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「纽约去大西洋城」广寒宫里的那只兔,飞越的不只是中国人几千年的梦!

2020-01-10 10:55:14

「纽约去大西洋城」广寒宫里的那只兔,飞越的不只是中国人几千年的梦!

纽约去大西洋城,2016年7月31日,一个航天方面的消息颇令人“伤感”。这就是设计寿命3个月,而实际月面工作寿命长达972天的嫦娥3号落月探测器携带的巡视器——“玉兔号”月球车,宣布停止工作。顽强的小兔子,还是和喜欢他的广大爱国军迷说“再见”了。

当然,嫦娥3号着陆器本身,还在条件严酷的月球表面继续工作,并且获得了海量的世界领先的科技信息;嫦娥2号探测器,已经成为一颗太阳系的人造小行星,目前已经飞离地球远达数千万公里,还在不断刷新中国航天器的飞行新高度;中国的嫦娥工程,以有限的投入,不断取得惊人的科技成果。

“玉兔号”月球车

我们现在分析一下,嫦娥工程的一些要点:

1 发射嫦娥号系列探测器的的第三级火箭,是液氧—液氢发动机,也就是大推力低温发动机。

发射高轨道载荷,比如发射同步轨道通信卫星,远地点射高4万多公里,或者发射脱离地球引力的月球或者行星探测器,都必须用到低温高能发动机,美国的阿波罗登月飞船,第三级也是这种组合。

没有低温高能技术,就根本谈不上发射高轨道卫星。而世界上掌握低温高能火箭的国家很少,只有中美俄等几个大国。

嫦娥三号着陆器在月面工作的照片,由玉兔号月球车拍摄

“为什么发射高轨道卫星,必须要求低温高能?”

因这种空间发动机本身体积重量小,而比冲高、推力最大。卫星、飞船等有效载荷加第三级火箭,质量本身很大。若两者总重量二十来吨(同步转移轨道5到6吨,月球转移轨道3到4吨,加第三级火箭,总重量20吨左右),那么就要求火箭起飞时候的总重量超过500吨!我国目前只有长征三号捆绑火箭和长征七号能办到。

在长征5号服役前,我国最大的发射能力也就这么大了。而印度阿三,连这么大起飞重量的火箭目前还没有。因此,三哥的火星探测器,总重才一吨多点,还要采取多次加速绕出地球引力的轨道。

只有等长征5号服役后,我国同步转移轨道能力才能达到8到10吨。月球转移轨道,达到7到8吨,嫦娥工程“绕、落、回”三步走的最后一步——落月取样再飞回来,软着陆落到月球表面探测器组合体的总重,就必须有5吨以上,才有足够剩余燃料再起飞返回地球。

而要载人落月并安全返回,就更麻烦:软着陆后,登月器剩余质量至少要20吨,才能有足够燃料再次载人起飞(只起飞上升段舱室,基座将作为发射架留在月球表面),而从近地轨道,开始奔月的飞行体的总重就需要至少80吨到100吨。若从地面发射的火箭、飞船全组合体算起,起飞总重量就需要至少3000吨!

长征七号第二级

2 嫦娥系列探测器和发射它的第三级火箭是多次点火,直接从前两级燃烧完成后的发射弹道,惯性滑行一段后直接进入奔月转移轨道。

也就是说,嫦娥探测器加第三级火箭的组合体,并不是绕地球一圈或者几圈后,才再次点火加速,而是像远程飞机一样起飞后直接加速,一次飞向月球。

2013年12月发射的嫦娥三号器箭分离后,三级火箭摄像头所拍下的画面

从测控中心的大屏幕上我们可以看到:

火箭从西昌发射,当到达我国台湾岛上空时候,火箭的第一级和第二级都已经燃烧完毕并脱落。大体从台湾岛飞到关岛上空之前,第三级火箭和嫦娥探测器的组合体惯性滑行几百秒,这段距离在地球表面的投影,其实长达上千海里。

飞行到关岛以南上空的时候(陆续进入3条远望测量船的接力测控区),第三级火箭二次点火,火箭带嫦娥直接飞向月球方向,远地点高度达到惊人的36万公里左右。而实际上,火箭并不需要一直燃烧到36万公里的高度,第三级火箭只需要再燃烧几百秒,把嫦娥送到距离地面1万多公里的高度,第三级火箭的所有燃料就消耗完成了。

嫦娥探测器此时和第三级火箭脱离,今后嫦娥探测器的变轨和加减速,直到在月球表面软着陆,都靠自身的变推力主发动机,而姿态调整靠周身几十个调姿小发动机。其实整个嫦娥探测器,就相当于一个大号的kkv反导弹头!

这在电视直播画面中体现的很清楚,也很完美,所以说公开演示嫦娥工程的技术,是活脱脱的战略能力的宣示!

世界上能有这么牛的技术的国家,目前只有中美,俄罗斯只能算半个。能独立发射静止通信卫星的国家,就基本有能力可以往月球上扔个东西,哪怕只有几公斤的重量,但能软着陆月球的国家,至今只有中美俄3国。

没有kkv技术,就想软着陆外星?妄想而已。

第三级火箭和嫦娥脱离的瞬间,正好在地球的晨昏线上(这是提前设计好了的,可以让嫦娥在阳光下直接展开电池板供电),因此第三级上的摄像头,实时送回传难得的壮丽画面。而第三级火箭脱离后,还有个向下的俯仰,正好拍到了难得一见的地球南太平洋的景色。

在以前多次的电视直播画面中,甚至神州系列飞船的摄像头,都没有拍到过大范围俯视地球的画面。因为神州飞船姿态控制很严格,不能随便俯仰,航天员可以直接俯视地球,而广大电视观众不能通过摄像头同步观察。而摄像头又是固定的,数量也少,以观察航天器本身为主。

应该说,能拍到大范围的俯视地球的镜头,属于歪打正着!

