嫦娥六號正在待機:8天往返月球,走過美國阿波羅飛船的路線

我是空天同學 2024-05-16 07:46:45

爲什麽美國阿波羅11號登月飛船只用了8天零3小時,就完成了發射、登月、再返回地球的全過程,這個速度合理嗎?

這兩天很多很多朋友,都在評論區提出了質疑,覺得這個速度太快了,明顯違反了“常識”,是美國登月造假的又一“力證”。

這個問題很好,咱們來算一算就知道了。

地月距離有38萬4千4百多公裏,除掉他們在月球表面停留了21小時36分鍾,真正留給他們在路上的時間只有174個小時,也就是要在7天多的時間裏,把38萬公裏飛一個來回,平均時速4418公裏,每秒要飛大約1227米,可能嗎?

比如這位老哥就吐槽“美國50年前就造出了超過3倍音速並且可以(在太空)持續飛96小時的載人飛行器”,他覺得不可思議,似乎違反了直覺。

我們都知道蘇聯的尤裏·加加林是第一個飛上太空的人,但其實他還有一個頭銜,就是當時世界上相對地球最快的男人。

他有多快呢,大約每秒7.9公裏,這就是第一宇宙速度,只有達到了第一宇宙速度,我們才能擺脫地球引力,繞著地球轉圈。

好,我們打開初中物理課本,圓周運動定律告訴我們,這個時候飛船的發動機完全不需要啓動,就可以維持繞地球的圓周運動,因爲地球引力剛剛好提供了飛船的向心力。

那如果我還要加速,會發生什麽呢?你就會發現飛船開始甩出去了,飛行軌道變成了橢圓。

你速度越快,這個橢圓就越來越長,最遠的那一端,離地球也會越來越遠,等你的初始速度足夠快,最遠的那一端就變成了無限遠,

你這個橢圓再也沒法閉合了,這個速度就是你徹底飛出地球的逃逸速度,也就是第二宇宙速度,大約是每秒11.2公裏。達到了這個速度,你就跟地球說再見了。

但如果我只是要去月球,其實不需要達到地球的逃逸速度,我只需要讓我這個橢圓軌道足夠長,有多長呢,38萬公裏那麽長,把月球剛好套進來,不就行了嗎?

恭喜你,你發現了一條理論上的地月轉移軌道,就是橢圓的這一條弧邊。

注意,劃重點了啊,你的初始速度只需要達到大約每秒10.9公裏(以下速度都是相對地球坐標系而言),然後,咔,你就可以關掉發動機了,接下來只需要靠萬有引力,你就可以滑行到月球了。這就是航天動力學最簡化的一個狀態。

我國長征五號火箭,就是把嫦娥六號加速到了每秒10.9公裏的初始速度,進入了一個近地點200公裏、遠地點大約40萬公裏的橢圓軌道上,然後火箭就完成使命了,這個時候嫦娥六號完全是無動力飛行狀態,只需要靠著火箭給它的每秒10.9公裏的初始速度,就能“滑”到月球,這樣就節省了大量燃料。

不過咱們剛才只考慮了地球引力,實際上還有月球、太陽引力以及其他的一些幹擾誤差,如果加上這些因素,中途就要稍微修正一下,這就是爲什麽嫦娥五號、六號中途都進行了兩次軌道修正。

注:本說法爲僅考慮地球引力的簡化模型,實際在距月球約6.6萬公裏時(拉格朗日點)之後,月球引力會占據主導,飛行軌迹會變成月球的橢圓,但原理相同。

那又有人要問了,如果我保持每秒10.9公裏的速度,飛到月球了只需要10個小時就夠了呀?

很好,接下來咱們劃第二個重點,當嫦娥六號沿著這條橢圓軌道飛的時候,速度不是不變的,而是一直在減小的。

爲什麽呢?大家可以翻開咱們的高一物理課本,開普勒和他的三大定律。

開普勒第一定律,是橢圓定律,所有天體(行星)圍繞中心天體(太陽)的運動軌道都是橢圓,嫦娥六號飛往月球的的軌道,就簡化爲橢圓的一部分,地球就是橢圓的其中一個焦點。

開普勒第二定律,也就是面積定律,行星跟太陽的連線,在相等的時間內,掃過相等的面積。

也就是說,離焦點越近,連線越短,掃過的速度越快;離焦點越遠,連線越長,掃過的速度越慢,這樣單位時間掃過的面積才會相等。

再換句話說,長五火箭把嫦娥六號送到近地點的時候,它的速度是最快的,剛才說了是10.9公裏每秒;然後在“滑行”的狀態下,速度一直在減小。當它到了遠地點的時候,它的速度是最慢的,通過計算就可以得到,大概掉到了每秒2.7公裏左右。

這裏還有一個細節,如果到了月球不刹車,那麽嫦娥六號就又會飛回來。因爲月球的逃逸速度,是每秒2.4公裏左右,嫦娥六號遠地點的速度超過了這個值,月球拴不住它。

所以,5月8日嫦娥六號探測器進行了點火制動,把自己的速度相對月球減小了300多米每秒,這樣就低于月球逃逸速度了,于是就繞著月球轉了。

好,現在大家對嫦娥六號是怎麽飛到月球的,已經有了一個概念了,總結一下就是,火箭起飛加速,在近地點給了嫦娥六號一個每秒10.9公裏的初速度,然後沿著橢圓軌道,越來越慢,最終飛到了月球,然後再踩一腳刹車,這個過程需要四天左右。

