都是登月,美国用4天,印度为何用了40天,差距怎么就这么大呢?

以山爱科学 2024-07-03 17:49:21

地球是人类的摇篮,但人类是不可能永远被束缚在摇篮里。

这句话是苏联的火箭之父说的。

非常有道理的一句话,人类孕育于襁褓,但最终会直面这个世界,这是自然发展的一般规律,也是必然结果。

宇宙再怎么神秘,人类必将走入这片带着星光的黑暗之中。

那么月球作为距离地球最近的一颗星体,也必然会成为人类踏足宇宙的第一站。

三十八万公里,以目前人类的眼光来看,这个距离足够的遥远,但要是以宇宙作为空间的标尺来看,这连第一步都算不上。

那么今天就围绕着登月这件事说一说。

历史上最开始的理论登月

登月是随着火箭技术的发展而发展起来的。

而火箭技术是在上个世纪三十年代就有了一定程度的发展,这项技术在当时仅仅被德国、美国、以及苏联所掌握。

火箭技术的出现,就让站在科学前沿的科研人员开始讨论起了,登月的可行性。

于是就讨论出了最早的登月方案。

1937年,英国星际航行协会成立,成员包括了数学家,电气工程师,化学家,甚至是天文爱好者。

看起来他们就像是一群因为爱好凑到一块的一个小团体,就是这么个团体想要用当时的技术,拼凑一个登月的方案。

当然这个方案不仅仅是嘴巴上说说,然后弄一份看起来脑洞大开的东西。

他们真的进行了实验,比如火箭最为重要的推进剂。

一百多种不同的液体、固体燃料,进行各种的调配,然后他们否定了液体火箭。

因为液体火箭出毛病的概率实在是太大了,不论是结构,还是控制的方法,让事故的概率大大增加。

所以让液体火箭飞行,简直是在开玩笑。

他们最终确定使用固体火箭,为了能让火箭获得足够的能量,达到摆脱地球引力束缚的速度,他们将多枚火箭进行了并联,然后将整个火箭又分成了多级。

每一级赋予火箭足够的推动力,当一级火箭的推动力消失,就摆脱这一级,然后启动下一级火箭,继续推动。

方案出来之后,他们又经历了两年的时间,将这么大的难以想象的火箭给设计了出来。

(注:不是造出来。)

十一层楼的高度,六米的直径,重量达到了一千吨,而塞进去的推进剂就有九百吨。

和现代火箭不同的地方,这枚火箭有六级。

当最后一级达到极限时,飞船的速度就可以达到11.2公里每秒,然后第六级就会和飞船脱离。

至于飞船,它会在六组发动机的推动下奔向月球,并在这六组发动机的辅佐下,降落到月球上。

在地面上,他们想着飞船在这一路上遇到的各种危险,并在飞船上做了提前的布局。

比如设计出可以阻挡微流星,甚至是太阳辐射的陶瓷,面对宇宙的寒冷还设计了保温隔层,甚至还通过自旋来产生人工重力。

现在听起来这些东西,感觉有些匪夷所思,但这里面的很多思路和想法其实具备很大的可行性。

比如说,从月球返回地球的时候,月球是没有发射平台的,他们将飞船设计成为两部分。

一部分作为发射平台,一部分作为返回月球轨道的飞船。

这套设计后来就被阿波罗计划给吸纳了,甚至现在的载人登月方案都是按照这个思路来进行设计的。

飞船返回地球,进入到大气层的时候,使用椭圆轨道进行降速,然后在一定的高度再利用降落伞进行返回。

看了这些,你就会发现这和现在的返回舱的思路有相似之处。

这还是上个世纪三十年代的时候,这些科学家想到的。

这个计划一直在进行,甚至在第二次世界大战结束之后,这个协会的人员还在研究,甚至他们都开始对宇航服进行开拓性的设计。

其实人类对于登月这件事就情有独钟,早在这个协会成立之前,就有人设想过。

比如一位叫做波托切尼克的克罗地亚人,他参加过一战,战争结束后进入到维也纳技术学院进行学习,拿到了电气工程的博士学位。

然后就开始研究起了火箭,写出了《太空飞行问题——火箭发动机》。

而这本书对于上文中提到的英国星际航行协会有着不少的影响。

这本书中,还提到了空间站。

所以人类登月,在开始之前,就已经有了各种的设想。

最后能够登月成功,也是在这种设想作为铺垫和积累下,才最终成功的。

历史上的登月。

真正开始探索月球还是上个世纪六七十年代的事,这也算是探索月球的第一个热潮。

当时美国和前苏联进行太空竞赛,双方完成了几十次的月球探测。

第二次热潮掀起的时候,已经是2014年,开启这次热潮的是中国的嫦娥三号探测器。

在此之前,人类已经长达半个世纪没有在月球上实施过软着陆任务。

而中国的这次登陆成功,在地球俨然成为了你行我也行的具体实践。

美国,俄罗斯,甚至是日本和印度也开始对月球实施登陆。

俄罗斯的月球二十五号,在实施近月制动的时候,发动机点火一百二十七秒之后,并没有让探测器达到预想的速度,就发出了关闭推进系统的指令,导致月球二十五号,坠落在月面。

日本的探测器,到是降落了,但一台发动机不能工作,直接来了个倒栽葱。

美国的游隼月球登陆器,遇到了系统问题,推进器泄露,连离开地球引力束缚都没有做到,直接返回销毁在了大气层。

后来的奥德斯修月球登陆器到是成功登陆了,却发生了侧翻。

算下来,这第二轮的热潮截止2024年的二月份,全世界进行登陆月球的行动,成功率也就一半左右。

而取得成功的也就是中国的嫦娥三号,四号,以及五号,再有就是印度的月船三号。

那么不禁要问上一句,登月为什么如此之难呢?

