嫦娥一号是在绕地3圈多之后才终于离开地球的怀抱,飞往月球。而在“登陆”(实际上是坠月)月球的过程,同样经历了3圈多的在轨运行。
直接飞到月球可能是最快的方式,可以大大缩减飞行长度,但是目前的人类科技做不到,飞船需要经过数次变轨才能进入月球轨道。
目前的方案是首先进入地球轨道,加速至第二宇宙速度,然后点燃三级火箭将飞船推入地月转移轨道,飞船与三级火箭脱离,依靠月球的引力飞向月球,适时减速进入月球轨道,在月球背面依靠宇航员的操作使登陆舱与指令舱分离,登陆舱点火下降,最后依靠推进器软着陆在月球上菜叶网。这样利用地球、月球引力不断加速变轨的措施,可以使飞船节省大量燃料,更利于登月舱着陆。
美国阿波罗登月采用的这种方式,计划中的登月大概还是会采用这种方式。地球引力对于人类飞行器还是大了一点,火箭在起飞和进入地球轨道的过程中,飞行轨迹本就是弧形,又因为地球和月球的相对运动,使得飞船需要在地球轨道上等待,当飞行到合适的位置时启动发动机,推动飞船进入月球转移轨道。
理论上来说,飞船可以从地球上直飞月球,不绕弯,简单粗暴,但实际上不会这么做,因为这样极其浪费燃料,其实真的这么做了,飞船走过的轨迹也不是直线。
举一个简单的例子,一辆汽车爬山如果取最短路径直线到达山顶,为了克服上山阻力需要汽车发动机大功率持续输出。持续高功率输出汽车发动机是受不了的,盘山公路解决了这个问题。从山底到山顶总耗能量几乎相等,延长路径会降低发动机时时功率,使它可以保持在发动机可以忍受的范围内。火箭也是一样,不过它不仅考虑发动机输出功率的问题,还要考虑燃料分配问题。
从地球上发射飞船到月球,几十吨重质量对于任何运载火箭而言都不是件轻松的事情,所以发射时要尽可能减轻起飞重量,同时又要尽可能多的携带燃料,但这是一对矛盾。为了节约燃料,首先就要让飞船进入地球轨道,先环绕地球飞行,然后逐步加速到第一宇宙速度,这样就能突破地球引力,飞向月球菜叶网。在宇宙空间飞行时,飞船进行变轨和轨道维持,这都需要飞船发动机的动力支持,所以飞船携带多少燃料也都是通过精确计算的。
航天器环绕地球是利用地球引力加速,时间越久离地球越远的时候,我们的航天器运行速度也会越快。
所谓的引力加速,又叫引力弹弓,就是利用行星的重力场来给太空探测船加速,将它甩向下一个目标,也就是把行星当作“引力助推器”。利用引力弹弓使我们能探测冥王星以内的所有行星,且能为人类节省大量的燃料。
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