爲啥不能直接飛到月球?而需要環繞變軌?

離樞


一、直接飛到月球是可以的,但是這樣做需要耗費更多的燃料。

地球一直在以29.8km/s的線速度、15°/h的角速度在自轉,因為我們在地球上具有同樣的速度,所以感覺不到。對於月球,其公轉的角速度為 33′/h,即0.55°/h。



由此可以看出,地球自轉速度是月球繞地球公轉速度的27倍之多!如果地球上發射一顆月球探測器,由於慣性則此探測器自身就帶有一個和地球自轉一樣的角速度。如此巨大的角速度,使探測器不得不呈現出一種螺旋式上升方式(橢圓軌道)。除非探測器使用反方向推力,降低自己的角速度和月球公轉角速度一致,才能夠和月球相對靜止,然後直線飛過去。但是,這個過程需要探測器耗費巨量燃料降低角速度,並且還要探測器做足夠的功才可以地球的引力勢能,整個過程可以說是要耗費大量的燃料。



二、如果採取讓探測器跟隨地球自轉的方式,就可以避免使用大量燃料:

月球公轉很慢,幾乎可以認為相對地球靜止。探測器在圍繞月球公轉的時候,每次順著地球公轉方向只需要燃燒少許燃料,就可以使探測器獲得更大的速度,做更大的橢圓軌道運動(下圖)。當經過幾次加速過程,探測器圍繞地球轉速已經夠大了,這時候待探測器剛好轉到地月背面時,只要再次少許加速一次,探測器就可以輕而易舉地擺脫地球的引力勢井,以一個更大橢圓的螺旋曲線奔向月球,然後到達月球時再減速就可以被月球的引力俘獲從而圍繞月球轉。整個過程類似於一個引力彈弓,說白了就是探測器利用了地球自身的自轉速度而已。


這種方式燃料耗費較少,只需要3次加速過程和減速過程。但是軌道的計算過程十分複雜,而直接飛就不用計算什麼軌道,但是燃料耗費的卻太多。以目前人類的探測器製造技術,還不能夠攜帶較多的燃料,故而只能夠採取第二種方式登月。


PhD肖


好吧,再給你演示一遍吧。

首先我們從地球發射,進入近地軌道環繞。

然後在此處加速,增加遠地點高度,直到軌道接近月球。


利用月球引力減速,然後飛船減速進入繞月軌道。

繼續減速在月球著陸。

返回時從月球起飛只需小號很少的燃料。所以月球是一個理想的太空中轉站,將來會成為人類探索太空的新起點。從月球起飛,在表面很近就可以進入環繞月球軌道。然後在月背加速,提高軌道高度,靠近地球。

接近地球利用地球引力減速,並且自身也開啟火箭發動機減速,準備再入。

這就是整個軌道以及各個主要節點的思路。


蛋科夫斯基


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。

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。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。

最後要說的是,宇宙中的天體幾乎都是以橢圓軌道運行,地球和月球也都不例外,所以人造飛行器的軌道都不會是直線,所以軌道設計就顯得尤為重要,因為空間飛行時節省燃料就比節省時間要重要的多。



震長


不是不能,而是太不經濟。火箭當然可以直接從地球飛向月球,然後著陸月球,而無需進行變軌。但這樣做,需要火箭擁有強大的推力和足夠多的燃料,而這是非常不經濟的,所以太空飛船一般都是通過多次變換軌道來飛向月球。

在2007年,我國第一顆探月衛星——嫦娥一號在奔赴月球之前,先是環繞地球飛行不斷調整軌道,然後使它飛入地月轉移軌道,這是飛到月球所需能量最少的軌道。在接近月球時,嫦娥一號需要進行制動減速飛出入地月轉移軌道,然後它被月球引力俘獲。再之後,通過多次變軌調整成繞月飛行的圓形軌道。當年的阿波羅載人登月飛船也是通過類似的方式飛向月球,並最終在月球上著陸。

到了嫦娥三號,有了前兩次經驗之後,這次是直接飛入地月轉移軌道,然後減速進入繞月軌道。此後,再繼續調整嫦娥三號的軌道,通過制動使得嫦娥三號能夠攜帶著玉兔號月球車成功降落月球表面。


火星一號


首先,你的想法確實是可以實現的,從地球赤道出發,兩點一線,所耗費的時間和距離最少。

但是,你知道這樣比環繞著陸耗費的燃料要多得多了。

先給你看嫦娥一號奔月的軌道示意圖,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。

嫦娥一號軌道示意圖

阿波羅登月飛行軌跡

專業的術語和數據就不引用了,用人話來說,這樣運用地球的引力加速,比人工的燃料加速要省力的多得很。

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。

還有一個原因,人類的探測器在飛出地球,在軌運行,進入月球軌道,月球著陸過程中,都需要相對漫長的時間,對飛行器上的所有器材進行細緻的檢查,畢竟稍有一點差池,一次探月任務就OVER了。

其三,月球雖然離我們很近,但是,我們對月球的瞭解還是有限的,所以,好近九牛二虎之力,發射一個航天器,就為了登陸月球,那未免有點奢侈了,很多飛行器在登陸之前,還會肩負很多在軌檢測的任務,所以,這也是不選擇直接降落的原因之一。

還有一點,在登月之前,目的地著陸點都是事先設定的,如果像你說的,直接著陸的話,那肯定做不到那麼精確,在軌運行的好處就是可以不斷的飛行器進行細微的矯正,從而讓登月更加的順利。

如上,希望你能滿意!


