美国载人登月如何把宇航员送回地球,难道月球上有备用火箭吗?
美国人登月早已登“吐”了,阿波罗计划一共有6次载人登月返回,阿姆斯特朗只是打响了第一枪,他们现在的目标是火星。阿波罗计划返程的“火箭”并没有在月球上着陆,而是盘旋在环月球轨道上,这个过程就像是你从家打了个出租车,到了池塘边,你跟司机说:你绕着池塘转几圈,我下去摸条鱼再上来与你会合,然后回家。
阿波罗计划为登月铺路
首先嫦娥五号马上也要登月了,而且同样是要带回来一些月球“特产”,说明登月再返回的方案是可行的。阿波罗计划并非只有阿姆斯特朗乘坐的阿波罗11号,11号说明前面还有1~10号。
图:阿波罗一号残骸
阿波罗计划并非一帆风顺,原本准备在1967年2月21日发射的阿波罗一号,没等发射就已经宣布结束。发射前一个月,一次例行测试,指令舱着火,三名宇航员在短短15秒内全部牺牲。
随后的阿波罗2~6号美国人老实了,只是在不载人的情况下对土星5号以及飞船的各个舱进行测试,包括了轨道点火,月球返回模拟等等。
美国人并没有急于登入月球,在后来的阿波罗7~10号都是载人环绕地球、环绕月球、往返,还包括登月舱与指令舱在太空进行载人对接。这些任务都成功了,而离载人登月再返回不远了。整个载人登月的计划中没有经过测试的部分只有:登月舱着陆登月,采集样本升空返回。
阿波罗11号人类“迈出了一大步”后,阿波罗计划一直进行到了17号,其中有6次成功登月。很多人问,如果美国当初成功了,为什么现在不登月了?这里就是答案,因为他们已经成功载人登月6次了,每次登月的费用巨大,去多了也就不新鲜了,有力气不如用在火星上。
月球是人类的一块垫脚石,或者说实验基地,因为它是目前人类在茫茫宇宙中,唯一一个可以去亲身体验的星球,我们想要载人去更遥远的地方,唯一可以测试的就是月球。
如果你了解了阿波罗计划的历史,你就知道美国人实际上并没有你想象中那么厉害,只是走在了我们前面而已。嫦娥目前是5号,等嫦娥进行到11号,估计中国人早就登月了。接着我们解决最后一个问题,阿姆斯特朗是如何带着“石头”回来的。
宇航员如何返回
月球是地球的卫星,在宇宙中质量大小决定了引力的大小,所以在地月系统中主导引力的是地球。当我们去往月球时是在克服地球的引力,返程时反而是“顺风车”,但这并不是关键。
基于引力,星球越大,越紧凑,就越难脱离,因为力越大,我们要离开时的反向加速度越大,为了飞出星球,我们需要的初始速度就越大。
月球质量只有地球的1.2%,然而它却像一个发糕,半径达到了地球的27%,因此它比地球更容易逃逸。为了摆脱地球的引力,我们需要以11.2km/s的速度离开地球表面。如果要逃离月球,只需要达到2.4km/s。
阿波罗11号去时所用的土星五号火箭,至今都排行世界第二,那么从月球回来的火箭需要多大呢?
这里要搞清楚两件事:
阿波罗11号登月舱,并没有回来,它只负责在月球着陆,还有就是从月球起飞。速度与能量的关系是平方。
在飞船到达月球轨道时,土星五号的推进器早已脱离不见,只剩下指令舱、服务舱、还有登月舱(上升级、下降级)。三个宇航员,两个人进入了登月舱着陆,一个留在指令舱中,环绕月球,等待登月舱(升升级)把两位宇航员和采集的样本送回来,最终回家的班车只有指令舱。
从中可以看出美国人对登月舱的质量把控很严格,尽可能减少着陆的质量是因为质量越大,起飞所需的能量越大。其次,质量和月球起飞所需的能量意味着燃料,能量(动能)是速度的平方,换句话说月球逃逸速度(2.4)与地球的逃逸速度(11.2)大约是1:5,这意味着如果逃离地球需要5倍的速度,实际上需要25倍的能量,也就是25倍的燃料。
然而不仅仅是这样:
阿波罗号并不需要从月球逃逸,它只需要进入环月轨道与指令舱对接,因此只需要达到月球的第一宇宙速度1.8km/s。土星五号出发时的总重量包括了去程与返程的燃料,荷载更大,而从月球起飞,仅仅只需要升空飞到月球轨道上,所以下来时并没有那么大的荷载,大小的比例进一步加大。阿波罗号登陆时是上升级与下降级一起登陆的,当要升空时,下降级作为发射架留在了月球上,只有上升级升空,比例进一步加大。
综上从月球起飞的火箭只需要登月舱本身,并不需要额外的火箭助推,而回地球的事情则交给燃料充足的服务舱,最终服务舱与指令舱脱离,指令舱进入大气层掉进海里。
图:指令舱与服务舱分离
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