[中配]如何實現SpaceX在火星著陸

SpaceX星際飛船目前是人類在你有生之年踏上火星的最佳希望 使星際飛船如此適合這項任務的特性 當然是它強大的動力 毫無疑問,未來的星際飛船將具備足夠的動力 能夠將成員和大量物資送往火星 上去是一回事兒 但在火星表面如何返回呢? 我們談的是整個旅程中最複雜的操作,關鍵時刻 而要搞明白這一切涉及的內容遠比你想象的要複雜得多 這就是SpaceX星際飛船如何在火星着陸的方式 我們現在要明確 我們並非都是火箭科學家或物理學家 我絕對不是這兩種人 但幸運的是,我們並不需要成爲天才就能理解 星際旅行背後的基本原理 所以我們會把這一切保持在一個非常易於理解的層次 在談論如何在火星着陸之前 我們需要先了解星際飛船是如何到達那裏的人 我們在太空旅行中始終要記住的一點是 一切都在運動,在太陽系的背景下 一切都繞着太陽運動 我們目前被困在太陽的引力井中 而唯一阻止我們進一步下沉的 就是地球的軌道速度約爲30公里每秒 這就是我們目前圍繞一顆恆星 以大圓圈運動的速度完成這一週需要365天 火星離太陽比地球更遠 這意味着它並沒有像我們一樣深入引力井 因此火星可以以較慢的軌道速度運行 而不會陷入引力井中 所以火星繞太陽的軌道速度大約是每秒24公里 現在如果我們想乘坐宇宙飛船離開地球探索行星 我們將成爲另一個在太陽引力井中旋轉的物體 就像地球一樣 如果我們減緩軌道速度 就會開始墜入那個引力井中 這將改變我們的軌道使其朝向類似金星的內行星的 同樣的原理 如果我們的飛船開始比地球移動的更快 我們將上升出引力井 使我們的軌道朝向外行星 比如火星 因此在太陽系中旅行就是關於相對於起始點改變速度 我們用來描述這個的技術術語是Delta V 其中Delta表示變化 V表示速度 我們通常以每秒公里來衡量Delta V 因此如果地球以每秒30公里的速度移動 而你加速你的宇宙飛船達到每秒31公里 你的Delta V就是1 按照同樣的標準 如果你相對於地球減速 速度爲每秒29公里 你的Delta V同樣是1 然而如果你以每秒1公里的速度從地球表面發射 你並不會開始在太陽系中上升 你無法離開地球表面 因爲重力和大氣阻力在拉扯着你 這些自然力量將影響操控宇宙飛船所需的Delta V量 這就是爲什麼從地球表面到外層空間如此困難的原因 達到典型的低地球軌道所需的Delta V 大約是9.4公里每秒 這需要很大的加速度 這就是爲什麼我們的星際飛船在發射時 需要超級重型助推器的強大動力 這也是星際飛船需要在地球軌道停下來加油的原因 因爲我們將需要更多的Delta V來完成這段旅程 爲了改變速度我們需要推進力 而推進力需要燃料 在軌道上加油的好處是它重置了我們的起始點 從這裏我們只需再增加9.5公里每秒的增量速度 就能到達火星表面 所以基本上就相當於逃離地球大氣層所需的變化 但我們在下一階段旅程中的方法會有很大不同 因爲逃離地球主要是加速 而在火星着陸則需要大量減速 而這同樣是個難以實現的過程 一艘在低地球軌道上加滿燃料的星際飛船 預計能夠提供6到7公里每秒的Delta V Thrust 這顯然還是低於我們到達火星所需的9.5公里每秒 但這沒關係 因爲使我們逃離地球大氣層時如此困難的重力和空氣阻力 在我們進場着陸時將有助於我們 從而有效地提高我們的星際飛船的Delta V潛力 那麼事情將會是這樣的 好的,我們現在在地球軌道上 但即使在離地表幾百公里的高度 我們仍然深陷在地球的引力井中 目前唯一讓我們保持直立的就是速度 