嫦娥五號計劃來回23天,為什麼阿波羅11號來回只要8天?

2020-12-11 星辰大海路上的種花家

官方公布的嫦娥計劃時間總共歷時23天,和此前的任務相比,似乎縮短了很多,畢竟這嫦娥三號和四號是落月任務,是要著陸器和月球車還能工作,這任務就遙遙無期!而嫦娥五號的採樣返回則是有時間限制的,時間再久點,著陸點就變月夜了!

不過熟悉航天的朋友很快發現了一個問題,阿波羅計劃當年任務執行前後總共只有8天,發射時間是1969年7月16日,返回時間是1969年7月24日,兩者相差半個月,這嫦娥五號還不如半個世紀前的阿波羅11號的技術?

登月有幾條路?

怎麼奔月?看著月球在哪裡,瞄準了射出火箭不就完事了麼?其實還真沒那麼簡單,因為月球距離地球大約是38.4千米,從地球出發到月球火箭,再快也得半天一天時間,而月球繞著地球公轉,它每天都能跑差不多9萬千米!

所以等你的火箭射到之後,它早就跑了,所以得計算好提前量,當火箭到達時月球剛好也一起到達,那就穩了!但同樣會跑出來另一個問題,從地球發射到月球的火箭,走的不是直線,在引力場中是測地線運動,表現在地球到月球的線路就是一條大致橢圓軌道線(就是繞地球運動的軌道半長軸拉長,一直將遠地點伸到月球軌道附近)!

當然這是在火箭推力足夠的情況下,這條軌道距離短,速度快,最快的速度能到月球,如果不夠呢,它就夠不著月球,那麼就不能執行月球探測了嗎?其實也不是不行,因為還有第二條路!

嫦娥二號探月之路

可以採用多次變軌的方式,在探測器近地點時點火加速,將軌道的遠地點一次次抬升,一直到遠地點接近月球,這個方法比一次性將軌道提升到月球要節省燃料,但缺點是時間比較久!

印度曼加裡安探測器的火星之路

嫦娥五號和阿波羅11號的奔月之路到底有什麼差別?

上文我們看到了兩種軌道的差異,嫦娥五號和阿波羅11的軌道區別真的很大嗎?準確的說兩者並沒有什麼差別,下文來了解下,阿波羅11和嫦娥五號的奔月之路。

阿波羅的奔月之路

篇幅限制,下文就揀重要的說,運載阿波羅11號的火箭是土星五號,這枚火箭即使到現在也依然是超級巨無霸,它的運載能力在近地軌道是140噸,地月轉移軌道是48.2噸,到現在依然沒有任何火箭能超過它,所以它能將四十多噸的阿波羅登月組合體直接送上地月轉移軌道!

具體過程是這樣的:土星五號的一級火箭是著名的F1火箭發動機,它工作時每秒要燒掉1789千克液氧,788千克煤油,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!

二級火箭5臺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。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!

阿波羅11號和三級火箭組合體在這條軌道上環繞2.5圈,然後再次點火前往月球,這次點火直接將接近48噸的阿波羅登月組合體送上了地月轉移軌道。所以阿波羅是直接前往月球的。從7月16日出發,7月19日到達,總共耗時3天!

嫦娥五號的奔月之路

嫦娥五號從11月24日凌晨4點30分發射,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!

嫦娥五號明顯時間要長不少,嫦娥五號也沒有使用近地點多次加速、抬升軌道的方式,從近地軌道出發後直接前往月球,兩者相差時間為什麼差那麼大呢?

首先第一個問題,阿波羅登月是載人登月,這個中間耽擱的時間越小越好,而嫦娥五號則是無人探測,所以時間上並沒有阿波羅任務敏感,另外前往月球軌道不一樣,同樣是前往月球的軌道,並非只有一條,而是有無數條!

但為什麼有探月窗口之說?其實有很多因素決定了這個窗口,比如有的要求入軌的星箭分離要有光照,有的要求太陽同步,當然前往月球的火箭,那是要求徹底利用火箭最大的運載能力。

LRO是極軌月球探測器,它的入軌很怪異

那麼火箭必須要走一條最經濟的軌道線路,根據月球和地球發射點之間的相對空間位置,這條軌跡發射後,在近地點出發前往月球之間的每個點,都已經計算好了,所以就出現了所謂的窗口!而這個窗口的寬度,有的是數小時,有的是數分鐘,錯過可能要相差一個月甚至一年!

並且最快速度抵達和最高經濟負載,以及地球上出發地點相對位置不一樣,前往月球的時間是有差異的。

其實所有的一切,都是現代火箭推力不夠持久造成的,如果液氧煤油機比衝超過400,科學家想啥時候發射都可以,不過精打細算的科學家又會折騰出新的么蛾子來!

返回時間

嫦娥五號任務總共23天時間,其中月球軌道上組合體分離等待著陸,然後著陸器在月球上停留2天,再在月球軌道上對接和待機返回,從12月6日5時42分開始,組合體一直在月球軌道上待機。

接下來返回任務的要求則更高,因為從38.4萬千米外的月球軌道脫離返回地球時,要求一擊即中,儘管中途可以修正,但這是一錘子買賣,和進入月球軌道時的減速入軌不一樣,嫦娥五號的返回艙並不是減速入軌!

而是高速進入大氣層,以水漂彈道的方式減速後彈回太空第一次減速,再第二次重新進入大氣層,第二次重返大氣層,並且要求這個軌道的末端位於內蒙古四子王旗傳統降落場!

阿波羅11號飛船返回降落的地點是北太平洋,也就是說,阿波羅計劃對返回的地點並不敏感,只要計算好時間節點,然後按部就班找著做,至於這些時間節點是什麼時候問題都不大,落點仍然是能預測的,美國航母艦隊提前到達就可以了!

請注意著陸點在北太平洋

簡單的說嫦娥五號是射箭必須要命中出發前設置好的靶心,阿波羅11號則是到哪都可以,只是你得提前和我說下,我先把靶子放到那裡!

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