美国人登陆了月球,那么宇航员是怎么返回的?

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2017-10-30 10:17:40  来源:澳门博彩在线  编辑:

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  上个世纪60年代末,70年代美国先后进行了6次的载人登月,把12名宇航员送上了月球。可是五十年后的今天,依旧有许多国家没有能力把人送上月球,而反观50年前的美国,不得不让人产生疑惑。这也造就了一大批阴谋论者大行其道,发布登月造假论!确实,登月拥有许多谜题,其中最令外行人迷惑的便是:月球上没有发射架,宇航员是如何从月球表面返回地球的!

  事实上,美国载人登月在学界看来,完全是不用质疑的!至于宇航员是如何从月球表面返回地球,这是一个极其简单的物理问题!

  我们知道逃离一个星球的速度和该星球的引力大小有关!

  以地球为例,逃离地球的速度可以分为三种。第一宇宙速度7.9km/s,这是火箭发射时候的最小速度,也是的环绕地球速度。简单的来说,要想摆脱地球的引力,使其环绕地球轨道运行,那么火箭理论上的发射速度是7.9km/s。 那么再看看第二宇宙速度,对于人类来说,要想摆脱地球的引力,完全分离出去,最小的发射速度是11.2km/s。这也是登月或者登陆火星的发射速度。 那么第三宇宙速度则是要求火箭摆脱太阳的引力束缚,也就是达到这一速度后,飞船就可以脱离太阳系进入宇宙空间了(16.7km/s),比如旅行者一号!

  首先是火箭飞行的基本公式——齐奥尔科夫斯基公式,非常简单——假设理想情况下(不考虑任何其他外力),有一质量为m的火箭,初始速度为0,喷气速度恒定为V0,那么由动量守恒有m*dv=v0*dm(火箭本体获得的动量增量=喷出气体的动量),一积分就可以得到v=v0*ln(m/m0),左边是火箭的末速度,右边是喷气速度乘以质量比的对数。质量比就是火箭的初末质量之比,即(载荷+燃料)/载荷

  然后就是高中的公式——环绕速度,由于万有引力提供向心力,GMm/rr=mvv/r,很容易得到环绕速度v=sqrt(GM/r)。

  只需要这两个公式,我们就可以估计分别从地球和月球发射火箭到各自的近地轨道需要多大的质量比。很容易能计算出地月的环绕速度分别为7.9km/s和1.7km/s。登月舱上升段火箭发动机喷气速度大约为2.2km/s,假设从地球发射的火箭发动机也为这一水平,代到第一个公式里面,就能得到各自质量比,分别是36.27和2.16)。当然这是理想情况,没有考虑地球上的空气阻力和各自星球的引力做功,但是这些都是可以作为修正量的小量可以暂不考虑。

  【同样发射1千克物体,地球需要35千克燃料,月球只需要1kg】——这就是问题所在——大部分人认为月球重力是地球的1/6,那么发射火箭起码也得是1/6,但实际上由于对数关系的存在,燃料与环绕速度的关系是完全非线性的,不能简单的用“日常思维”去套。

  因此,在地球上都要用多级火箭才能将载荷送上环绕轨道,但在月球上就要容易得多,火箭也可以做得很小。加上没有空气的影响,无需减小横截面积,最后我们看到的登月舱上升段完全不像我们通常看到的圆柱体火箭,几乎就是个球形。

阿波罗登月舱的结构图,分为下降级和上升级,各有各的发动机和燃料-氧化剂贮箱。下降级负责降落月面之前的缓冲和减速,完成任务后上升级以下降级为发射台飞离月球,在绕月轨道上和指令舱对接,两名登月宇航员与留守在指令舱的一名宇航员会合,随后上升级就被抛弃,三名宇航员乘坐指令舱返回地球。顺带说一句,阿波罗10号是登月前的最后一次演练,其中两名宇航员要在月球轨道上练习使用登月舱下降和起飞(但不着陆)。为了防止宇航员们登月,上升级发动机的燃料故意没有装满,如果宇航员真的登月,他们从月面起飞后是无法到达月球轨道的。

  大家学过化学便知道,燃烧有三大条件:可燃物;氧气;高温。但是登月返回舱要离开月球表面就得点然燃料喷火,但是月球表面并没有氧气啊!事实上,登月舱自带的燃料里就包含着氧气成分! 点燃燃料后,登月返回舱就受到一个反冲力,速度随即加快,达到月球入轨速度后,进而逃离月球!

  在地球上发射火箭之所以需要发射架,在于较大的逃逸速度要求火箭燃料的加大,继而导致火箭体积和重量增大,所以需要发射架加以稳固!而月球的引力很小,导致其逃逸月面的速度很小,所以发射条件就不像地球那么苛刻!

  或许你听过这样的新闻:把人送上火星就无法回来了,去火星是单程票,有去无回。这是因为火星的引力比月球大的多,所以逃逸火星表面的速度也较大,这就要求火星返回舱的发射条件变得严苛起来。可人类目前还没有掌握从火星返回到地球的技术,所以只能有去无回!

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