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人類在50年前就實現了登月,但直到今天也沒有任何一個國家登陸過火星,這究竟是為什麼呢?其實答案很簡單:
現有科技水平達不到。火星和地球距離
火星和地球的距離,最近的距離約為0.5億千米,最遠時可達到4億千米,這麼長距離的太空旅行,所花費的時間一定非常久。我們簡單看一下歷史上飛行器抵達火星用了多久。
- 1965年,美國水手4號花費228天成功飛過火星。
- 1969年,水手6號用時155天飛過火星。
- 1969年,水手7號用時128天飛過火星
- 1971年,水手9號成為首次進入火星軌道的地球飛行器,用時168天。
- 1975年,美國維京1號用時304天飛抵火星,併成功登陸。
- 2011年,好奇號火星探測器用時254天抵達。
現在雖然有許多探測器陸續抵達火星,但所耗費的時間大約都在2、300天左右,也就是說,如果人類想要實現登陸火星並返航,至少需要400-700多天,這期間食物的供給,宇航員的健康以及燃料都無法保證。而且,載有一個宇航員大概400-700多天所需的食物,重量和空間也是非常大的。還有,來回的燃料重量也非常重,勢必會給載人飛船增加難度,因此,現階段探測火星大多用的是探測器。
火星第二宇宙速度
除了火地距離太長之外,還有一個原因是現階段人類無法攻克的難題,那就是如何擺脫火星第二宇宙速度。
根絕牛頓在《自然哲學的數學原理》中描述的萬有引力:任意兩個物體之間都存在著引力,引力的大小和雙方的質量呈正比例,和他們的距離呈反比例。
最簡單的例子就是我們人類之所以沒有飄到天上去,是因為人類的質量和地球相比太過於渺小,幾乎忽略不計,而地球的引力束縛著我們,讓我們無法離開地球。
但是,牛頓也提出一個思想實驗,這個實驗被後人稱之為“牛頓大炮。”
牛頓提出,假如我們擁有一臺可以發射任意速度的大炮和炮彈,那麼剛開始,我讓大炮發射速度較小的炮彈,炮彈雖然會打到一定高度,但最終還是會在地球引力作用下,呈自由落體落在地面上。
如果,我讓大炮發射速度超過7.9km/s,那麼雖然炮彈還是會落下來,但因為地球是圓球,炮彈落下多少米,地球就相應凹陷多少米,相當於永遠也不會落在地球上。這時,這枚炮彈就像是地球的衛星一樣,圍繞地球運動。
科學家們把這個速度,叫做第一宇宙速度,每個天體的第一宇宙速度不同,具體和他們的質量有關係。
不知道你發現沒有,雖然炮彈達到第一宇宙速度時永遠不會落下來,但是也沒有擺脫地球的引力,如果想要擺脫地球的引力,需要達到第二宇宙速度,即第一宇宙速度乘以根號2倍,火星的第二宇宙速度是4.98km/s。
也就是說,載人飛船想要從火星返回地球,需要克服火星的引力,也就是說,載人飛船的速度要提升到4.98km/s以上,而人類目前已知的辦法是使用火箭助推,讓載人飛船初始速度提升上來,但是火星上並沒有火箭發射器,也沒有燃料,想要擺脫火星的引力幾乎不可能。
而人類登錄月球之所以不用火箭助推,是因為雖然是在月球,但地球的引力在地月系統中還是佔主導,再加上月球比較小(月球的第二宇宙速度是2.38km/s)。一般的操作是讓一個飛船繞著月球飛行,然後讓小型飛船進入到月球中。
