程,和我們平時騎腳踏車爬坡非常相似。在爬坡之前,我們通常需要一個加速過程,獲得一定速度後才能輕鬆上坡。

如果在爬坡前沒有加速獲得速度,能否爬上去?當然可以,但需要極大的力量,並且持續不斷才能爬上坡。

現在,你應該明白了,火箭發射探測器過程中,為何總是“繞圈子”。這些“繞圈子”看似走了彎路,實際上卻是在積蓄能量。就像沒有冬季的漫長積累,怎能迎來春天的溫暖和花開?

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