科學重口味


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。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。


來看世界呀


最主要的原因是為了節省燃料,這樣少用一點燃料,就少攜帶一些燃料,其實吧,最根本的原因就是推力不足,如果有科幻電影中那種級別的飛行器,需要啥子轉移軌道、繞月軌道,直接看準月亮,用肉眼導航即可,然後,“油門”一踩,“推背”感極強,飛似的向月球衝去,然後直接減速,也不需要多麼麻煩的制動,懸停降落在月球表面。

當然,這說的有可能是500年後的人類航天器技術,現在的話,只能這麼做,先繞地球轉幾圈,獲得了第二宇宙速度之後,進入月球轉移軌道,即地月軌道,向月球進發,到了月球背面時,主火箭開始制動減速,使飛船進入月球環繞軌道,然後釋放登月艙,宇航員開始登月活動。

當年的阿波羅11號登月活動就是如此,繞了地球一圈半,加速至接近第二宇宙速度,進入轉移軌道,抵達月球背面,制動減速,進入環月軌道,開始登陸活動。

下圖是當初嫦娥一號探月的軌道示意圖:

由圖可知,嫦娥一號在繞地球飛行時,共三次軌道機動,使軌道變得越來越橢圓,速度也越來越快,其實,也是藉助了地球引力的因素,最終將嫦娥一號“甩”了出去。

抵達月球時,可見圖中的繞月軌道正好與此前繞地軌道順序相反,先是進入大橢圓軌道,然後慢慢的制動減速進入較小的繞月軌道,進行探測活動。

所以,發射月球探測衛星時,既要算好發射時間、發射角度,還要算好發射窗口期,因為,其中任何一個環節出現了誤差,比如地球上天氣出現了變化,都可能導致任務失敗。

就和我之前說的那樣,還是人類的技術太低,你看科幻電影中的飛船多麼的厲害呀,直接一飛沖天,直奔月球,相信人類以後的科技會實現的。


一枚遊戲科幻迷


為啥不能直接飛到月球?而需要環繞變軌?

如果我們未來能發展出一種比衝堪比霍爾電推發動機,推重比超過100的火箭發動機的話(當然沒有人用這種方式來標識火箭的參數,一般也就推力:**噸 循環方式:**循環 比衝:**S 幹質量:**噸 這樣的方式)大可不必如此操作,直接飛出大氣層,然後進入月球后直接降落減速,完全麼有問題!

嫦娥一號的飛行軌道示意圖,為什麼要一圈圈繞上去,完全是因為發動機的推力不夠,用霍曼轉移軌道一圈圈磨蹭,當年印度的火星探測器曼加里安轉了半個多月才離開地球前往火星。進入目標軌道前,還需要引力彈弓來減速,以節省減速燃料消耗!

引力彈弓減速

從地球前往火星的探測器的軌跡也是繞了大半個太陽系,所以才會有如此複雜的軌道計算,如果未來發動機夠NB了的話,計算就簡單多了,如果10分鐘到月球,幾小時到火星的話,根本不用計算軌道和導航,目視直接出發前往月球、火星,然後直接減速降落即可!


星辰大海路上的種花家


在觀看了其餘朋友的回答後,基本上都認為是為了節省燃料。可我的觀點相反,理由如下:1當飛行器穿出大氣層處於失重狀態下,也就是說擺脫了地球的引力作用過後,只要不變軌是不需要燃料的,它就可以一直朝著既定的方向進行下去,比如說衛星。2不管是地球還是月亮自轉和公轉的角度是不會影響到飛行狀態的,只能會影響到著陸地點。3至於為何用變軌來接近月球,那只有一點:抗擊月球引力,避免成直線著陸月球的加速度過大,而飛行器還沒抵達月球表面,就像隕石流星一樣燒燬!試試算一下月亮到大氣層外的長度:再按每秒9.8米左右的加速度,再結合飛機撞鳥的速度,大家就想通了!


鵬程萬里153187371


第一部分@現象篇:

在我國西北地區,特別是高原地帶,可以看見很多的盤形公路!而盤形公路的設計目的就是解決了發動機持續高輸出的問題!因為阻力問題,發動機持續高輸出的話會很容易吃不消,而通過盤形的設計就很容易的發動機大功率問題,從山腳到山頂幾乎耗能差不多!雖然路程較遠,但是發動機的功率會持續低耗能輸出!



第二部分@科學疑惑篇:

為什麼航天飛船不直接飛向月球,而且要一直繞圈呢?這樣做的目的是為了解決什麼問題?有科學依據嗎?



第三部分@科學解疑篇:

其實航天飛船的軌跡也類似於盤形公路,不過飛船要考慮的問題可就沒有那麼簡單了!它不僅僅要考慮發動機輸出功率問題,而且還要考慮燃料,載荷等等問題!

1.更經濟

繞地球軌道,當飛船到達遠地點後,飛船就會點火加速抬升軌道高度進入地月轉移軌道。到達環月軌道後就要減速,以保證飛船能夠被月球捕獲。如果飛船質量過大,抬升軌道和減速進入環月軌道耗能就會增加。所以環繞變軌比直飛更經濟和安全!

2.技術有限

發射窗口問題,直飛探測雖然可以充分利用發射窗口,但是同時又會使發射窗口變窄!但是現有的火箭和飛船製造技術有限,現有測控技術不能滿足苛刻的發射窗口!所以這也是目前技術所造成的瓶頸問題!

3.航天控測要求

地面控測點越多,那麼控測的精度就會越高!如果直接飛向月球,測控點會減少很多,測控精度必然也會下降!地面控制中心很難控制飛船轉軌和變軌精度!



第四部分@科學科普篇:

  • 從地球到月球,消耗能量最小的軌道只有一條!
  • 地月轉移軌道就是從月球探測器通過不斷加速、脫離地球引力、飛向月球開始,到被月球引力捕獲、近月制動為止的軌道段!
  • 月球以27.32天完整的環繞地球一圈!


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