登月的难度

登月有非常多的困难,小的困难不算,就说大的困难,大概有四个。

首先是火箭的能力。

足够的火箭推动力,可以让探测器更好的进入到合适的入轨点,也就是地月转移轨道的入口。

(这是地球到月球消耗能量最少的轨道入口点,而且是唯一的一条。)

如果火箭的推动力差,没能到达入轨点,这就需要依靠探测器本身的动力来进行弥补。

动用自身的燃料,一步步的抬高自身的轨道,进而慢慢的靠近入轨点。

两者看起来虽然都能靠近入轨点。

但依靠探测器接近,显然更加的麻烦。

首先一次次的太高轨道,需要精确的计算,精确的控制燃料,精确的控制动力的方向和大小。

有一点差错,距离入轨点要么错过,要么不足。

这就需要反复的调试了,如果燃料不足,那就没有办法了,只能宣布失败。

而且火箭的推动力不足,意味着火箭的荷载必然会少。

使用探测器的动力靠近入轨点,意味着需要装更多的燃料,那么探测器的重量必然下降。

在太空中重量下降,意味着携带的设备就会减少。

而且消耗的燃料过多,会让飞行器的寿命大大的降低。

这也是为什么,要进行深空探索必须发明大推力火箭的原因。

第二个问题。

如何到达月球。

入轨点到了,是不是顺着轨道就可以直奔月球而去了?

想得美,不说别的,当年美国前九次探月任务可都是失败的。

而苏联因为采用了不同起步方式,想要以撞击月球为目标,看起来很容易实现,但也失败了五次,在第六次才成功撞击到了月球。

所以进入到轨道,实施登月的过程中,如果技术不够好,要么连月球的脸都没有看到,直接飞过去了,要么和月球擦肩而过,拍个照片而已。

为什么会这样呢?

因为任何的设备都是有误差的,就算是地月转移轨道入口有着独特的唯一性,但要记住误差这个东西。

世界上的误差是不可消除。

虽然误差不是错误,但进入到入口的时候,都会有误差,在靠近月球飞行的过程中也会产生误差。

那么这种误差的积累到达一定程度,就会偏离原来设计的轨道路线,这个时候就需要探测器对自身轨道进行修正。

这个道理和开车一样,谁能保证在一条笔直的高速公路上,方向盘不做任何的调整就能一直开下去?

如果调整错误,不好意,登陆月球就是一场梦。

第三,到达月球的时候,探测器会被月球捕获,进入到环绕月球轨道上。

这个时候探测器就需要将直行变成环月飞行,那么速度就要将下来。

道理就像开车,直行进入到弯道需要刹车减速。

而探测器的降速会非常的猛,从2.5公里每秒直接降到1.7公里每秒。

这个速度要把握好,如果速度没有降下来,嗖的一下,探测器就会和月球擦肩而过。

如果速度降的太猛,结果就会直接撞向月球。

所以只有刚刚好,才可以被月球捕获,绕着月球飞行。

最后一个,就是登月。

月球没有空气,降落伞是不能用的,只能使用反喷发动机来进行降落。

听起来很简单。

其实很麻烦,因为发动机是消耗燃料的,反喷发动机随着燃料的消耗,探测器的重量是会逐渐减小的,那么反推力是不可能一直维持一个推力不变的,是需要不断的调整,适应这种消耗。

因为反推力太大,探测器是不可能降落下去的,而反推力太小下降的太快,这和撞击月球没什么区别。

这个度更困难。

而反推技术,目前全世界也只有中国和美国有可以大范围调节反推力的发动机。

了解了这些,再来看看印度为什么要五十天才能到达月球。

月船二号

月船二号,从发射到到达月球轨道,用了五十二天的时间,而当年美国登月飞船,四天就到了。

这个差距实在是太大了。

其实说道这里,很多人已经能猜出原因了。

首先月船二号,使用了印度的一枚重型火箭送入太空的,但火箭的推力不足。

所以想要把月船二号直接送入到地月转移轨道入口是不可能的。

这就需要月船二号使用自身的燃料,进行多次变轨接近入口。

印度的月船三号也是这个毛病,后来变轨到最后发现和计划的不一样,计算错误,又多变了一次才顺利进入。

不管是二号还是三号,在这次变轨中必然会消耗掉探测器的燃料,又会造成动力不足的毛病。

动力不足速度上不去,这就让月船二号在大部分的时间消耗在了地球和进入到月球轨道之间做着跑圈运动。



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