至于嫦娥六號要花53天,那是整個任務時長,有四十多天都是在月球軌道待機,但從地球到月球這一段也就四天而已。

實際上,包括阿波羅飛船在內,大部分的月球航天器,都是沿著類似的軌道飛行的,只是由于地月轉移窗口的不同、初始速度不同,軌道參數稍微有些區別,但是一般都要花三到五天。

除了印度月船探測器,就是因爲他們入軌速度不夠,橢圓的邊邊遠遠套不到月球,所以就一圈一圈的繞啊,每繞地球一圈都稍微再加一點速度,花了幾個月時間終于攢夠了速度,這才踏上月球轉移軌道。

而對于美國、蘇聯(俄羅斯)和中國來說,火箭的運載能力是足夠的,所以一般去月球都是三到五天的轉移軌道。區別就在于,航天器越重,火箭推力就需要越大,才能達到差不多的初始速度。咱們嫦娥三號探測器只有3.7噸,所以使用推力600噸的長三乙加強型就可以了。而嫦娥五號六號重量8噸,必須使用推力超過1000噸的長征五號來發射。

阿波羅登月遺址照片

美國阿波羅11號飛船加上登月艙總重達到了78噸,但土星五號火箭的推力超過了3400噸,也是完全足夠加速到每秒11公裏左右的入軌速度,所以三天多就能到月球。決定地月飛行時間長短的,其實不光是火箭的技術,還有最關鍵的萬有引力和牛頓定律。只要是走這條軌道,時間就都差不多。

那未來的飛船能不能更快一點?別說未來,現在其實就可以,只要你不走這條軌道,帶一個大燃料罐上去,在路上也一直加速,過了中間點,然後再一直減速,以人類現有技術完全可以做到10個小時之內飛到月球。但是發動機一直開著,至少要把額外十倍甚至百倍重量的燃料發射到太空,成本上接受不了,所以沒人這麽幹。別看六十多年過去了,技術發展了這麽多,但從蘇聯發射第一顆人造衛星到今天,我們人類所有的航天技術,根基都還是三百多年前的萬有引力定律、牛頓運動定律,

(基礎物理學決定了航天限制)

以及1897年提出來的齊奧爾科夫斯基的火箭公式,那時候大清都還沒亡呢,但那個公式就是狠狠掐死了人類航天飛行的速度,幾十年了一直沒有數量級的突破。

所以啊,八天飛個來回,是符合人類上世紀60年代末乃至到現在的技術水平的,不能作爲“登月造假”的實錘證據。

其實有點質疑沒什麽不好,本文完全無意于證明美國載人登月的真僞,咱也可以借此機會科普一些航天知識。當然如果您覺得我是扯淡,是給美國人洗白,想罵我幾句,那罵出來也沒關系,發泄一下情緒也挺好。

我覺得吧,咱們前輩們奮鬥犧牲,兩彈一星搞上天,不就是爲了咱們當代人能過上開心的日子嘛,能把文章看到這裏就是一種緣分,您開心比什麽都強。

咱們這個時代獲取知識很容易,網絡去中心化可以讓大家很方便地查閱很多資料;但這個時代獲取知識又很難,因爲我們很容易焦慮,很容易沉浸在娛樂短視頻帶來的廉價情緒宣泄當中,喪失對信息汙染的分辨能力。

六次阿波羅登月痕迹

除了“不可能8天來回”,這樣的“質疑”還有很多,比如很多朋友說“月球車和旗子怎麽不在了”“巴基斯坦立方星沒拍到”“那時候怎麽有直播,還那麽高清”……很多很多。

很多自媒體錯把後來的登月紀錄片當成是直播畫面,其實當時的地月直播不僅有延遲,而且非常模糊,還是黑白畫面,並不是“高清直播無延遲”。

如果您再去查一下就知道,美國早就公布了六次登月的精確坐標,就在NASA官網上放著。所謂“美國爲什麽不敢公布登月坐標”,也不過是自嗨的謠言罷了。

同樣的謠言還有“美國丟失了全套登月資料”。事實上,那些資料並沒有丟失,絕大部分都被NASA保存在微縮膠卷裏存檔。

還有這樣的說法“如果美國當年真的載人登月,那爲什麽現在登不上去了呢?”這種說法邏輯更是有問題,一個人六十歲不行了,能證明他二十歲的時候也不行嗎?英國海軍發明了航母、彈射器,但現在他們再也造不出彈射器了,難道也是造假?蘇聯曾經進行了24次無人登月,俄羅斯卻登不上去了,難道蘇聯當年也是造假嗎?

所以美國現在無人探月失敗的原因很簡單,因爲他們現在不行了,衰落了,但證明不了當年是不是造假。

錯誤的依據本來就不可能得出正確的結論,如果我們用謠言去打擊敵人,那不等于是騙自己嗎?辟謠不是爲了幫美國作證,而是因爲我們的自信,不需要建立在對敵人的抹黑基礎上,那樣也是在貶低自己。

質疑需要有科學合理的依據,無論如何,實事求是都是第一位的。這才是我們發展至今的根本所在。而美國漸漸失去了實事求是的科學精神,這也是他們走向衰落、失去人心的核心原因。

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