不吹不黑,月球背面降落難,還是月球南極降落難?:當(dāng)然是背面了,但是正所謂會(huì)者不難,難者不會(huì),咱們探月是腳踏實(shí)地走出來(lái)的,每邁出一步都是堅(jiān)定踏實(shí)的,美蘇
當(dāng)然是背面了,但是正所謂會(huì)者不難,難者不會(huì),咱們探月是腳踏實(shí)地走出來(lái)的,每邁出一步都是堅(jiān)定踏實(shí)的,美蘇當(dāng)初往月球發(fā)射了多少探測(cè)器才有今天的成就啊,咱們每發(fā)射一次都是巨大的進(jìn)步,每個(gè)步驟最多兩次,因?yàn)橛袀浞菪,不用就浪費(fèi)了,即便如此,也得順便驗(yàn)證下一階段的技術(shù),這點(diǎn)真的很佩服中國(guó)航天人啊,咱們得探測(cè)器著陸技術(shù),放眼世界,現(xiàn)在也是頂級(jí)的了,憑借后發(fā)技術(shù)優(yōu)勢(shì),我們實(shí)現(xiàn)了著陸器通過(guò)智能化自主著陸技術(shù),也就是因?yàn)樵碌鼐嚯x是2光秒,無(wú)線信號(hào)是大于2秒的延遲的,如果地面遙控,會(huì)有時(shí)間誤差,增加著陸精度和難度,而自主著陸是通過(guò)著陸器自身所帶的傳感器,實(shí)時(shí)觀察月面情況,根據(jù)數(shù)據(jù)反饋選擇合適登陸點(diǎn),再加上咱們得變推力發(fā)動(dòng)機(jī)給力,還有那個(gè)用于月背的中繼衛(wèi)星的幫助,即便是月背著陸,我們都感覺(jué)是那么的可靠踏實(shí),因?yàn)槟闼械臏?zhǔn)備工作都充分了,成功幾率肯定很高了,印度的失敗不能說(shuō)明印度不行了,只能證明中國(guó)科技人員,技術(shù)基礎(chǔ)和組織能力目前來(lái)說(shuō)更加優(yōu)秀。
不吹不黑,月球背面降落難,還是月球南極降落難?
其實(shí)先給出答案,單純從月面降落這個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)說(shuō)明的話,無(wú)論在月球哪個(gè)角落降落,難度都一樣的,但整體工程實(shí)施難度上卻天差地別,區(qū)別在哪里?測(cè)控需求!
很多朋友都以火星降落為月面降落參考,其實(shí)兩者沒(méi)有可比性,即使在重返大氣層降落仍然非常困難,我們大致來(lái)解釋下這個(gè)過(guò)程。
1、穿過(guò)大氣層下降
穿過(guò)大氣層下降因?yàn)橛写髿鈩?dòng)力減速,因此不需要全程動(dòng)力減速下降,但會(huì)遇到兩個(gè)難題:
大家的理解一般都是大氣與飛行器表面摩擦高溫,其實(shí)完全不是這樣,是超音速激波加熱才是這個(gè)高溫的真正關(guān)鍵,當(dāng)然不管這高溫來(lái)自哪里,我們都必須要解決這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于重返大氣層的返回式飛行器來(lái)說(shuō)有兩個(gè)方式來(lái)解決:
前者會(huì)在大氣層氣動(dòng)作用下維持一個(gè)方向下降,比如中國(guó)份額神舟系列飛船,還有美國(guó)的阿波羅飛船以及新的獵戶座飛船,三種結(jié)構(gòu)各有區(qū)別,但在大氣層內(nèi)會(huì)在氣動(dòng)作用下自穩(wěn)定。
后者抗燒蝕外殼則更重要,因?yàn)榉(wěn)定后前進(jìn)方向的那一面會(huì)遭受數(shù)千度高溫的侵襲,高強(qiáng)度,耐高溫的大底是必須要跨過(guò)去的難關(guān)。
最后闖過(guò)燒蝕難關(guān)的還要降落傘減速,很多朋友會(huì)將這個(gè)過(guò)程忽略,其實(shí)高速開(kāi)傘風(fēng)險(xiǎn)很高,特別是大氣稀薄的條件下超音速開(kāi)傘尤其高難度,在火星大氣層內(nèi)降落時(shí),由于火星大氣壓只有地球1%,燒蝕問(wèn)題不會(huì)很?chē)?yán)重,但超音速開(kāi)傘條件簡(jiǎn)直就喪心病狂。
2、無(wú)大氣層全程動(dòng)力下降