等返航時,小型飛船隻需要稍微加速就可以繞月飛行的飛船對接。而繞月飛船隻需稍微加速就可以實現變軌,並且返航。這個難度是要遠遠小於從火星返航的難度。
總結
人類登錄火星比月球難的地方在於:
1:火地距離非常遙遠,而載人飛船無論在食物的供給上還是燃料的攜帶上,都無法滿足來回安全的保證。
2:想要擺脫火星第二宇宙速度,飛船需要火箭的加速度,但火星上並沒有火箭發射基地,也沒有燃料供給,因此飛船從火星出發,並不容易擺脫火星的引力,無法返回地球。相信解決了這些問題之後,科學家們會考慮載人飛船飛向火星,近距離感受火星的神秘。
鍾銘聊科學
登陸火星只差兩步,製造運力超強的火箭和足夠大的飛船,然後用它們把人送到火星,可這兩步需要的技術難題不知道要幾個十年才能解決。火星登陸的難主要是由於遠。
火星是太陽系中距離地球第二近的行星,大氣環境比較溫和,便於人類探測,在經歷了金星探測的一系列失敗後,興起了“火星熱”,發射到火星的探測器、登陸器共二三十個了,失敗和成功大概各一半,探明瞭火星的大氣環境也發現了一些“生命元素”,發現了火星具有水(甚至是液態水),大氣中也有含量極低的氧氣,還有波動性的甲烷,表面溫度最高在-20℃以下,水可飲用可生產氧氣和氫氣,大氣中的氧氣可以直接收集濃縮供應人的呼吸和火箭的助燃劑,甲烷也可以作為燃料,是對人類登陸火星較為有利的因素,較強的陽光也可以使人類在人造的透明基地內發展農業,對於人類來說,火星已經是太陽系較為宜居的類地行星了,而且質量比地球小得多,便於發射火箭和其它航天設備,作為人類未來深空飛行的中轉站也是比較合適的。
但火星畢竟還是太遠了,與地球的直線距離最近的時候有5500萬公里,地球和火星繞太陽公轉的週期、線速度也不相等,因此飛船到火星不是直來直去的,而是要先計算設計一條路徑相對較短的飛行軌跡。目前達到火星最短時間也要160多天,而阿波羅計劃中登陸距離僅有38萬公里(實際飛行路徑肯定要更長一些)的月球就要花費數天,飛船的總質量40多噸(包括軌道器和登月飛船、返回艙幾部分),哪怕火星登陸飛船質量重一倍,以現代人類的火箭技術就很難實現了,土星五號那種龐然大物實現的也不過是把40多噸的飛船投送到地月轉移軌道上,而土星五號過於強悍,以至於幾十年後的今天也沒有一款運力能超過它的火箭,我國的長征九號,美國正在研製的新一代火箭中,倒是有和土星五號運力相當的,但是還需要一定時間建造。
在這麼遙遠的旅程中,現代科技不論死活地將一個人送到火星上可以做到,但那沒有什麼意義。即便是十幾、幾十年後的飛船能夠送去幾個人,大概也只是像阿波羅計劃那樣象徵意義的登月,難以有多少作為。目前SpaceX等機構已經在研製具備飛行和登陸以及返回所需的所有功能的星際飛船,距離造成還不知道要多久,火星即便是有最適合人類移居的環境,那也只是讓人“眼紅”而已。
來看世界呀
人類登陸火星為什麼比月球困難的多?
到現在為止總共執行的火星探測計劃有45個,成功了18個,成功率為40%,執行登陸任務的探測器有13個,成功8個,成功率61.54%,其實這數據看起來還不錯,那麼月球呢?月球探測器一共145個,成功77個,成功率為53%,比火星好那麼一點!但執行月球登陸任務的探測器數量為60,成功著陸27,成功率只有45%,兩者相比似乎還是月球更難一些,是這樣嗎?
為什麼月球登陸比火星還難?
