月球沒有發射塔與火箭,阿波羅號與嫦娥五號如何返航?數據說話

2020-12-04 科學美少男

本文參加百家號#科學了不起#系列徵文賽。

登月艙在月球上起飛的重量僅相當於「兩頭豬」,而燃料有2.4噸,因此很容易返航!嫦娥五號和阿波羅11號,登陸與返航的原理基本上一樣。不過,嫦娥五號難度係數更高,但我們不能否認,美國50年前就已經載人登陸了。

月球返航的質疑:

1968年,土星五號帶著阿波羅號離開地球,很多人質疑運載火箭與阿波羅號脫離之後,阿波羅號是如何獨自從月球表面返航的?

地球升空:阿波羅號從地球上升空時是至今推力都排世界第二的土星五號,火箭總重量3000多噸,荷載45噸,依靠巨大的發射架,場面振奮人心。

月球降落與升空:火箭垂直穩穩著陸是馬斯克近兩年的研究結果,一般太空飛行器返回地球都是直接「掉」下來,開降落傘減速,那麼50年前阿波羅號是如何穩穩降落月球表面,還具備再次發射條件的?

圖:胖五起飛

月球上可是連連發射臺都沒有。難道登月之前月球上就已經「藏」了像土星五號一樣的運載火箭,並提前建設好了發射臺?這顯然不可能。

解惑

如果阿波羅號不可能完成登月,嫦娥五號也不可能,實際上返程人員是「沒有降落月球的太空飛行器」帶回來的。先簡述一下過程:

運載火箭提供巨大推力,克服地球引力升空。進入環地球軌道,推進器脫離,繞地球軌道飛行,火箭將阿波羅號送入地月轉移軌道並分離,阿波羅號直奔月球。靠近月球後,點火制動,修改軌道進入環月球軌道。關鍵點:無論是嫦娥五號,還是阿波羅11號都並非是單獨完整的太空飛行器,而是由多個部分組成,下面對比一下:

圖:阿波羅11號

圖:阿波羅11號與嫦娥五號

阿波羅11號在整個過程中完成了兩次分離,兩次對接。而嫦娥五號完成了一次分離,一次對接。阿波羅11號第一次分離與對接是為了進行結構調整,分離後發生了180度大旋轉,再對接,為登月與返回做準備。

圖:阿波羅11號進入地月軌道後,第一次分離與對接,

嫦娥五號與阿波羅11號進入環月球軌道之後,原理都是在近月球軌道上,登月艙與軌道艙分離,再通過減速讓月球引力俘獲登月艙,下降同時下降段點火,使登月艙具備一定上升力與月球引力抗衡,完成軟著陸。這個過程與馬斯克回收獵鷹9號類似。著陸後,阿波羅號下來兩人,走兩步、插旗子,撿石頭,而我們的嫦娥則是全自動化挖土、封裝。

數據告訴你為什麼能返航?

月球上沒有重載火箭與發射臺卻能返航,關鍵點在於引力。地球比月球大得多,地月系統中,除了從月球「出門」時的臨門一腳,大部分路程都是受地球引力支配,意味著返程路下坡路居多。

起飛數據對比

土星五號從地球升空時,總重量3000多噸,荷載45噸(阿波羅11號),分別為環月的軌道艙25噸,登月部分的上升段4.7噸、下降段15噸。也就是說月球起飛重量只有4.7噸,其中燃料佔據了一半(2.4噸),飛船2.3噸,真正載荷只有兩個人和月土(另一個人在軌道器上)。

最關鍵的是月球的引力只有地球的1/6,F=ma,上升段4.7噸在月球上所受重力與地球上0.8千克物體相當,相當於地球上兩頭豬的重量

起飛速度對比

運載火箭離開地球要達到11.2km/s的逃逸速度。由於月球引力小,「這兩頭豬」只需要達到1.68km/s的環月球速度,因為人和石頭並非乘坐「兩頭豬」直接從月球表面返航,而是在近月球軌道「換乘」軌道器。

綜上所述:兩地起飛時,地球要比月球更難,起飛重量相差3750倍,需要達到的速度相差7倍,這還不算地球上存在空氣阻力。這意味著月球升空只要一個迷你發射架(10噸左右的下降段)與「小型火箭」(4.7噸的上升段,含2.4噸燃料)就足夠了。

當登月艙上升段升空後,人帶著月土轉移到返回艙,然後上升段與軌道艙分離,最後軌道艙點火變軌進入地月軌道,返回艙與服務艙分離,獨立返回地球。最終返回艙進入地球軌道,減速掉入大氣層。

