火箭著陸為何困難重重?
SpaceX公司成功發射太空艙後,獵鷹9號火箭在海上浮動平台嘗試著陸但以失敗告終。我們應該為此感到驚訝嗎?不,應該驚訝的是火箭著陸差點就實現了,因為這是相當困難的。
那麼,火箭著陸為什麼會這麼難呢?《連線》雜誌最近發文對其中的原因作出了分析。
登月飛行器的著陸很簡單
在阿波羅計劃中,我們將好幾個飛行器送上了月球。
其實,有一款著名的電子遊戲也叫登月者(Lunar Lander),遊戲目標就是通過改變角度和推力,讓太空艙在月球上安全著陸。
登月飛行器要著陸並不這麼容易,不過還是比SpaceX的獵鷹著陸要容易些。那麼它們之間的區別在哪?登月飛行器的底部有一個火箭,它可以隨著飛行器側面其它的推進器旋轉。而獵鷹9號的底部的火箭引擎,它既要推進又要旋轉,這有點難以操縱(還有,登月飛行器在月球上受到的引力更小)。
火箭著陸三動作
獵鷹9號火箭的主推進器可以做到以下3點——
垂直加速度:可以適當讓火箭減速,這樣火箭就不會因為速度過快而墜毀。
水平加速度:用於改變火箭的水平速度,能幫助改變火箭的水平位置,以便火箭可以在海上浮動平台上安全著陸。
角加速度:可以改變航天器重心的旋轉運動,能幫助確保火箭垂直著陸。
也許舉一個簡單的例子來說明會更有意義。假設獵鷹火箭即將著陸,它具有一定的水平速度,為了讓它減速從而安全著陸,底部的火箭引擎必須在相反的方向上施加推力。如下圖:
為了給向右加速,火箭會稍微向右傾斜一點,然而,由於該推力並不作用在飛船重心所在的直線上,因此會產生一個改變飛船旋轉運動的力矩,加上這一點,那麼你就必須改變推力大小,從而使火箭加速上升和下降。
用這樣的方法讓火箭著陸,是一件非常棘手的事。其實,你可以嘗試一下類似的事情。譬如你拿一個掃帚或長棍到一個空曠的地方,在走動的同時,把掃帚的末端立在手上保持其平衡。怎樣才能讓掃帚停止移動呢?
就像你看到的,在這個試驗中,掃帚沒掉下來。然而如果火箭也要做到這樣的話,那麼它的末端需要被固定並保持垂直。
為什麼不採用不一樣的火箭設計呢?
有兩種火箭的設計,第一種就是獵鷹9號那樣的設計;第二種就是採用一個更扁平、易於著陸,看起來和登月飛行器有點像的火箭設計。
這種Easy Lander更容易控制。
第二種Easy Lander更容易控制。
首先,它不像獵鷹9號一樣修長,重心也更靠近主推進器,這樣它們就不會製造太多力矩來改變航空器的旋轉運動;
其次,它有多個推進器,這樣可以通過不同的推力來將力矩抵消掉;
最後,該設計還包含了側推器,你甚至可以在不旋轉飛船的情況下,改變水平運動。
這看起來似乎不錯,對不對?
雖然Easy Lander更易於著陸,但它仍然不如獵鷹9號。獵鷹9號並不是專門用來在海上浮動平台上著陸的,它是為運送物資進入太空而設計的,這才是它的主要功能,也恰恰是Easy Lander缺乏的功能。
修長的火箭在加速穿過大氣層時,由於火箭前端的橫截面積小,受到的空氣阻力也小。Easy Lander運送物資的話,它需要更多的燃料產生動力來抵抗更大的空氣阻力,更多的燃料就意味著需要更大的火箭(為了裝載更多的燃料),這樣又需要更多的燃料來推動更大的火箭。但發射火箭時,每一點重量的增加都至關重要。
當然,Easy Lander只是對火箭形狀的一個推測。無論哪種形狀,讓火箭運送物資進入太空,最後返回並安全著陸是一件非常困難的事情。
(翻譯:墨痕;via wired)
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