探月飛行器為什麼不垂直飛行直奔月球,而是要繞地球幾個圈之後才飛出去?

應用美學


這個問題我回答不知道幾次了,我再重複回答一次。以後這問題我就不再回答了。

地月之間的平均距離是38萬公里,按照當前的科技水平,從地球到月球的航程分三個過程。環繞速度,即第一宇宙速度,11.4公里每小時。這時飛行器可以環繞地球飛行,如果再加速,就是第二宇宙速度 。處於這個速度是逃逸速度,掙脫地球的吸引力。如果再快,飛行器就會掙脫太陽系的引力束縛。

探月工程分三個階段,繞落回。從地球發射一個飛行器首先要掙脫地球引力,繞飛。然後進入地月轉移軌道,最後被月球引力捕獲,繼續繞飛,然後降落。返回過程重複上一個過程。

有人就要問了,我們為什麼就不能直飛月球呢?火箭發射時需要消耗大量燃料,主要是為了擺脫地球引力。如果直飛,理論上也是可行的。但是,飛船再掙脫地球引力束縛時已經消耗了絕大部分能量,飛抵月球時就要減速,飛船加速和減速同樣損耗巨大能量。如果不能及時減速,飛船就會掠過月球飛向深空。

綜合比較,繞飛是一種比較節省燃料的途徑。抬升軌道或者降低軌道,可以充分利用引力彈弓,這樣成本是最低的。剩餘的燃料,精確調整姿態。同樣,我們要節省燃料,以防備後期不可預料的因素。


雨默天邊


不請自來,先正面回答:探月飛行器可以垂直飛行,直奔月球,但是這種方式並不能滿足成本和科研需求,所以慘遭淘汰。


一、直飛月球為什麼慘遭淘汰?

以目前的技術,如果真的要直飛月球,其實也做得到,無非就是成本高一些,多帶點兒燃料的問題。不過,由於是直飛月球,所以落地之前一定要有減速環節,否則落地時很有可能變成一朵蘑菇雲或者絢麗的火花。

如果想平穩的登陸月球,飛行器必須提前減速,然而,在每秒幾千米的速度下(登月的話,飛行速度要大於第一宇宙速度7.9km/s,小於第二宇宙速度11.2km/s),主動減速的環節需要發動機消耗大量燃料,從而導致額外的成本。

這當然不符合“勤儉節約”的傳統美德。

而世界上的科學家們,又恰好都是非常“勤儉節約”的人,他們很喜歡用自己額外的幾天計算,來幫國家節省資金,所以,先從“節約”這方面來考慮,垂直飛向月球這種“鋪張浪費”的方式第一時間就被淘汰了。


二、對於登月來說,更節約的飛行方式是什麼?

對於科學家們來說,由於速度超過第一宇宙速度之後,在宇宙之中靠慣性飛行基本不消耗燃料,如果讓飛行器按照特殊的軌跡運動,一邊飛向月球,一邊利用地球引力逐漸減速,當到達月球時速度恰好減速到0。那豈不是很完美?

即使這樣會導致飛行器多飛了一段距離,也會多花一點時間,但是相對於多消耗燃料帶來了“鉅額成本”來說,多花的這點兒時間完全不是事兒。

在這種思維下,經過德國科學家瓦爾特·霍曼的精心計算,一種名為“霍曼轉移軌道”,也叫“地月轉移軌道”的東西誕生了。

如上圖所示,假定飛行器一開始在環繞地球飛行,那麼,只需要在圖中標著Δv的兩個位置,分別依靠火箭對飛行器進行一次加速,那麼,飛船就可以完美的像科學家們想的那樣,一邊飛向月球,一邊在地球引力的作用下減速,最後,以非常低的速度抵達月球附近(注意,是附近,後面還有很複雜的登陸過程呢)。

這裡只是示意性解說,霍曼專門給了公式,用來確定具體參數,不過由於公式比較枯燥,我把它截了一張圖,放在下面,有興趣的可以瞭解一下,不太感興趣的話,可以直接進入下個部分。

另外要說的是,霍曼轉移軌道只考慮了從地球環繞軌道飛向月球,現實中,由於需要先將飛行器送上地球環繞軌道,所以要多推進一次。


三、那麼,為什麼要先繞著地球飛幾圈呢?

有細心的朋友,應該已經發現了,即使按照霍曼轉移軌道來運行,飛行器實際上也不需要環繞地球幾圈,只需要在環繞軌道上啟動推進器,獲取加速即可飛走。那麼,為什麼現實中飛行器要環繞地球飛幾圈呢?