嫦娥五號的難度

嫦娥五號相對阿波羅11號的優勢:

自動挖土,自動封裝自動降落月球自動從月球升空登月艙與返回艙自動對接半彈道跳躍式返回方案(在太空打水漂)阿波羅號載人方案面對各個環節可以依靠人工進行調整,嫦娥五號方案更為自動化,相似的方案,更加自動與精準,意味著我國離載人登月快了。

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    阿波羅登月是人類航天史上最重大的一次進步,但一直以來就有一個登月騙局的說法,除了當時計算機技術太差,遠程控制技術不足,近年來還冒出一個說法,土星五號從地球上出發時巨大的火箭和發射場讓大家記憶猶新!15號登月艙「鷹」從月球起飛這兩個動圖應該很清楚能看到阿波羅飛船是怎麼飛離「發射臺」了,它將下降段作為發射臺,直接起飛,拋棄了登月後無用的下降段死重,還順便從這個平穩的臺子上起飛,一舉兩得!
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    在月球上成功「挖土」之後,嫦娥五號帶著2公斤的月球「土特產」飛入預定的環月軌道,準備踏上回家之路。這是時隔44年之後,或者說人類進入21億世紀以來,太空飛行器首次從月表起飛,這也是中國航天的第一次。在嫦娥五號之前,我國已經成功進行過兩次無人登月,這幾次登月地點相距都非常遙遠。
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    返回的關鍵在於引力,返回的引力系統為地月系統,並月球返航方案,只適用於月球。一旦解決引力問題就可以返航,不然就會成為單程旅行了,所以這在當時有很多的質疑。登陸月球和返回地球牛頓提出的第二宇宙速度也就是逃逸速度就是專門解決這個問題的。
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  • 月球上沒有火箭和發射塔,美國人是如何返航的,難道有貓膩?
    月亮是中國文化當中非常重要的一個意象,很多詩人都曾經寫過關於月亮的詩歌,而美國人更是將登上月球視作一項重大的航天成就,但是不知道大家有沒有想過,在地球上發射飛船要用到非常巨大的火箭,但是這些東西在月球上可沒有。那麼沒有火箭和發射塔,美國太空人登上月球後又是如何返航的呢?
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    一直以來,網絡上有很多人都認為美國上個世紀的成功登月是一個假新聞,原因是因為最近幾十年來科學技術高度發達,然而再也沒有任何太空人登上月球。更重要的是,人類從地球上發射到月球上時,需要用到火箭助推,而月球表面沒有任何火箭發射器,那麼到達月球表面的太空人究竟是怎麼返航的呢?
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  • 月球上沒有火箭和發射塔,美國人是如何返航的?
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  • 嫦娥五號成功抵達月球軌道!組合體分離難度僅次於阿波羅登月
    在環月軌道上,嫦娥五號距離月球表面大約200公裡,此時嫦娥五號探測器著陸器和上升器組合體,已經與軌道器和返回器組合體成功分離,擇機實施降落。在環月軌道上進行對接,其難度僅次於阿波羅登月,可以認為只有中美的登月探測器在環月軌道上實施過分離和對接。嫦娥五號也堪稱迷你版的阿波羅登月飛船,只不過是尺寸較小的無人版,所有的一切都暗示中國進行載人登月的時間將不遠了。頭條獨家的兵器瞭望臺指出,載人登月需要足夠大的火箭,我們的921火箭方案已經提出,論證工作已經啟動,在2030年之前,該火箭有望問世。
  • 月球沒有發射場,當初阿波羅計劃太空人,是如何返航的?
    首先第一種方法就是用一個大的太空飛行器搭載一艘小型的火箭,而且在這個小型的火箭上必須攜帶足夠多的燃料,在到達月球之後,太空人完成任務之後直接返回月球,這種方法是最為簡單粗暴的方式,但是成本卻是非常高,需要耗費的燃料也是非常大的。
  • 月球表面是真空沒有氧氣,嫦娥五號如何點火,發射技術有多難?
    這在中國航天歷史上,是第一次出現的,在嫦娥五號登月之前,我國之前已經成功進行過了兩次無人登月。那麼,嫦娥五號在月球上,是如何在沒有發射塔的情況下飛離月球,並且返回地球的呢?由於月球引力小的緣故,在地球上質量很重的物體,到月球上也會飄起來。所以在月球表面,嫦娥五號起飛有著很多困難,嫦娥五號在月球上行走一小步,都是一個巨大的困難。