如果星際飛船稍微減速 就會開始向地球墜落 按照同樣的推理 如果我們反方向加速 那麼我們將繼續向太空上升 因爲我們離地球仍然如此之近 所以我們需要大量的Delta V來對抗重力 這艘飛船需要加速2.44公里每秒 才能達到地球靜止軌道的高度 再加0.68可以達到月球的高度 在這裏我們終於來到了地球引力井的邊緣 引力是無限的 但隨着距離的增加 吸引力迅速減弱 現在我們只需要再增加0.9公里每秒的速度 就能完全擺脫地球的影響 從這裏開始漂浮在遠超月球的太空真空中 我們只需要每秒0.39米的增量速度 來實現從地球到火星的轉移速度 這段旅程的第二階段消耗了3.6公里每秒的Delta V 這至少佔據了我們星際飛船潛在能量的一半 甚至更多 這意味着我們剩下的燃料 不足以僅憑引擎成功着陸火星 而現在出現了我們需要解決的問題 我們爲了逃離地球的大氣層和引力井所獲取的所有速度 使我們以比地球快得多的速度圍繞太陽運行 而地球本身的速度已經達到每秒30公里 另一方面火星的公轉速度僅爲每秒24公里 所以我們比目標行星的速度快得多 這意味着我們將會超過火星 最終卡在小行星帶的某個地方 除非我們開始減速 經過幾個月在太空真空中的漂流 我們需要執行第一次減速燃燒 再將星際飛船調轉方向 並讓猛禽發動機恢復速度後 我們需要降低0.67公里每秒的速度 以便進入火星的引力井 這是即將開始的一段非常艱難旅程的第一步 如果我們再消耗0.34公里每秒的速度 就會到達外側衛星德莫斯的高度 再提供0.4公里每秒的增量速度 我們就可以到達內月火衛 事情在這裏變得非常棘手 通過減速這麼多 我們已經消耗了超過5公里每秒的燃料潛在增量 這使得我們剩下1到2公里每秒 但我們至少還需要4.5公里每秒的增量 才能安全到達地面 理論上只要我們在使用最後一點燃料時 非常具有戰略性 這是仍然可能的 而且重要的是要記住 從現在開始的一切都是純屬推測 這是我們對最具物流可行性的火星着陸的解讀 如果我們希望爲着陸時的燃燒保留儘可能多的燃料 那麼我們需要利用一些外部力量 來降低飛船的速度至合理水平 進入一個圓形的低火星軌道 會消耗掉我們大部分剩餘的燃料 所以我們可能不應該這樣做 在這種情況下 讓飛船進入橢圓軌道可能更爲合適 所以我們不是在一個圓圈裏飛行 而是以一種橢圓形的軌跡移動 近地點靠近星球 而遠地點則深入太空 通過這種機動 我們可以開始利用空氣動力阻力和火星重力 來幫助我們減速 火星的大氣仍然很稀薄 但我們會利用一切能得到的幫助 我們可以將軌道的近地點降低到飛船實際上 進入行星上層大氣的高度 通過非常小心的進行這一操作 我們實際上可以利用一些大氣阻力 並在被彈回到遠地點之前 損失一小部分速度 如果我們做到這一點 火星的引力將把我們拉回來重複這個過程 每次我們進入大氣層時 都會獲得一點寶貴的增量速度 從而讓我們更接近實現安全着陸所需的速度 但我們無法無限期的繼續這個機動 最終我們需要從一個輕微的下潛 過渡到完全穿越火星大氣層的深潛 實際上要實現火星的着陸軌跡是相當困難的 因爲火星的大小隻有地球的一半左右 這意味着要降低到天空以下所需的公角相當陡峭 這意味着你需要大量的能量將飛行器向下推 以防止它彈起並重新飛回太空 我們希望將引擎的使用留到最後一刻 因此將船隻推向大氣層更深處的力量需要來自其他地方 這就是爲什麼2016年SpaceX原始設計的星際運輸系統 在上級階段採用了氣動升力體 星際飛船比ITX小得多 所以它不需要那麼多的氣動力 但方法論基本上還是一樣的 