关于月球探险的疑问,从不曾间断。阿波罗号于1968年搭乘土星五号飞离地球,许多人提出质疑:脱离运载火箭后,阿波罗号是如何独自从月球启航返回地球的呢?

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火箭升空:土星五号携带阿波罗号离开地面,它的推力之大,世界排名第二,总重量超3000吨,携带了45吨的荷载,借助巨型发射塔的力量,那场面令人心潮澎湃。

降落与发射:火箭稳稳垂直着陆的技术是马斯克近年的研究成果。一般航天器重返地球时,通常是直接“坠落”,利用降落伞减速。那么,在五十年前,阿波罗号是如何在月球稳稳着陆,又如何具备再次发射的条件呢?

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要知道,在月球上并没有发射台的存在。难道月球上有着与土星五号类似的运载火箭,提前建好的发射台?这显然是不切实际的。

既然阿波罗号无法独立完成登月之旅,嫦娥五号同样如此,实际上返回地球的宇航员并非由“降落过月球”的航天器接回。我们先来简单梳理一下过程:

首先,强大的运载火箭突破地球引力,将航天器送入太空。

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然后,航天器进入绕地轨道,与推进器分离,环地球飞行的同时,火箭把阿波罗号或嫦娥五号送入飞向月球的转移轨道,并随后分离。

接近月球时,点火调整速度,进入环月轨道。

不论是嫦娥五号还是阿波罗11号,都不是单一结构的航天器,而是由多个模块构成。

阿波罗11号在整个飞行过程中经历了两次分离与对接,而嫦娥五号仅进行了一次分离与对接。阿波罗号的第一次分离是为了结构调整,经过180度旋转后再对接,为后续的登月与返航做准备。

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当嫦娥五号与阿波罗11号进入环月轨道时,它们的工作原理类似:登月舱与轨道舱分离,通过减速被月球引力捕获,同时在下降过程中登月舱的下降段点火,使之具有一定上升力以平衡月球引力,实现软着陆。这一过程与马斯克的猎鹰9号火箭的回收类似。

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着陆月球后,阿波罗号的宇航员出舱行走、插旗、采集月岩;而嫦娥五号则采用自动化方式挖掘土壤、封装样本。

关键数据解密返航之谜:

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尽管月球上并无重型火箭与发射塔,但航天器依然能从月球返回,关键在于利用引力。月球的引力远小于地球,从月球“出发”的初速度只是关键一跃,大部分航程仍受地球引力作用,因此返程多是下坡路。

土星五号携带阿波罗号飞离地球时,总重量为3000多吨,荷载45吨。这其中环月轨道舱重25吨,登月部分上升段4.7吨、下降段15吨。也就是说,从月球起飞的重量只有4.7吨,燃料占了一半多(2.4吨),飞船本身只有2.3吨,实际载荷仅包含两名宇航员及所携带的月岩(另一名宇航员留在轨道器上)。

关键在于,月球的引力只有地球的六分之一。根据牛顿第二定律F=ma,月球上4.7吨物体受到的重力,与地球上0.8千克物体相当,也就是约相当于地球上两头猪的重量。

火箭逃离地球需要达到11.2km/s的逃逸速度,但因为月球引力小,仅需达到1.68km/s的环月球速度即可。换句话说,宇航员与月岩并非直接从月球表面搭乘“两头猪”返回,而是在近月轨道“换乘”轨道器。

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综上所述,航天器在地球与月球的起飞条件大不相同,地球起飞的难度远超月球,起飞重量相差3750倍,所需速度差7倍,且不包括空气阻力的因素。这说明,从月球起飞只需一个轻量级发射架(约10吨的下降段)及一个“迷你火箭”(4.7吨的上升段,含2.4吨燃料)即可。

当登月舱上升段从月球起飞后,宇航员携带月岩转移到返回舱,随后上升段与轨道舱分离,轨道舱最终点燃引擎改变轨道进入地月航道。返回舱与服务舱分离,独立朝向地球返航。最终,返回舱进入地球轨道,减速进入大气层,完成太空之旅的返航。