地月合影

“为什么说是歪打正着呢?”

首先,第三级火箭的功能很明确,就是送有效载荷——嫦娥探测器进入地月转移轨道。拍摄画面,主要是为了实时进行安全检查,万一有故障,可以部分的实时看到问题出在哪里;第二级火箭上也有这样的摄像头位置点,第二级火箭脱离后,就没有画面了;第三级上的摄像头工作的时间长一些,但主要作用也是一样的。实时转播画面,是附带作用。尽管这种附带作用价值也很大,特别是对普通电视观众来说,但附带作用并不是主要的。

第三级火箭不带太阳帆板,因此这上面的摄像头,很可能是自身的电池供电,并传输信号。考虑到限制重量,电池供电时间有限,当电池用完,摄像头就没有信号传回来了。

更重要的是,第三级火箭没有自身的全向稳定系统,在燃料用完后,它自身的姿态保持和调整能力就失去了。除非给它附带安装一套陀螺和全向姿态调整喷射系统,那么,它的复杂程度就和有效载荷一样了。

这从成本和技术复杂程度上讲,都是不现实的。真这么做,它也就成了一颗卫星,而不是仅仅是火箭。实际上,这也完全没有必要。

第三级火箭和嫦娥脱离后,它迅速低头俯仰,拍摄了地球大面积的画面,恰恰说明火箭没有额外的姿态控制系统。它的迅速低头和很快又抬头,很明显完全是自身自由的翻滚造成的。

这也是其歪打正着,为电视观众拍摄了难得的画面的原因。

“玉兔”号月球车

而看看嫦娥探测器本身,她和火箭脱离后,就立即唤醒自身的陀螺定位,喷射调姿,始终姿态不变。这就直观的体现了有效载荷和废弃的火箭的区别。

更为关键的是,已经完成任务的第三级火箭,并不是立即坠落,或者按照圆形轨道围绕地球运行。根据牛顿力学定律,第三级火箭一次就把嫦娥送入远地点达到30万公里高度以上的地月转移轨道,那么,第三级火箭会和嫦娥三号相距不远,继续结伴往高处飞的很高。

不敢说,第三级火箭也能和嫦娥一起越过地月引力平衡点。但至少,第三级火箭此后的轨道,是个非常狭长的椭圆,远地点可以接近30万公里,而近地点只有200公里左右。这种狭长的椭圆轨道,能让第三级火箭的残骸在空间运行好多年,而不至于很快坠落地球。

由于第三级火箭上既没有电池帆板,也没有姿态调整系统。这种残骸,没电后就没有什么用,今后就是太空垃圾。想把它废物利用当轨道轰炸器,甚至用来当反卫星,都是不可能的。真要这么做,成本就高了,还不如直接发射相关卫星。

我们可以继续从飞控制中心的大屏幕上看到,嫦娥和第三级火箭脱离后,她的飞行轨迹在地球表面的投影和神舟等普通低轨道卫星、飞船有很大的不同:

发射神舟飞船时,我国的远望测量船队,要部署到西太平洋一两条,南太平洋一两条,大西洋甚至印度洋都要部署。这是因为神舟飞船的轨道高度只有350多公里,基本是以近似圆形轨道围绕地球运行,一个半小时(90多分钟)就要绕地球一周。所以要在三大洋上的关键点都部署远望号,加上陆地固定测控网,组成测控体系。

而发射嫦娥就很不同,三条远望都部署在太平洋的西半部,而东南太平洋、大西洋和印度洋都没有部署,而且南美的地面测控站也在测控的范围,几乎大到了半个地球的范围。

““大”的有点特别,为什么? ”

奥秘就在于:嫦娥探测器发射后,一次就直接奔月。轨道高度高,且不需要绕地球一圈或者多圈后才加速。

嫦娥和第三级火箭分离后,离开地面已经一万公里以上,她主要靠惯性继续向上飞,而不是绕地球飞为主。那么,其在地球上的轨道投影,向南美方向进展的很慢。这时候,嫦娥对于地球的相对速度,仍然有每秒钟7000米左右,从大屏幕一角可以实时显示。

嫦娥探测器继续往上飞,她相对于地球的速度,其实是越来越慢。但高度越来越高,就和我们往天上大体垂直抛出的石块的上升段差不多——往上飞的很高,但在地面的投影却前进的不多。这也是为什么没有必要在东南太平洋和大西洋部署远望号测量船的原因。

同时由于嫦娥高度越来越高,几个小时后高度超过十万公里。在南美洲一个地面测量站,就能在很长时间段内直接测控嫦娥了。这也是南美一个地面站能测控的范围,几乎有半个地球的原因。

玉兔号月球车开展月面巡视探测

当嫦娥上升到离开地球30万公里以上,接近地月引力的平衡点,她相对于地球的速度,已经下降到了每秒三公里左右。即使这样,越过地月引力平衡点以后,为了让月球引力抓住嫦娥,嫦娥仍然要开发动机,反向减速,让自己的速度下降到每秒2.3公里的月球逃逸速度以下,自然进入绕月椭圆轨道,再逐步减速到100公里稳定圆形绕月轨道。否则,探测器将直接飞过月球不知踪影,甚至和嫦娥2号一样成为一颗人造小行星。那么,软着陆的任务就没法完成了。

要完成月球取样的任务,就必须发射长征5号大推力运载火箭,今年将在海南文昌发射中心进行首射。而这几天,单个五百吨推力的超大液体火箭发动机的燃料泵系统实验成功,这就是为长征9号超级大火箭配备的御用动力系统。

中国航天,今后将有更多震撼世界的成就,让我们拭目以待!

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