無(wú)大氣層月面降落時(shí)沒(méi)有氣動(dòng)加熱與開(kāi)傘問(wèn)題,但全程動(dòng)力減速下降,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)要求極高,而且每個(gè)階段的發(fā)動(dòng)機(jī)推力是不一樣的,因此我們的嫦娥三號(hào)四號(hào)計(jì)劃中有一個(gè)7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)突破的重大新聞,可見(jiàn)能精確控制推力的發(fā)動(dòng)機(jī)在月面下降過(guò)程中的重要性。
3、總結(jié)下有大氣層和無(wú)大氣層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)區(qū)別
前者必須有優(yōu)秀的啟動(dòng)外形,而后者比如月面登錄的著陸器,形狀五花八門(mén),只要有足夠的動(dòng)力,能維持平衡,是什么外形沒(méi)有任何關(guān)系。
能穩(wěn)穩(wěn)的降下去,離不開(kāi)星載系統(tǒng)的自動(dòng)控制,當(dāng)然無(wú)論AI多只智能,也不如人在回路中干預(yù),因此月面從開(kāi)始下降到落月完成這個(gè)時(shí)間中,有很多需要地面測(cè)控中心參與的控制,當(dāng)然現(xiàn)在這種控制越來(lái)越少了。
月面測(cè)控
成功通過(guò)下降階段著陸以后,著陸器的通訊一般是直接和地面中心展開(kāi),當(dāng)然特殊情況也可以通過(guò)軌道器來(lái)中繼,但軌道器在月球軌道上是運(yùn)動(dòng)的,有遠(yuǎn)及近,由近及遠(yuǎn),而且有些軌道還不適合與地面通訊,因此在正面登陸時(shí)除非特殊,否則不會(huì)由軌道器中轉(zhuǎn)。
但月球背面通訊就完全不一樣了,著陸器本身不能和地球直接通訊,軌道器通訊斷斷續(xù)續(xù),那么只能認(rèn)為制造一個(gè)中繼通訊點(diǎn),而嫦娥四號(hào)的中繼通訊點(diǎn)就在月球和地球連線的延長(zhǎng)線距離月面約6.5萬(wàn)千米的拉格朗日點(diǎn)上,這個(gè)位置的繞行可以同時(shí)看到地球和月球背面,因此這個(gè)點(diǎn)的通訊中繼位置是絕佳的。
但這會(huì)額外增加一個(gè)中繼衛(wèi)星的成本,而且整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜程度會(huì)成倍增加,各個(gè)技術(shù)難點(diǎn)甚至?xí)侠壅麄(gè)工程的進(jìn)度,因此當(dāng)去年2018年5月份發(fā)射的鵲橋成功入軌時(shí)大家一片歡呼,因?yàn)檫@保證了未來(lái)的嫦娥四號(hào)著陸通信任務(wù)順利展開(kāi)。
火星測(cè)控
火星任務(wù)的通訊保障有幾個(gè)方面,與月面相反,火星一直在自轉(zhuǎn)中,因此登陸火星時(shí)或者登陸火星后都有可能斷斷續(xù)續(xù),因?yàn)槭艿交鹦堑恼趽,因此在洞察者登陸火星時(shí)有兩顆小衛(wèi)星在火星軌道上執(zhí)行中繼通訊任務(wù)。
伊娃”和“瓦力”提供了洞察號(hào)降落時(shí)的信號(hào)中轉(zhuǎn)服務(wù)
另外還有一個(gè)不得不考慮的問(wèn)題,就是火星與地球之間的通訊延遲,這可能比中繼更令人煎熬,火星與地球之間的距離是動(dòng)態(tài)的,最近是大約5500萬(wàn)千米,單程需要2分半鐘多一點(diǎn),來(lái)回需要5分鐘,最遠(yuǎn)是4億千米,通訊延遲單程十幾分鐘,因此火星任務(wù)的不確定性因素更多,因?yàn)檫@十幾分鐘內(nèi)什么事情都可能發(fā)生,而我們沒(méi)有任何處理方式,因?yàn)閭魉湍闾幚淼闹噶钸在路上。
因此我們客觀的分析下登陸月球南極與背面的難度,技術(shù)上其實(shí)沒(méi)啥差別,但通訊保障上直接秒殺大部分玩家,這個(gè)技術(shù)相信美國(guó)是有的,歐空局可能也有,但他們都沒(méi)有實(shí)施過(guò),有技術(shù)不一定代表能成功實(shí)施,比如印度的月船二號(hào)著陸器登月失敗,相信印度是有技術(shù)的,但能不能成功實(shí)施則是另一回事情,這不止是技術(shù)那么簡(jiǎn)單,整個(gè)登月工程的統(tǒng)籌控制與實(shí)施能力更重要,這才是一個(gè)團(tuán)隊(duì)成熟的表現(xiàn)。