不知道各位有沒有發現一個問題,當前在火星表面和軌道上工作的8個探測器中,都是2000年以後發射的,而早期在1975年海盜一號和二號登陸器分別成功,之後多次失敗,但整體成功率來看,如果按發射失敗或者未進入軌道等計算在內的話,相對會低很多,但這並不會成為火星任務更容易或者更難列舉案例,為什麼月球登陸失敗案例那麼高,完全是因為月球的地位所致。
- 月球是人類在深空之路上第一個實彈演習演習現場
怎麼會是月球呢?不是近地軌道發射衛星嗎?其實這可以理解,但近地軌道只是實習,月球才是真正考驗技術的時候,月球夠近,但又足夠遠,足以考驗人類的各種技術:
- 火箭
- 定位與測控
火箭排第一位很容易理解,能將探測器送入地月轉移軌道無疑是第一任務,否則後續所有任務都不要談了,但接下來的定位於測控就有比較難理解了,不是有無線電嗎?月球不就在那裡,還能跑了不成?確實是這樣,月球那麼大,目視都能看到,為什麼還要定位測控?
- 月球在圍繞地球公轉
月球大概27天多一點繞地球一圈,地月平均距離大約是38.4萬千米,從地球到月球從阿波羅時代的3天到以色列探測器一天天繞上去的十天半個月甚至更久不等,我們按嫦娥四號的5天計算,如果你向現在看到月球往前飛的話,5天后月球已經跑到44萬千米之外。
另一個關鍵是,茫茫太空中,探測器在哪裡?地面上上有經緯度加上高度,你就被定位了,但太空中根本沒有參考系,所以對自身定位技術必須要過關,一般現代對木星軌道內的探測器都可以使用甚長基線干涉定位技術,而這個發展代表著這個各家射電天文和甚長基線干涉技術的水準。
還有一個通訊,地球在自轉,月球在公轉,架設在地球上的天線會隨著地球轉動而失去目標,怎麼解決?中繼衛星或者全球測控天線分佈,比如NASA在全球就有數個深空通訊基地。
- 落月制動火箭技術
測控與定位解決了,探測器也送到了月球軌道上,那麼這麼下去?月球無大氣,只能全程火箭制動落月,這個非常考驗火箭技術,所幸月球引力比較小,繞月速度不高,否則落月時制動燃料都不夠。
所有這些技術都具備後,月球我們來啦........臥槽,掉了,再來一個試試,臥槽,又掉了.......好吧,再接再厲,第三個終於成功了,這就是月球失敗案例眾多的原因,既然是實彈演習場所,那麼就得接受各種事故瀕發,當然更多的是我們要感謝它給我們提供了一個練兵場所,否則最近的行星是金星,怎麼說有4000多萬千米,這成本,學費還沒交完就破產了。
登陸火星難還是月球難?
火星與月球條件不一樣,比如月球的逃逸速度是2.4千米/秒,火星的逃逸速度為5.02千米/秒,月球無大氣,火星有一個薄薄的大氣層,因此探測器到達月球和火星軌道後,降落的過程是不一樣的。
降落火星有點類似重返地球,因為會高速穿過大氣層,唯一的差別時環火軌道速度比較低,而且火星大氣層稀薄,因此可以利用大氣層為探測器減速,省去不少動力制動的火箭燃料,但需要一個穿過大氣層的優秀氣動外形,所以各位可以發現,儘管火星探測器和月球登陸探測器有各種外觀,但在登陸過程中,火星探測器是包在整流罩內的,而月球則是裸露在外,這是兩者最大的區別。
另外最後降落時刻,火星探測器五花八門,比如有氣球減震緩衝的,也有降落傘在最後時刻利用反推火箭的,其實月球也可以用類似的方式,但月球大都是反推火箭直接落月。不過最近降落火星的探測器洞察號是火箭反推降落。
洞察號從火星軌道到降落火星表面的過程,請注意哦,現代在其他天體登陸的探測器大都有自主選擇著陸場地的功能,要不然就是盲降,下面如果一堆亂石,那就悲劇了。
- 深空測控技術
登陸火星我們仍然要提這個技術,比起其他技術來,這個門檻還是有點高,因為火星軌道通訊受到太多的影響,至少我們要將登陸時間安排在地球能看到火星並且遠離太陽的時候,否則太陽的無線電干擾太強。
洞察號登陸時的兩顆中繼通訊衛星:瓦力和伊娃
另外更喪的是地球在自轉,火星也在自轉,通訊還延遲半分鐘到數分鐘不等,要搞定火星測控可不是一件容易的事。
各種上下其手的火星通信手段,但有一點是無法避免的,就是延遲,我們無法縮短距離,但可以將通道保障到更穩定。
因此從整體技術上來看,火星更難一些,月球探測器摔得多是因為有點本事都就往月球上丟探測器,所以,整個水準就被拉低了,卻讓月球來背鍋,情何以堪啊!
