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太空飛船為什麼不從地球赤道出發,兩點一線直接飛到月球?

嫦娥一號是在繞地3圈多之後才終於離開地球的懷抱,飛往月球。而在「登陸」(實際上是墜月)月球的過程,同樣經歷了3圈多的在軌運行。

直接飛到月球可能是最快的方式,可以大大縮減飛行長度,但是目前的人類科技做不到,飛船需要經過數次變軌才能進入月球軌道。

目前的方案是首先進入地球軌道,加速至第二宇宙速度,然後點燃三級火箭將飛船推入地月轉移軌道,飛船與三級火箭脫離,依靠月球的引力飛向月球,適時減速進入月球軌道,在月球背面依靠宇航員的操作使登陸艙與指令艙分離,登陸艙點火下降,最後依靠推進器軟著陸在月球上菜葉網。這樣利用地球、月球引力不斷加速變軌的措施,可以使飛船節省大量燃料,更利於登月艙著陸。

美國阿波羅登月採用的這種方式,計劃中的登月大概還是會採用這種方式。地球引力對於人類飛行器還是大了一點,火箭在起飛和進入地球軌道的過程中,飛行軌跡本就是弧形,又因為地球和月球的相對運動,使得飛船需要在地球軌道上等待,當飛行到合適的位置時啟動發動機,推動飛船進入月球轉移軌道。

理論上來說,飛船可以從地球上直飛月球,不繞彎,簡單粗暴,但實際上不會這麼做,因為這樣極其浪費燃料,其實真的這麼做了,飛船走過的軌跡也不是直線。

舉一個簡單的例子,一輛汽車爬山如果取最短路徑直線到達山頂,為了克服上山阻力需要汽車發動機大功率持續輸出。持續高功率輸出汽車發動機是受不了的,盤山公路解決了這個問題。從山底到山頂總耗能量幾乎相等,延長路徑會降低發動機時時功率,使它可以保持在發動機可以忍受的範圍內。火箭也是一樣,不過它不僅考慮發動機輸出功率的問題,還要考慮燃料分配問題。

從地球上發射飛船到月球,幾十噸重質量對於任何運載火箭而言都不是件輕鬆的事情,所以發射時要儘可能減輕起飛重量,同時又要儘可能多的攜帶燃料,但這是一對矛盾。為了節約燃料,首先就要讓飛船進入地球軌道,先環繞地球飛行,然後逐步加速到第一宇宙速度,這樣就能突破地球引力,飛向月球菜葉網。在宇宙空間飛行時,飛船進行變軌和軌道維持,這都需要飛船發動機的動力支持,所以飛船攜帶多少燃料也都是通過精確計算的。

航天器環繞地球是利用地球引力加速,時間越久離地球越遠的時候,我們的航天器運行速度也會越快。

所謂的引力加速,又叫引力彈弓,就是利用行星的重力場來給太空探測船加速,將它甩向下一個目標,也就是把行星當作「引力助推器」。利用引力彈弓使我們能探測冥王星以內的所有行星,且能為人類節省大量的燃料。


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