背面難,月球是不會(huì)自轉(zhuǎn)的,正面始終面對(duì)地球,地球上就能用望遠(yuǎn)鏡等儀器觀測(cè)到,在地球上大致就能定下著陸地點(diǎn)而且還能直接遙控登月。但月球背面就不同了,究竟是個(gè)什么狀況就需要有繞月飛行器先進(jìn)行盡可能的探測(cè),但由于不夠直觀,軟著陸時(shí)還需要設(shè)定著陸器能隨機(jī)應(yīng)變,并且遙控登月和登月成功后傳回?cái)?shù)據(jù)時(shí)信號(hào)會(huì)被月球本身阻隔,因此還得先發(fā)射一個(gè)鵲橋中繼衛(wèi)星。無(wú)論是難度還是耗費(fèi)的金錢(qián)都跟正面登月不是同一個(gè)檔次的。
在今年年初,我國(guó)的嫦娥四號(hào)探測(cè)器成功在月球背面實(shí)現(xiàn)軟著陸,成為人類(lèi)史上的首次。而在本月初,印度的月船2號(hào)試圖成為第一個(gè)在月球南極進(jìn)行軟著陸的探測(cè)器,但它在著陸前失聯(lián),不受控制地掉到月球上。不管怎樣,從技術(shù)角度來(lái)看,登陸月球背面和月球南極哪個(gè)更難呢?
無(wú)論是難度,還是任務(wù)的完成度,顯然都是我國(guó)更勝一籌。雖然月球南極的登陸難度要比月球中部區(qū)域更加困難,但月船2號(hào)著陸器選擇登陸的地點(diǎn)是在月球正面,而非更難登陸的月球背面。那么,為什么說(shuō)月球背面會(huì)更加難以登陸呢?
這與月球的特殊運(yùn)動(dòng)方式有關(guān)。數(shù)十億年來(lái),地球引力持續(xù)對(duì)月球施加了潮汐力的作用,這導(dǎo)致月球的自轉(zhuǎn)速度越來(lái)越慢,自轉(zhuǎn)周期越來(lái)越長(zhǎng)。最終,月球的自轉(zhuǎn)周期變得與月球繞地球的公轉(zhuǎn)周期完全一致,月球相對(duì)于地球被潮汐鎖定。在這種情況下,月球背面會(huì)始終背對(duì)地球,而月球正面會(huì)始終面對(duì)地球。
由于潮汐鎖定現(xiàn)象,如果探測(cè)器要登陸月球背面,它將無(wú)法與地球上的控制中心取得聯(lián)系,因?yàn)闊o(wú)線電信號(hào)會(huì)被月球所阻擋。為了解決這個(gè)問(wèn)題,我國(guó)在發(fā)射嫦娥四號(hào)之前,先發(fā)射了鵲橋號(hào)中繼衛(wèi)星,它飛到地月系統(tǒng)的第二拉格朗日點(diǎn)的暈軌道上。
地月系統(tǒng)的第二拉格朗日點(diǎn)位于地月連線的月球外側(cè)上,與月球相距6.5萬(wàn)公里。這是地月系統(tǒng)的引力平衡點(diǎn),在這里運(yùn)行的衛(wèi)星能夠與地球和月球的相對(duì)位置保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。鵲橋號(hào)在此運(yùn)行,信號(hào)經(jīng)由它傳輸不會(huì)被月球阻擋,這樣就能實(shí)現(xiàn)月球背面和地球的通信。
而在月球正面登陸,即便是在靠近南極的區(qū)域,也無(wú)需中繼衛(wèi)星,地球上的控制中心可以直接對(duì)探測(cè)器進(jìn)行遙控。僅從這方面來(lái)看,在月球背面軟著陸要比在月球南極登陸困難很多。正因?yàn)槿绱,?dāng)年阿波羅登月飛船6次著陸月球,登陸點(diǎn)都是在月球正面。
另外,在測(cè)控方面,我國(guó)都是依靠自己的技術(shù)。而印度的測(cè)控則是得到了美國(guó)宇航局(NASA)的幫助,NASA的深空網(wǎng)絡(luò)(DSN)為月船2號(hào)保駕護(hù)航。
最為關(guān)鍵的是,我國(guó)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了月球背面的軟著陸。在此之前,我國(guó)的嫦娥三號(hào)還成功登陸過(guò)月球正面。迄今為止,我國(guó)探測(cè)器登陸月球的成功率是100%。而在人類(lèi)航天史上,只有38次成功實(shí)現(xiàn)了月球軟著陸任務(wù),成功率為52%。
給出結(jié)論的話:應(yīng)該是月球背面更難!
