每个领域都有自己的一套专业术语,有时候有些术语听起来很厉害,实际上确实有着丰富的内涵。以航天领域来说,很多听起来高大上的专业术语实际上确实代表了人类最顶尖的技术,比如霍曼转移轨道、离子电推进、空气刹车,这些术语都出现在火星探测计划中。那么接下来,我将重点介绍霍曼转移轨道、离子电推进、空气刹车这 3 个专业术语。
(1)霍曼转移轨道
人类之所以能够进行载人航天,或者是进行这种行星际,甚至是未来跨星际的航天探索,一个很重要的原因在于地球无与伦比的环境,这让我们容易脱离地球的引力影响,也容易脱离太阳引力的影响,所以说咱们现在假设我们已经逃离了地球,那么下一步我们该如何设计星际旅行的路线呢?
比方说如何前往火星,首先我要纠正大家一个观点,这也是很多影视剧,还有很多各种各样的画简图的这么一个经常出现的错误,就是像飞船突然间一起飞,然后人类好像笔直的一条线就直达地点。
但是事实上这个是不可能的,因为如果你要笔直的飞,这个能量的需求远远的超过了人类的能力,甚至是那些夸张的光速飞船,可能我还是个科普工作者,但是这些东西真的只能是科幻,人类的技术是完全不可能的。
因为你一旦逃离了地球,你就开始面对太阳,一旦你逃离了太阳,你开始面对银河系,逃出了银河系,我们还有各种各样的星团,他们都是有质量的,有质量的都会对你有作用力。
那么这就要提到我们伟大的科学家开普勒,开普勒最经典的一个理论,就是说,所有的航天器或者是他当时用的是天体,运动的轨迹都是椭圆,只不过我们有时候会说,这个卫星是一个圆形轨迹,但是园本身也是一种椭圆,只不过它的偏心率为零而已。
那么也就意味着我们在前往火星的路上也要遵循着一个椭圆的轨迹,轨道科学家们就必须想办法设计出最优的方案。
1925 年有一个伟大的科学家,他叫做沃尔特·霍曼,他是一位博士,他给出了这种星际旅行间的最佳解决方案。当然这种方案也被人叫做霍曼转移轨道。
霍曼转移轨道的思路大概是这样,我就以地球前往火星为例了,我们在地球和火星环绕太阳运动的轨道之间选择一条椭圆的路线,因为地球和火星都是在环绕太阳做一个椭圆运动的。
那么这一条从地球到火星的轨迹,它是跟地球的轨迹外切,跟火星运动的轨迹内切,那么这个交点呢就是太阳。
其实大家可以简单的想一想,中学几何里,里面一个圆,外面一个圆,然后画一条弧,跟里面的圆切一下,跟外面的圆切一下,这个就是我们提到的霍曼转移轨道,这样是不是简单一些?
那么这条椭圆的轨迹再从地球出发的时候,它是近日点,近日点的时候航天器的速度都会达到最大,也就是最大的需求,大概是 32.7 千米每秒。
在火星附近的时候也就是跟火星相遇的时候,这个轨迹的速度是最低的,因为毕竟太阳的影响,太阳会不断地用引力去拽它,这个速度是最小的,大概是 21.5 千米每秒,21.5 其实是比火星本身环绕太阳运动的速度要低一些的,因为火星大概是 24 千米每秒围绕着太阳运动,所以我们到了火星附近之后我们还需要加速,这样话才能赶上火星。
所以霍曼转移简单在于我们只需要大概两步,当然我是简化了中间的小步骤咱就不说了,第一步逃离地球的时候使劲加速,达到了这个椭圆轨迹在近日点的这个需求。
第二步到了远日点的时候,再加速一次,这个加速,就是我们要赶上火星,主要的加速大概就这么两次,那么可以大大的降低宝贵燃料消耗。
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