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嫦娥五号计划来回23天,为什么阿波罗11号来回只花了8天?

官方公布的嫦娥计划时间总共历时23天,和此前的任务相比,似乎缩短了很多,毕竟这嫦娥三号和四号是落月任务,是要着陆器和月球车还能工作,这任务就遥遥无期!而嫦娥五号的采样返回则是有时间限制的,时间再久点,着陆点就变月夜了!

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不过熟悉航天的朋友很快发现了一个问题,阿波罗计划当年任务执行前后总共只有8天,发射时间是1969年7月16日,返回时间是1969年7月24日,两者相差半个月,这嫦娥五号还不如半个世纪前的阿波罗11号的技术?

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登月有几条路?

怎么奔月?看着月球在哪里,瞄准了射出火箭不就完事了么?其实还真没那么简单,因为月球距离地球大约是38.4千米,从地球出发到月球火箭,再快也得半天一天时间,而月球绕着地球公转,它每天都能跑差不多9万千米!

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所以等你的火箭射到之后,它早就跑了,所以得计算好提前量,当火箭到达时月球刚好也一起到达,那就稳了!但同样会跑出来另一个问题,从地球发射到月球的火箭,走的不是直线,在引力场中是测地线运动,表现在地球到月球的线路就是一条大致椭圆轨道线(就是绕地球运动的轨道半长轴拉长,一直将远地点伸到月球轨道附近)!

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当然这是在火箭推力足够的情况下,这条轨道距离短,速度快,最快的速度能到月球,如果不够呢,它就够不着月球,那么就不能执行月球探测了吗?其实也不是不行,因为还有第二条路!

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嫦娥二号探月之路

可以采用多次变轨的方式,在探测器近地点时点火加速,将轨道的远地点一次次抬升,一直到远地点接近月球,这个方法比一次性将轨道提升到月球要节省燃料,但缺点是时间比较久!

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印度曼加里安探测器的火星之路

嫦娥五号和阿波罗11号的奔月之路到底有什么差别?

上文我们看到了两种轨道的差异,嫦娥五号和阿波罗11的轨道区别真的很大吗?准确的说两者并没有什么差别,下文来了解下,阿波罗11和嫦娥五号的奔月之路。

阿波罗的奔月之路

篇幅限制,下文就拣重要的说,运载阿波罗11号的火箭是土星五号,这枚火箭即使到现在也依然是超级巨无霸,它的运载能力在近地轨道是140吨,地月转移轨道是48.2吨,到现在依然没有任何火箭能超过它,所以它能将四十多吨的阿波罗登月组合体直接送上地月转移轨道!

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具体过程是这样的:土星五号的一级火箭是著名的F1火箭发动机,它工作时每秒要烧掉1789千克液氧,788千克煤油,第一级火箭只工作150秒,能将火箭送至68千米的高空,达到2.76千米/秒!

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二级火箭5台J2火箭发动机,使用液氢液氧作为燃料,它工作300秒,将飞船送至170千米的高度,达到7千米/秒。三级火箭启动工作大约150秒,火箭进入距离地面191.2千米高度的待机轨道,速度达到7.75千米/秒!

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阿波罗11号和三级火箭组合体在这条轨道上环绕2.5圈,然后再次点火前往月球,这次点火直接将接近48吨的阿波罗登月组合体送上了地月转移轨道。所以阿波罗是直接前往月球的。从7月16日出发,7月19日到达,总共耗时3天!

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嫦娥五号的奔月之路

嫦娥五号从11月24日凌晨4点30分发射,于2020年11月28日20时58分,在距离月球400千米处减速制动进入环月轨道,总共耗时大约4天半左右!

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嫦娥五号明显时间要长不少,嫦娥五号也没有使用近地点多次加速、抬升轨道的方式,从近地轨道出发后直接前往月球,两者相差时间为什么差那么大呢?

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首先第一个问题,阿波罗登月是载人登月,这个中间耽搁的时间越小越好,而嫦娥五号则是无人探测,所以时间上并没有阿波罗任务敏感,另外前往月球轨道不一样,同样是前往月球的轨道,并非只有一条,而是有无数条!

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但为什么有探月窗口之说?其实有很多因素决定了这个窗口,比如有的要求入轨的星箭分离要有光照,有的要求太阳同步,当然前往月球的火箭,那是要求彻底利用火箭最大的运载能力。

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LRO是极轨月球探测器,它的入轨很怪异

那么火箭必须要走一条最经济的轨道线路,根据月球和地球发射点之间的相对空间位置,这条轨迹发射后,在近地点出发前往月球之间的每个点,都已经计算好了,所以就出现了所谓的窗口!而这个窗口的宽度,有的是数小时,有的是数分钟,错过可能要相差一个月甚至一年!

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并且最快速度抵达和最高经济负载,以及地球上出发地点相对位置不一样,前往月球的时间是有差异的。

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其实所有的一切,都是现代火箭推力不够持久造成的,如果液氧煤油机比冲超过400,科学家想啥时候发射都可以,不过精打细算的科学家又会折腾出新的幺蛾子来!

返回时间

嫦娥五号任务总共23天时间,其中月球轨道上组合体分离等待着陆,然后着陆器在月球上停留2天,再在月球轨道上对接和待机返回,从12月6日5时42分开始,组合体一直在月球轨道上待机。

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接下来返回任务的要求则更高,因为从38.4万千米外的月球轨道脱离返回地球时,要求一击即中,尽管中途可以修正,但这是一锤子买卖,和进入月球轨道时的减速入轨不一样,嫦娥五号的返回舱并不是减速入轨!

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而是高速进入大气层,以水漂弹道的方式减速后弹回太空第一次减速,再第二次重新进入大气层,第二次重返大气层,并且要求这个轨道的末端位于内蒙古四子王旗传统降落场!

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阿波罗11号飞船返回降落的地点是北太平洋,也就是说,阿波罗计划对返回的地点并不敏感,只要计算好时间节点,然后按部就班找着做,至于这些时间节点是什么时候问题都不大,落点仍然是能预测的,美国航母舰队提前到达就可以了!

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请注意着陆点在北太平洋

简单的说嫦娥五号是射箭必须要命中出发前设置好的靶心,阿波罗11号则是到哪都可以,只是你得提前和我说下,我先把靶子放到那里!



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