我們要了解一下,月球與地球之前的潮汐鎖定。這是指大天體的引力迫使離他近繞它公轉(zhuǎn)的小天體永遠(yuǎn)用一面對(duì)著它。
雖然從大天體的角度看起來(lái)它是不轉(zhuǎn)的,但是從宇宙空間的角度來(lái)看,這個(gè)小天體仍然是自轉(zhuǎn)的,只不過(guò)自轉(zhuǎn)的周期和它繞大天體公轉(zhuǎn)的周期是一樣的(都是27天7小時(shí)43分11.47秒)。
所以人類(lèi)在地球上是永遠(yuǎn)無(wú)法觀察到月球的背面的。大約60年前,前蘇聯(lián)的月球3號(hào)探測(cè)器傳回了第一張?jiān)虑虮趁娴挠跋瘛4蠹s50年前,美國(guó)阿波羅8號(hào)的3位宇航員在環(huán)月飛行時(shí),成為最先親眼看見(jiàn)月球背面的人類(lèi)。
不過(guò)所有的阿波羅載人任務(wù)、甚至蘇聯(lián)和美國(guó)的其他無(wú)人著陸月球任務(wù)都集中在月球正面,對(duì)這里人類(lèi)已經(jīng)了解得非常多。
月球背面登陸最大的難度在于沒(méi)有信號(hào),以及月球背面隕石坑密布、地形和高程圖異常復(fù)雜,對(duì)各種配合著陸傳感器的系統(tǒng)要求很高。再有就是時(shí)機(jī)很重要。
月球被潮汐鎖定,自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)相同,導(dǎo)致它的一天就是一年,一半是黑夜一半是白天。換做地球時(shí)間就是近14天交替的白天黑夜,因?yàn)槟芰吭词翘?yáng)能,必須要等到白天才能進(jìn)入。
嫦娥四號(hào)都是先布置一顆信號(hào)中繼衛(wèi)星,為著陸器做準(zhǔn)備和全程信號(hào)支持。然后整整等待了四天才著陸,而登陸時(shí)進(jìn)入了一個(gè)幾乎要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離垂直下降過(guò)程,期間完成避障、懸停、精避障、緩速降落全過(guò)程,難度極大。這么一個(gè)復(fù)雜的“走位”,對(duì)自主導(dǎo)航制導(dǎo)與控制要求極高。
另外,月球背面登陸的科研價(jià)值也更高,因?yàn)槌随隙鹚奶?hào)之外還沒(méi)有其他航天器還沒(méi)有登陸過(guò),資料很少。
而南極就在正面,不要因?yàn)樗墙心蠘O,就認(rèn)為它更有難度。
所以總體來(lái)說(shuō),月球背面登陸難度更大、科研價(jià)值更高!
當(dāng)然是著陸月背的難度大!
