为什么飞船返航的过程中,不能减速进入大气层呢?

为什么飞船返航的过程中,不能减速进入大气层呢?,第1张

飞船在绕地飞行时,如果要降低轨道高度,一定要通过降低速度来实现。这里涉及到了圆周运动的知识。

当向心力大于离心力时,物体运转轨道半径减小,做向心运动,反之,向心力小于离心力,物体运转轨道半径增大,做离心运动。举一个例子来说,假设有一个质量为100000千克,飞行速度为7700米每秒,轨道高度为300千米的宇宙飞船在地球轨道上运行,那么它的机械能大约是焦耳。看着这个数字隐隐约约可以感受到它的庞大,但是至于它到底有多大还是挺模糊的。

不妨在举一个例子,一个普通的家庭每年冬天取暖所需的能量大约为焦耳,如果将飞船所具有的能量全部用于取暖,那么一户家庭可以足足使用41年。

因为飞船体积有限,载荷也就受限制。不可能携带更多燃料上天。所以在降落时主要靠自由落体下降,速度必然就会越来越快。只是在临近地面时,才用一次发动机制动。然后再利用降落伞缓冲一下。最后实际是比较重的摔在地上的。

飞船内部有保护航天员的缓冲设施,球形舱容易滚动,也可以吸收部分冲击能量。然后是靠地面人员协助让飞行员出舱。 

大约在距地10千米左右的高空,飞船的速度已降到每秒330米以下,相当于“音速”。此时,飞船上携带的降落伞便会自动打开,配合着陆的软着陆发动机也会适时启动。

了解了这些,我们回到问题上来,当飞行器或返回舱到达近地轨道,就是依靠反推进提供足够外力来减速降轨,着陆前也是通过多种手段降低速度软着陆。

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首先,发射月球探测飞船,火箭是目前唯一的运载工具。众所周知,火箭在地球大气层消耗了大部分燃料。飞出大气层并将航天器送入预定轨道后,发射器将完成其任务。

航天器以后几乎不需要能量来维持其轨道。那么为什么我们不能直飞月球呢?举一个简单的例子,如果汽车爬上山峰,如果它以最短的路径直线到达山顶,为了克服山峰的阻力,汽车的发动机必须不断输出高功率。

连续高马力的汽车发动机无法承受,而盘山公路已经解决了这个问题。从山底到山顶的总功率消耗几乎相等,并且延伸路径将始终减小电动机的功率,因此可以将其保持在电动机可以承受的范围内。

火箭是一样的,但它不仅考虑发动机功率问题,还考虑燃料分配问题。如果火箭和航天器平均分配燃料,将减少火箭的有效载荷。

二是测控要求。月球探测项目离不开航空航天的测控:测控点越高效,测控精度越高。航空航天测控是一个复杂的项目,只有高精度的测控数据才能保证月球探测项目的成功实施。

例如,可以将早期的轨道精度描述为最小差。当航天器进入地球轨道并退出高潮后,航天器的引擎何时会点燃并加速以提升轨道并进入月球转移轨道-月球?

离开地月转移轨道并进入绕月轨道,调整航天器的减速姿态,何时开启发动机以及点燃需要多长时间,需要测控部门的密切配合,因此地面控制中心可以对其进行精确控制。

如果直接飞向月球,则测控点将大大减少,而测控精度将不可避免地下降。地面控制中心很难控制航天器的轨道并改变精度。正是由于测量和控制技术的限制,航天器在月球轨道上的停留时间比在地球周围的轨道要长得多。

第三,发射窗口。根据行星的不同轨道位置,发射窗口是长还是短。火星探测项目的发射窗口比月球探测项目的发射窗口小得多,并且发射周期更短。

月球探测项目有许多发射窗口,有效窗口也很长。对于远程探测任务,最佳发射窗口可以长达数年,每十年一次,并且窗口长度甚至可以短至数秒。

虽然直接飞行检测可以充分利用发射窗口,但也会缩小发射窗口。当前的火箭和航天器制造技术是有限的,并且现有的测量和控制技术不能满足苛刻的发射窗口。

目前造大型宇宙飞船几乎不可能,主要是因为大型宇宙飞船重量太大,因此需要大量的燃料与能量,而燃料又增加了宇宙飞船的重量,使制造大型宇宙飞船的可能更小。
目前科学正在研究将宇宙飞船的零件运送到月球,在月球上组装后发射,因为月球的重力只有地球的1/6,这样能节省许多的燃料。
制造大型宇宙飞船需要做的是:
1制造大型宇宙飞船,首先要解决地球的重力问题,目前飞船可达到第一宇宙速度(又称环绕速度:7.9千米/秒)和第二宇宙速度(又称脱离速度:1.2千米/秒),而第三宇宙速度(又称逃逸速度:16.7千米/秒)要做到十分困难,即使做到,也需要很长时间,如美国“旅行者-2”号于1977年8月20日发射升空,2008年才飞出太阳系,这使得制造大型宇宙飞船无多大意义。
2此外,宇宙飞船还需要良好的循环系统,以供应飞船内人们的生存,还有一冲方法是使人进入休眠状态,由电脑自动驾驶,以减少能量消耗,但存在一定的危险性。
3是能量问题,飞船需要巨大的能量供应系统,以维持飞船的正常飞行,以及飞船的飞行速度。
以上观点可总结为:
1首先要克服地球、太阳的引力问题,有足够的速度
2需要有良好的循环系统
3需要巨大的能量供应系统


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