阿波羅11號來回月球只要8天,為什麼嫦娥五號卻要23天?

2020-12-15 星辰大海路上的種花家

很多關心探月任務的朋友發現了一個有趣的事實,官方公布的嫦娥五號任務是23天,而50多年前的阿波羅11號,發射時間是1969年7月16日,返回時間是1969年7月24日,總共歷時才8天,這過了50年,我們的技術還不如半個世紀以前的阿波羅11號嗎?

運載阿波羅11號到月球的火箭,到底有多厲害?

土星五號就是整個阿波羅計劃中猶如超新星一樣耀眼的存在,因為它實在是太強大了,下文簡單來了解下它的參數,感受下當年阿波羅計劃功勳火箭的風採!

土星五號高度:110.6米,直徑:10.1米,總質量:3039噸

近地軌道運載能力:140噸

單看這幾個數據似乎有點不太夠勁,畢竟只是一大堆數據,沒有人能腦補出這些參數背後的意義!

各位看看就知道了,土星五號的能力絕對是碾壓現代所有大型運載火箭,幾乎是運載能力最大的重型獵鷹的兩倍!

馮布勞恩在F1發動機旁

土星五號變態的各級發動機

土星五號一級火箭的總共有5臺F1發動機,每臺發動機的海平面推力為6770千牛,比衝為263秒,它工作時每秒要燒掉1789千克液氧,788千克沒有,第一級火箭只工作150秒,能將火箭送至68千米的高空,達到2.76千米/秒!

此後由二級火箭5臺J2火箭發動機接力送往近地軌道,J2火箭發動機使用液氫液氧作為燃料,它工作300秒,將飛船送至170千米的高度,達到7千米/秒,最後三級火箭啟動工作大約150秒,火箭進入距離地面191.2千米高度的待機軌道,速度達到7.75千米/秒!

第一級火箭脫離

最後在這條待機軌道上環繞大約2.5圈後的近地點上,三級火箭再次點火,燃燒大約300秒後,將接近48噸阿波羅飛船加速到地球逃逸速度11.2千米,直接送入地月轉移軌道,飛船在3天後的7月19日就到達了這條軌道的頂點:月球,再減速被月球引力俘獲,進入環月軌道等待著陸!

從這些參數我們可以看到,阿波羅飛船從地球出發後幾乎就沒有停頓直接到達月球軌道,這是土星五號強大的運載能力背書的,可以說沒有土星五號,就沒有阿波羅登月計劃!

運載嫦娥五號的到風暴洋的胖五,真不如土星五號嗎?

嫦娥五號是從2020年11月24日凌晨4點30分用長徵五號遙五運載火箭,從文昌航天發射場發射升空的,於2020年11月28日20時58分,在距離月球400千米處減速制動進入環月軌道,總共耗時大約4天半左右!

和阿波羅11號相比,看來嫦娥五號確實要慢不少,但事實上我們必須要澄清一個事實,阿波羅11號在191.2千米的待機軌道上運行了2.5圈之後再出發,這個軌道上由於大氣分子比較密集,並不是久留之地,後期的阿波羅15、16、17號待機軌道低至150千米,這個軌道停留的時間更短!

為什麼要設置待機軌道?就是準備出發月球前最後檢查一下所有設備,沒有問題就可以準備出發了,對於載人飛船,檢查後立即出發,還有一個人員氧氣與整個任務時間分配的問題,時間是比較敏感的,而對於無人探測則根本就沒有這個問題,測試設備,各個測控點跟蹤等等,所有測試全部通過後再在近地點點火,將軌道頂點拉至月球附近!

所以儘管在網上我們查不到詳細嫦娥五號在軌道上到底幹了什麼,但我們可以推測出它在這條軌道上停留時間是不少的,也沒有使用火箭發動機多次在近地點加速,屢次抬升軌道,最終將軌道頂點靠近月球的方式(嫦娥一號和二號使用這種方式)。

嫦娥一號探月之路

這種將軌道逐漸抬升慢慢接近月球的方式可以大大節省燃料,也可以讓運載火箭的技術水平降低,但對於長徵五號火箭,它完全可以直接將嫦娥五號一次送入地月轉移軌道,不過如果條件不足,無人探測器採用這種方式亦無不可,比如最著名的就是印度的曼加裡安火星探測器,它在地球近地軌道上繞了好幾個月,才最終進入地火轉移軌道,人家用低成本實現火星探測,這可是一輩子吹牛的資本哈!

曼加裡安的登火之路

長徵五號的技術水平怎麼樣?

很多朋友喜歡將土星五號和長徵五號相比,但其實兩個完全不在同一個量級上,土星五號是一個大力士,但它的燃料利用率很低,簡單的說它的大推力是通過燃燒大量燃料產生的,就像是二衝程的汽油機,功率不小,但耗油率太大!

這一點比較兩者的發動機就知道了,兩者都是液氧煤油機,土星五號的F1是燃氣發生器循環(開式循環)比衝是263秒,長徵五號的的液氧煤油助推器YF100(富氧預燃分級燃燒循環),海平面比衝是300S,當然和RD180的311還是有些差距(這是1990年代的技術),但這比土星五號的F1技術還是要長進不少!

分級燃燒循環的所有燃氣和熱量都通過燃燒室排出,沒有推力損失。因此這種循環也常稱為「閉式循環」。而開式循環產生的廢氣直接排放,因而效率有所損失。它的另一個優點就是能承受非常高的燃燒室壓力,可以使用更大膨脹比的噴嘴。缺點則是渦輪機的工作環境惡劣,需要添加額外導管來輸送高溫燃氣,還必須設計很複雜的反饋控制系統,這是循環設計中最難的,它簡化版本就是燃氣發生器循環(土星五號F1發動機循環技術)。

整體上而言,長徵五號的技術水平並不差,但它的近地軌道運載能力大約為25噸,地月轉移軌道為大約為8.8噸,執行採樣返回任務完全沒有問題,但載人登月,至少需要40多噸的地月轉移軌道運載能力,嫦娥五號還是差距不小。

為什麼嫦娥五號回來也要那麼久?

其實阿波羅計劃中也就11號最短,月面只停留了2個多小時,而17號整個任務則長達12天!而嫦娥五號的時間並不是耗在回程上,而是在月球軌道對接、轉移以及待機上,嫦娥五號在400千米待機軌道上除了上述幾項任務外,並沒有公布其他信息,當然我們也不胡亂瞎猜,不過只要它一旦脫離月球軌道,那麼它的著陸時間就可以倒計時了!

有朋友認為嫦娥五號從月球返回還要在地球上繞幾圈,其實這是個誤解,因為這樣就會進入地球環繞軌道,需要將11.2千米/秒(從地外天體返回的速度必然大於速度,除非減速)的速度降低到7.9千米/秒以下,這需要大量的燃料!

因此採用彈道返回或者半彈道返回就成了最佳選擇,無人探測器沒有過載要求,彈道返回亦無不可,而載人飛船絕不能使用彈道返回,要不然至少也是十幾個過載,太空人受不了!所以嫦娥五號的返回器和軌道器分離後,直接進入返回軌道,使用小飛走過的水漂彈道返回!

因此這就對返回時機提出了很高的要求,返回到達地球切入水漂彈道的軌跡起始點時,其末端一定要是中國內蒙古四子王旗傳統降落場,所以這個窗口必須給踩點穩了,要不飛到人家家裡去,那就尷尬了,再友好的國家,怎麼也得交涉下,而且這面子也丟大發了哈!

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