月球南極降落更難。
前面幾個(gè)答案都強(qiáng)調(diào)了月背通信困難,因此月背著陸探測(cè)高度依賴地月第二拉格朗日點(diǎn)的中繼衛(wèi)星。
但事實(shí)上,在月球南極著陸也面臨類(lèi)似的問(wèn)題,甚至面臨的問(wèn)題更難解決。
首先,來(lái)看看嫦娥四號(hào)任務(wù)的著陸過(guò)程,由于信號(hào)時(shí)延問(wèn)題,整個(gè)著陸過(guò)程實(shí)際上是探測(cè)器自主完成的,鵲橋的信號(hào)中繼并沒(méi)有指揮著陸器的行動(dòng)。嫦娥四號(hào)著陸器只要在預(yù)定區(qū)域找到一片合適的著陸場(chǎng)就可以自主著陸了,這個(gè)過(guò)程地球和鵲橋都幫不了多少忙。然而只要看過(guò)月面圖就知道,月球南極地區(qū)密布著大大小小的環(huán)形山,根本不像月背和月球正面那樣有較大的撞擊坑或者月海,找一片合適著陸場(chǎng)的難度要大得多。(印度月船二號(hào)的預(yù)定著陸位置離南極還遠(yuǎn)著呢,也就他們好意思把那片當(dāng)成南極附近勘探)
其次,在月球南極附近,即便在面向地球一側(cè),地球的月平高度也很低,基本靠著月平線了,結(jié)合南極附近的地形,地球很容易被高地和山脈遮擋,這方面南極的通信條件并不比月背好多少,甚至更糟。為什么說(shuō)更糟呢?這要從地月第二拉格朗日點(diǎn)說(shuō)起,鵲橋就部署在地月第二拉格朗日點(diǎn)附近的暈軌道上,由于月球被地球潮汐鎖定,在月面上看地月拉格朗日點(diǎn),基本上相對(duì)月表是靜止不動(dòng)的,衛(wèi)星部署在暈軌道上基本就是在天上繞著一個(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)圈圈,對(duì)于月背上中低緯度、靠近月背中央經(jīng)線附近區(qū)域的探測(cè)器來(lái)說(shuō),任何時(shí)候很容易聯(lián)系上幾乎就在頭頂?shù)闹欣^衛(wèi)星。而對(duì)兩極區(qū)域和靠近正背面交界的區(qū)域,中繼衛(wèi)星的月平高度角迅速變小,也很容易被山脈遮擋。這就決定了,南極附近探測(cè)的中繼衛(wèi)星需要運(yùn)行在類(lèi)似地球上閃電衛(wèi)星軌道或者極軌衛(wèi)星軌道上,而且還只能在指定時(shí)段進(jìn)行通信,無(wú)法全時(shí)段通信。
最后,是能源問(wèn)題,月球兩極附近高度角低的不僅是地球和中繼衛(wèi)星,還有太陽(yáng),南極探測(cè)的最高價(jià)值目標(biāo)就是永夜區(qū)的水冰,探測(cè)器將面臨更加嚴(yán)苛的溫控以及用電難題。
綜上,月球南極探測(cè)非常困難,短時(shí)間內(nèi)各國(guó)都沒(méi)有挑戰(zhàn)緯度超過(guò)70°的兩極地區(qū)的計(jì)劃,即便打著探測(cè)南極的旗號(hào),也會(huì)選擇小于70°的中高緯度地區(qū)進(jìn)行,未來(lái)的南極探測(cè)很可能會(huì)選擇通過(guò)攜帶補(bǔ)給的月球車(chē)巡視器完成。
我們?nèi)ピ虑,最大的?wèn)題就是運(yùn)里不夠,其實(shí)我們可以分開(kāi)發(fā)射,在太空組件,就好像一個(gè)人背不動(dòng)的東西,我們把它拆分了,三四個(gè)人背,到目的地以后再組裝起來(lái),這樣的話,我們可以在太空組裝,比土星五號(hào),大十倍的火箭,就是去火星,也可以像小孩子過(guò)家家一樣簡(jiǎn)單,我們?nèi)ピ虑,可以?到4個(gè)火箭,發(fā)射一批物資到月球軌道,在軌道上等待返回艙,從月球返回到月球軌道,在月球軌道等待的火箭,在月球軌道對(duì)接返回艙,然后返回運(yùn)費(fèi),火箭回到地球,在返回的路上,還可以多發(fā)射一個(gè)火箭,讓返回艙反推軸路慢慢返回,到時(shí)候我們的返回艙就不會(huì)燒得黑黑的了
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