第一個原因,依然是為了貫徹“勤儉節約”的傳統美德。為了降低成本,航天工程師們都是“恨不得給一個儀器安上10個功能”,反正飛上太空了,趁著環繞地球的時候讓儀器順便乾點兒活不行嗎?所以,有可能飛行器環繞地球幾圈的過程中,其中有一部分儀器已經在工作了,等到他們執行完自己的任務,飛行器才會繼續加速離開地球。(反正環繞地球飛行的時候,主要依靠慣性,基本是零消耗)

不過,這只是比較小的一個原因,也只是比較少的情況才會這樣。

第二個原因:時間上來不及。為了提高火箭效率,所有的化學火箭都採取了多節火箭的設計,同時,飛行器的不規則形狀決定了它留在火箭上時,太陽能電板、天線等突出部位要摺疊,外面要套整流罩,因此,當最後一節火箭被拋棄後,登月器需要一定的時間來分離、展開、上電、測試等等工序,尤其是測試環節,你總不能等到飛行器到了月球附近了,才發現飛行器有故障亟待修復吧?這些工序隨隨便便就要花幾個小時,而在環繞地球軌道上,環繞地球一圈僅僅需要90分鐘,等工序完成,飛行器確實已經圍繞地球飛了好幾圈。這個算是主要原因了。

飛行器環繞地球的第三個原因是:現實與理論的差異。霍曼轉移軌道只是一種單純的軌道轉移理論,而現實中,由於一次變軌機動變化的軌道參數越大,對發動機推力的要求就越高,同時也需要更長的工作時間、更高的控制精度,也就意味著會有更大的風險。所以,為了提高成功率,飛行器可能會把原本霍曼轉移軌道里面的兩次加速推進,拆分成多次加速推進,這當然又導致飛行器繞著地球多飛了幾圈。這個也是主要原因。


上圖是嫦娥一號登月軌道示意圖,可以看到嫦娥一號環繞地球飛行了整整48小時之後,才真正加速飛離地球。

在這裡,插入一個題外話:基於同樣的原因,當抵達月球附近的時候,飛行器所走的軌道依然是霍曼轉移軌道,只不過,原本該加速的位置,現在換成了減速,這個過程雖然不需要再次對儀器進行檢測,但是卻需要對著陸區域的具體環境進行檢測,另外,很可能有儀器需要在近月軌道執行任務,所以,飛行器在著陸前也往往需要先環繞月球幾圈。同樣如上圖所示,嫦娥一號也是這麼做的。

所以,基於上述三個原因,最終科學家們綜合考慮成本和科研需求之後,普遍選擇了讓飛行器先環繞地球幾圈、再環繞月球幾圈的飛行方式,而直飛月球,由於同時不滿足成本和科研需求,慘遭淘汰。


酔語


從地球直接飛到月球實際上是做不到的。

首先,飛到月球之後就成為了一個衛星,這樣就要求你具備第一宇宙速度,這個速度是水平的速度,也就是說是橫向速度,你垂直到了月球之後,你並不具備水平的速度,所以無論你飛多高,最終的結果都會落到地面上。

第二,衛星的發射實際上是甩出去的,而不是推出去的,它克服地球引力,用的是離心力而不是火箭的推力。不要去想用火箭的推力,能夠把衛星推離地球,火箭的推力就是給衛星一個離心力,而這個離心力則要求衛星必須是做圓周運動。

明白了上述兩點就知道了不僅僅是探月衛星做圓周運動,而且所有的人造行星也是做圓周運動,即使不是人造的各種星體,也要做圓周運動,它們的目的只有一個,就是用離心力來克服引力的作用,以達到不被引力源吸回去的目的。


觀上靈雲


因為天體是自轉和公轉的,比如我們地球、月球都受太陽吸引,繞太陽運行,此運動相當複雜,軌道運算難度很大,如果要直接飛上去,是不可能的。首先第一,世界上目前還沒有能垂直向太空發送探測器的大推力火箭。其次第二,舉個例子就能懂,我們開槍打移動靶,扣動扳機時你是對準了靶心,可在你的子彈飛行過程中,移動靶早就不在原來的位置了,怎麼打得中?所以不能直接衝月球上。


笑傲天下之凌風


不垂直飛離地球,因為這種飛行方法過於耗費能量。

任何在引力方向上的加速,都首先需要耗費一部分能量來克服引力,剩餘部分才能達到加速的效果

所以最節省能量的飛行方法,是所有的能量都作用在垂直於引力的方向。這樣就不會有任何燃料的浪費。而這種飛行方法,航天上叫霍曼轉移,而且繞上幾圈是為了從宇宙第一速度達到宇宙第二速度,從而進入預訂軌道


15340686326


直接去月球不是不行是技術難度太高和風險比較大,繞地球繞是為了調整飛行器的姿態和速度。

還有就是要達到第二宇宙速度是錯的,登月衛星速度在第一與第二速度之間,好像是10.7千米每秒離開地球。

速度慢了到達不了月球,快了就超過月球宇宙速度,要減速就得消耗燃料,所以這個速度是要準確計算的。


愛碼農


你以為引力是跟你開玩笑呢!不繞著飛,順著引力場去,你看看能不能飛到月球。必須環繞引力場,飛行器才能順利進入月球軌道!


那年今時868


這是月球推引力和地球一樣也有推引力。


聖恆標


地球引力所影響的空間扭曲,火箭的速度不足以擺脫這種扭曲,所以不止只有這次的火箭,以前所有發射過的火箭,都是繞地球幾圈飛出去的


任性的卓先生


引力加速,節省能源,特別是星際航行中,如何利用星球之間的引力來加速航天器,是一門學問。


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