探月飞行器为什么不垂直飞行直奔月球,而是要绕地球几个圈之后才飞出去?

应用美学


这个问题我回答不知道几次了,我再重复回答一次。以后这问题我就不再回答了。

地月之间的平均距离是38万公里,按照当前的科技水平,从地球到月球的航程分三个过程。环绕速度,即第一宇宙速度,11.4公里每小时。这时飞行器可以环绕地球飞行,如果再加速,就是第二宇宙速度 。处于这个速度是逃逸速度,挣脱地球的吸引力。如果再快,飞行器就会挣脱太阳系的引力束缚。

探月工程分三个阶段,绕落回。从地球发射一个飞行器首先要挣脱地球引力,绕飞。然后进入地月转移轨道,最后被月球引力捕获,继续绕飞,然后降落。返回过程重复上一个过程。

有人就要问了,我们为什么就不能直飞月球呢?火箭发射时需要消耗大量燃料,主要是为了摆脱地球引力。如果直飞,理论上也是可行的。但是,飞船再挣脱地球引力束缚时已经消耗了绝大部分能量,飞抵月球时就要减速,飞船加速和减速同样损耗巨大能量。如果不能及时减速,飞船就会掠过月球飞向深空。

综合比较,绕飞是一种比较节省燃料的途径。抬升轨道或者降低轨道,可以充分利用引力弹弓,这样成本是最低的。剩余的燃料,精确调整姿态。同样,我们要节省燃料,以防备后期不可预料的因素。


雨默天边


不请自来,先正面回答:探月飞行器可以垂直飞行,直奔月球,但是这种方式并不能满足成本和科研需求,所以惨遭淘汰。


一、直飞月球为什么惨遭淘汰?

以目前的技术,如果真的要直飞月球,其实也做得到,无非就是成本高一些,多带点儿燃料的问题。不过,由于是直飞月球,所以落地之前一定要有减速环节,否则落地时很有可能变成一朵蘑菇云或者绚丽的火花。

如果想平稳的登陆月球,飞行器必须提前减速,然而,在每秒几千米的速度下(登月的话,飞行速度要大于第一宇宙速度7.9km/s,小于第二宇宙速度11.2km/s),主动减速的环节需要发动机消耗大量燃料,从而导致额外的成本。

这当然不符合“勤俭节约”的传统美德。

而世界上的科学家们,又恰好都是非常“勤俭节约”的人,他们很喜欢用自己额外的几天计算,来帮国家节省资金,所以,先从“节约”这方面来考虑,垂直飞向月球这种“铺张浪费”的方式第一时间就被淘汰了。


二、对于登月来说,更节约的飞行方式是什么?

对于科学家们来说,由于速度超过第一宇宙速度之后,在宇宙之中靠惯性飞行基本不消耗燃料,如果让飞行器按照特殊的轨迹运动,一边飞向月球,一边利用地球引力逐渐减速,当到达月球时速度恰好减速到0。那岂不是很完美?

即使这样会导致飞行器多飞了一段距离,也会多花一点时间,但是相对于多消耗燃料带来了“巨额成本”来说,多花的这点儿时间完全不是事儿。

在这种思维下,经过德国科学家瓦尔特·霍曼的精心计算,一种名为“霍曼转移轨道”,也叫“地月转移轨道”的东西诞生了。

如上图所示,假定飞行器一开始在环绕地球飞行,那么,只需要在图中标着Δv的两个位置,分别依靠火箭对飞行器进行一次加速,那么,飞船就可以完美的像科学家们想的那样,一边飞向月球,一边在地球引力的作用下减速,最后,以非常低的速度抵达月球附近(注意,是附近,后面还有很复杂的登陆过程呢)。

这里只是示意性解说,霍曼专门给了公式,用来确定具体参数,不过由于公式比较枯燥,我把它截了一张图,放在下面,有兴趣的可以了解一下,不太感兴趣的话,可以直接进入下个部分。

另外要说的是,霍曼转移轨道只考虑了从地球环绕轨道飞向月球,现实中,由于需要先将飞行器送上地球环绕轨道,所以要多推进一次。


三、那么,为什么要先绕着地球飞几圈呢?

有细心的朋友,应该已经发现了,即使按照霍曼转移轨道来运行,飞行器实际上也不需要环绕地球几圈,只需要在环绕轨道上启动推进器,获取加速即可飞走。那么,为什么现实中飞行器要环绕地球飞几圈呢?

