美國載人登月之後如何把宇航員送回地球的,月球上有備用火箭嗎?

2022年12月14日20:23:20 科學 1695

美國人登月早已登“吐”了,阿波羅計劃一共有6次載人登月返回,阿姆斯特朗只是打響了第一槍,他們現在的目標是火星。阿波羅計劃返程的“火箭”並沒有在月球上着陸,而是盤旋在環月球軌道上,這個過程就像是你從家打了個出租車,到了池塘邊,你跟司機說:你繞着池塘轉幾圈,我下去摸條魚再上來與你會合,然後回家。

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阿波羅計劃為登月鋪路

首先嫦娥五號馬上也要登月了,而且同樣是要帶回來一些月球“特產”,說明登月再返回的方案是可行的。阿波羅計劃並非只有阿姆斯特朗乘坐的阿波羅11號,11號說明前面還有1~10號。

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圖:阿波羅一號殘骸

阿波羅計劃並非一帆風順,原本準備在1967年2月21日發射的阿波羅一號,沒等發射就已經宣布結束。發射前一個月,一次例行測試,指令艙着火,三名宇航員在短短15秒內全部犧牲。

隨後的阿波羅2~6號美國人老實了,只是在不載人的情況下對土星5號以及飛船的各個艙進行測試,包括了軌道點火,月球返回模擬等等。

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美國人並沒有急於登入月球,在後來的阿波羅7~10號都是載人環繞地球、環繞月球、往返,還包括登月艙與指令艙在太空進行載人對接。這些任務都成功了,而離載人登月再返回不遠了。整個載人登月的計劃中沒有經過測試的部分只有:登月艙着陸登月,採集樣本升空返回。

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阿波羅11號人類“邁出了一大步”後,阿波羅計劃一直進行到了17號,其中有6次成功登月。很多人問,如果美國當初成功了,為什麼現在不登月了?這裡就是答案,因為他們已經成功載人登月6次了,每次登月的費用巨大,去多了也就不新鮮了,有力氣不如用在火星上。

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月球是人類的一塊墊腳石,或者說實驗基地,因為它是目前人類在茫茫宇宙中,唯一一個可以去親身體驗的星球,我們想要載人去更遙遠的地方,唯一可以測試的就是月球。

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如果你了解了阿波羅計劃的歷史,你就知道美國人實際上並沒有你想象中那麼厲害,只是走在了我們前面而已。嫦娥目前是5號,等嫦娥進行到11號,估計中國人早就登月了。接着我們解決最後一個問題,阿姆斯特朗是如何帶着“石頭”回來的。

宇航員如何返回

月球是地球的衛星,在宇宙中質量大小決定了引力的大小,所以在地月系統中主導引力的是地球。當我們去往月球時是在克服地球的引力,返程時反而是“順風車”,但這並不是關鍵。

基於引力,星球越大,越緊湊,就越難脫離,因為力越大,我們要離開時的反向加速度越大,為了飛出星球,我們需要的初始速度就越大。

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月球質量只有地球的1.2%,然而它卻像一個發糕,半徑達到了地球的27%,因此它比地球更容易逃逸。為了擺脫地球的引力,我們需要以11.2km/s的速度離開地球表面。如果要逃離月球,只需要達到2.4km/s。

阿波羅11號去時所用的土星五號火箭,至今都排行世界第二,那麼從月球回來的火箭需要多大呢?

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這裡要搞清楚兩件事:

阿波羅11號登月艙,並沒有回來,它只負責在月球着陸,還有就是從月球起飛。速度與能量的關係是平方。

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在飛船到達月球軌道時,土星五號的推進器早已脫離不見,只剩下指令艙、服務艙、還有登月艙(上升級、下降級)。三個宇航員,兩個人進入了登月艙着陸,一個留在指令艙中,環繞月球,等待登月艙(升升級)把兩位宇航員和採集的樣本送回來,最終回家的班車只有指令艙。

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從中可以看出美國人對登月艙的質量把控很嚴格,儘可能減少着陸的質量是因為質量越大,起飛所需的能量越大。其次,質量和月球起飛所需的能量意味着燃料,能量(動能)是速度的平方,換句話說月球逃逸速度(2.4)與地球的逃逸速度(11.2)大約是1:5,這意味着如果逃離地球需要5倍的速度,實際上需要25倍的能量,也就是25倍的燃料。

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然而不僅僅是這樣:

阿波羅號並不需要從月球逃逸,它只需要進入環月軌道與指令艙對接,因此只需要達到月球的第一宇宙速度1.8km/s。土星五號出發時的總重量包括了去程與返程的燃料,荷載更大,而從月球起飛,僅僅只需要升空飛到月球軌道上,所以下來時並沒有那麼大的荷載,大小的比例進一步加大。阿波羅號登陸時是上升級與下降級一起登陸的,當要升空時,下降級作為發射架留在了月球上,只有上升級升空,比例進一步加大。

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綜上從月球起飛的火箭只需要登月艙本身,並不需要額外的火箭助推,而回地球的事情則交給燃料充足的服務艙,最終服務艙與指令艙脫離,指令艙進入大氣層掉進海里。

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圖:指令艙與服務艙分離

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