在最終接近時 星際飛船實際上會翻轉過來倒立進入大氣層 所以這是肚子和尾巴朝上鼻子朝下的姿勢 這樣機體產生的升力將使飛行器以更陡的角度推向地面 從而實現進入 我們還會因爲空氣阻力而開始失去很多速度 一旦公角確定星際飛船將會翻轉 採用我們在地球上看到的更傳統的腹部下沉機動 這完全是關於製造儘可能大的空氣阻力來降低速度 但這種力量能達到的效果是有限的 自由落體的最大速度是我們所稱的終端速度 想象一下你跳進了一個無底洞 當你下落時 你的身體會加速直到有一個特定的點 此時你身體的阻力和浮力與重力相等 你的速度將保持不變 我們通過使用降落傘來繞過終端速度的限制 這大大增加了阻力並降低了我們的終端速度 星際飛船不會使用降落傘 因此會有一個時刻飛行器的空氣阻力已經發揮到極限 我們達到了末速度 由於火星的氣氛稀薄 終端速度大約是地球的五倍 換句話說 這意味着在火星上採用腹部俯衝的方式所獲得的Delta V 只有地球上星際飛船已實現的五分之一 這意味着在火星着陸所需的發動機功率將比在地球上更大 這就是爲什麼燃料在這裏如此重要 假設到目前爲止一切都順利進行 星際飛船的發動機會最後一次點火 並將尾部翻轉朝向地面 此時火箭鉗制油箱中的燃料將提供足夠的Delta V 使我們的飛船與火星表面完美對接 輕柔着陸 現在這裏有很多事情必須正確進行 而且沒有任何錯誤的餘地 你要麼考試得100分 要麼就完蛋了 因此瞭解這些後 我們可以意識到在像星際飛船這樣的大型飛行器上 着陸火星將是極其困難的 對於NASA來說 登陸火星的小型輕型飛行器要容易得多 因爲燃料的潛在Delta V是由飛行器的質量和引擎的效率決定的 因此一磅燃料對於輕型飛船所帶來的速度變化 要大於對於重型飛船的變化 而我們能帶到火星的燃料量是有限的 如果星際飛船更輕 那麼在火星上着陸會容易得多 但SpaceX需要它足夠巨大 以實現埃隆馬斯克設定的目標 即在火星上建設一個擁有一百萬人口的自給自足的城市 SpaceX正在努力提高星際飛船的增量速度 他們想讓星際飛船V2更長增大燃料箱 同時減輕重量並添加三個額外的Raptor真空發動機 第三版的猛禽發動機目前正在設計中 預計將提供更高的效率 從而擁有更多的Delta V潛力 現在還有其他更長期的解決方案 記得火星的外層衛星德摩斯嗎? 從近地軌道移動到德摩斯軌道所需的速度變化量 大約只有5.3公里每秒 這要容易得多 想象一下 如果你能在德摩斯的軌道上建立一個前哨站或火星門戶 現在我們有潛力爲飛船加油 使它能夠以足夠的Delta V完成旅程中最困難的部分 這爲你提供了一個誤差範圍 可以將火星着陸的安全性提高几個數量級 是的 滿載的星際飛船在火星着陸將是一個後勤上的瘋狂挑戰 這正是SpaceX在嘗試之前無法確定任何事情的情況之一 我們已經見證了兩次星際飛船發射 而兩次都是在空中爆炸 學習如何在火星着陸 很可能會是類似的經歷 它們在成功之前更可能失敗 它們可能會失敗多次 要讓這一切成功必須付出巨大的意志力 絕不能放棄 這或許超出了很多人真正的準備 然後最終我們嘗試讓有人乘坐的情況下完成這一目標 稱其爲雄心勃勃 似乎是對其的極大低估 但是在人類歷史上 我們已經多次完成了不可能的事情 那再來一個怎麼樣 每週回到這裏 獲取更多關於航天行業和星際探索的最新動態 如果你喜歡這個視頻 今天記得給他點個贊 這真的對我們有幫助 並訂閱太空競賽頻道 獲取更多類似的視頻 我們每週會寫一篇長篇文章和一條新聞更新 如果你想要更多 目前屏幕上還有兩個供你選擇