第一个原因,依然是为了贯彻“勤俭节约”的传统美德。为了降低成本,航天工程师们都是“恨不得给一个仪器安上10个功能”,反正飞上太空了,趁着环绕地球的时候让仪器顺便干点儿活不行吗?所以,有可能飞行器环绕地球几圈的过程中,其中有一部分仪器已经在工作了,等到他们执行完自己的任务,飞行器才会继续加速离开地球。(反正环绕地球飞行的时候,主要依靠惯性,基本是零消耗)

不过,这只是比较小的一个原因,也只是比较少的情况才会这样。

第二个原因:时间上来不及。为了提高火箭效率,所有的化学火箭都采取了多節火箭的设计,同时,飞行器的不规则形状决定了它留在火箭上时,太阳能电板、天线等突出部位要折叠,外面要套整流罩,因此,当最后一节火箭被抛弃后,登月器需要一定的时间来分离、展开、上电、测试等等工序,尤其是测试环节,你总不能等到飞行器到了月球附近了,才发现飞行器有故障亟待修复吧?这些工序随随便便就要花几个小时,而在环绕地球轨道上,环绕地球一圈仅仅需要90分钟,等工序完成,飞行器确实已经围绕地球飞了好几圈。这个算是主要原因了。

飞行器环绕地球的第三个原因是:现实与理论的差异。霍曼转移轨道只是一种单纯的轨道转移理论,而现实中,由于一次变轨机动变化的轨道参数越大,对发动机推力的要求就越高,同时也需要更长的工作时间、更高的控制精度,也就意味着会有更大的风险。所以,为了提高成功率,飞行器可能会把原本霍曼转移轨道里面的两次加速推进,拆分成多次加速推进,这当然又导致飞行器绕着地球多飞了几圈。这个也是主要原因。


上图是嫦娥一号登月轨道示意图,可以看到嫦娥一号环绕地球飞行了整整48小时之后,才真正加速飞离地球。

在这里,插入一个题外话:基于同样的原因,当抵达月球附近的时候,飞行器所走的轨道依然是霍曼转移轨道,只不过,原本该加速的位置,现在换成了减速,这个过程虽然不需要再次对仪器进行检测,但是却需要对着陆区域的具体环境进行检测,另外,很可能有仪器需要在近月轨道执行任务,所以,飞行器在着陆前也往往需要先环绕月球几圈。同样如上图所示,嫦娥一号也是这么做的。

所以,基于上述三个原因,最终科学家们综合考虑成本和科研需求之后,普遍选择了让飞行器先环绕地球几圈、再环绕月球几圈的飞行方式,而直飞月球,由于同时不满足成本和科研需求,惨遭淘汰。


酔语


从地球直接飞到月球实际上是做不到的。

首先,飞到月球之后就成为了一个卫星,这样就要求你具备第一宇宙速度,这个速度是水平的速度,也就是说是横向速度,你垂直到了月球之后,你并不具备水平的速度,所以无论你飞多高,最终的结果都会落到地面上。

第二,卫星的发射实际上是甩出去的,而不是推出去的,它克服地球引力,用的是离心力而不是火箭的推力。不要去想用火箭的推力,能够把卫星推离地球,火箭的推力就是给卫星一个离心力,而这个离心力则要求卫星必须是做圆周运动。

明白了上述两点就知道了不仅仅是探月卫星做圆周运动,而且所有的人造行星也是做圆周运动,即使不是人造的各种星体,也要做圆周运动,它们的目的只有一个,就是用离心力来克服引力的作用,以达到不被引力源吸回去的目的。


观上灵云


因为天体是自转和公转的,比如我们地球、月球都受太阳吸引,绕太阳运行,此运动相当复杂,轨道运算难度很大,如果要直接飞上去,是不可能的。首先第一,世界上目前还没有能垂直向太空发送探测器的大推力火箭。其次第二,举个例子就能懂,我们开枪打移动靶,扣动扳机时你是对准了靶心,可在你的子弹飞行过程中,移动靶早就不在原来的位置了,怎么打得中?所以不能直接冲月球上。


笑傲天下之凌风


不垂直飞离地球,因为这种飞行方法过于耗费能量。

任何在引力方向上的加速,都首先需要耗费一部分能量来克服引力,剩余部分才能达到加速的效果

所以最节省能量的飞行方法,是所有的能量都作用在垂直于引力的方向。这样就不会有任何燃料的浪费。而这种飞行方法,航天上叫霍曼转移,而且绕上几圈是为了从宇宙第一速度达到宇宙第二速度,从而进入预订轨道


15340686326


直接去月球不是不行是技术难度太高和风险比较大,绕地球绕是为了调整飞行器的姿态和速度。

还有就是要达到第二宇宙速度是错的,登月卫星速度在第一与第二速度之间,好像是10.7千米每秒离开地球。

速度慢了到达不了月球,快了就超过月球宇宙速度,要减速就得消耗燃料,所以这个速度是要准确计算的。


爱码农


你以为引力是跟你开玩笑呢!不绕着飞,顺着引力场去,你看看能不能飞到月球。必须环绕引力场,飞行器才能顺利进入月球轨道!


那年今时868


这是月球推引力和地球一样也有推引力。


圣恒标


地球引力所影响的空间扭曲,火箭的速度不足以摆脱这种扭曲,所以不止只有这次的火箭,以前所有发射过的火箭,都是绕地球几圈飞出去的


任性的卓先生


引力加速,节省能源,特别是星际航行中,如何利用星球之间的引力来加速航天器,是一门学问。


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