星辰大海路上的種花家
人類探測月球和火星的主要歷史歷程大概相同,都是從繞星探測,然後著陸器著陸。自人類進行探測太空以來,有數據表明,不管是繞星探測器還是無人著陸器,火星和月球其實差距不大,可以說世界上幾個航天工程大國是有十足的把握能夠實現火星和月球的著陸。目前人類已經實現了月球載人登陸(美國阿波羅號實現了載人登陸),而火星並沒有實現載人登陸。載人火星登陸為什麼會落後於載人登月呢?因為著落器是一個金屬大機器,飛向太空了可以自生自滅,但是載人登陸後必須要實現返回。
首先,月球與火星距離地球的距離太遠,月球距離地球大概38萬公里,而火星距離地球最近距離要有5500萬公里,距離遠到底意外著什麼?由於火星和地球都是太陽的行星,只有到火星運行到和地球趨向連線(日地火三星連線)的時候才能發射,這樣才能使飛船的飛行時間最短,儘管這樣,飛到火星也要約160多天。這麼長的時間內對飛船的生命維持系統,能源供給、信號聯絡、加速及降速控制都有較高要求。而且宇航員在飛船艙內的生存活動會帶來巨大考驗。由於火星的公轉週期大概是2年時間,所以載人飛船返回一次的週期至少是兩年。
其次,月球與火星的最大區別就是月球表面沒有大氣層,而火星表面含有大氣層。有了這個大氣層之後,可以讓火星載人登陸艙減速,但是減速效果並不能達到要求,要輔助加降落傘降落,也要提供火箭提供減速能量,同時由於和火星大氣的摩擦會造成登陸艙的溫度急劇增高,這樣載人登陸艙必須外表加隔熱材料。總體來說,降落傘,防熱殼,火箭燃料樣樣都不能少,這就增加了載人登陸艙的重量。其實,不管是無人登錄器的失敗都是著陸失敗,包括前段時間印度的月船2號。
最後,火星的體積與質量與地球類似,但是與月球差別很大,這就造成了火星的引力很大,假設人類登陸火星成功了,航天員必須返回。在火星上想要返回地球和地球上去往火星差不多,但是條件就差別太大了,最主要的就是必須提供大噸位動力的火箭,返回並不是直線返回,每一次的加速變軌都需要消耗大量的能源。綜上所述,難度可想而知。
科學認識論
很簡單啊,因為火星離地球更遠。
火星最近的時候距離地球約為5500萬公里,最遠距離則超過4億公里。一般來說,火星距離地球最近的時候是最適合觀測和登陸火星的時刻。
而月亮距離地球只有38.4萬公里,當你,阿波羅11號從地球到月球共花費了4天的時間,而好奇號火星車於2011年11月發射,2012年8月成功登陸火星表面,共花費近10個月時間才能到達火星。
你可以想象一下,這十個月你要如何維持宇航員的生存,要想登陸火星,必須解決燃料問題和速度問題。
否則,人類很難成功實現登陸火星,目前美國是計劃2030年左右,實現載人登陸火星表面的目標。
胖福的小木屋
1,去月球,來回幾天就夠了,食品,藥品,氧氣等需求有限(其實餓幾天也沒事)。去火星就不同,來回得幾年時間。得帶多少吃的?為了補充維生素與氧氣,水消耗,得組建一個小的生態圈!這個生態圈必須嚴格維持平衡,稍微有點問題就全盤完蛋。
2,去了火星得回來吧?還得帶上返程燃料。相比月球,火星路途及其遙遠。所需火箭及燃料要更加先進。
小強爬爬爬
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