月球之旅非亚答不可?撩开谜底你就懂了
说来好笑,不少朋友看到航天器在升空后总绕着地球打转转,似乎在耗费大把时间和能源。其实这背后另有深意,不是在绕圈子而是在存储能量,方能一鼓作气飞向月球。
航天事业可不是富人的游戏,每一次发射意味着巨额开销。化学燃料虽廉价,可是能量转化效率低得可怜,为获取足够推力只能增大火箭体积容纳更多燃料。发射塔上那座巍峨的铁塔,质量高达数千吨,其中99%都是燃料。
别说别的,就拿阿波罗登月计划说事。当年的土星5号运载火箭总重3038吨,但仅有45吨属于太空船本身!其余都是一去不复返的燃料。我国探月工程的"后盾"长征5号火箭,虽然"瘦身"不少但870吨的总重量也足见航天工程劳民伤财。
而太空船抵达预定轨道后,仍有过半重量是燃料,用于后续的航行、制动和返程。嫦娥五号探测器8.2吨总重中,足有4吨是燃料储备。倘若直飞月球,不仅发射时需携带更多燃料从而增加重量,更要耗费大量燃料来获取月球航行所需的高速度,无疑是物力浪费。
于是聪明的航天工程师们利用了天体的引力,就像骑自行车人 借力蓄能一般。先把航天器送入地球轨道,利用地球自转的离心力逐步增大速度,待获得一定动能后再一气呵成飞往月球,行云流水且节省燃料。
这种"走梯形"绕圈变轨的做法,源于牛顿万有引力定律。地球自身的万有引力对航天器形成拉力,而航天器高速运行时又产生离心力,两股力量的矛盾统一恰好形成了一种"引力弹射"效应,使得航天器能在不断加速的同时改变轨道高度和倾角,最终抵达月球转移轨道。
有人疑惑,为何不索性一次成航直飞月球?其实这无异于汽车在平地猛然加足马力想冲上陡坡,注定是事与愿违。相比之下,绕圈变轨就相当于先在坡前预热蓄力,待有足够动能后再驶上陡坡,事半功倍且可控性更强。
别忘了月球航行并非扼腕而归,最关键还要制动落月。而落月又岂能太莽撞,如此粗暴的做法无异于让航天器高速撞击月球,会付出生命的代价。聪明的做法是先借月球自身的引力减速,然后再通过发动机最后减速,柔软着陆月面,落地生根。
不仅如此,即便一路顺遂安全抵达月球,随后还得驾驭航天器借月球引力加速返航,这过程中同样需要反复绕圈变轨来实现。从发射到落月返航,每个环节都离不开引力变轨这个诀窍,否则就只能孤注一掷而难以收复自如。
