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科技小常識:漫談美國的火星探測(一)
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YST
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元君
角落裡的微光
齋貓
Xuser
龍公主( 美琪) 我的這一天( 8 )
egjc888
愛台也愛中

【 天 下 縱 橫 談 】 是 一 個 知 識 性 的 網 棧 , 今 天 我 們 稍 微 偏 離 政 治 , 談 點 科 技 上 的 小 常 識 。

談 甚 麼 呢 ? 就 隨 便 談 談 美 國 這 次 成 功 的 火 星 探 測 。 YST 手 邊 沒 有 這 個 探 測 的 相 關 資 料 , 全 憑 記 憶 和 常 識 和 網 友 交 流 。

我 們 談 論 的 重 點 是 這 次 火 星 探 測 所 用 到 的 相 關 科 技 。 科 學 和 技 術 都 是 為 人 類 服 務 的 , 如 果 從 欣 賞 的 角 度 來 看 , 科 技 並 不 是 那 麼 深 不 可 測 。 YST 用 最 簡 單 的 語 言 來 為 網 友 揭 開 這 些 高 科 技 的 神 祕 。 不 要 害 怕 , 只 要 有 高 中 程 度 的 數 理 知 識 和 一 點 點 想 像 力 , 你 就 能 瞭 解 並 享 受 我 們 討 論 的 內 容 。

美 國 太 空 總 署 ( NASA ) 的 火 星 探 測 火 箭 的 發 射 時 間 是 2003年 6月 , 探 測 器 降 落 火 星 表 面 的 時 間 是 2004 年 1月 。 在 浩 瀚 的 太 空 裏 飛 行 了 將 近 七 個 月 , 飛 了 三 億 英 里 才 到 達 。 這 次 火 星 探 險 的 最 主 要 目 的 是 尋 找 水 。 水 是 一 個 星 球 最 重 要 的 物 質 , 因 為 它 是 一 切 生 物 生 存 的 必 要 條 件 。 科 學 家 想 知 道 火 星 是 不 是 有 生 物 , 或 曾 經 有 過 生 物 。

但 火 星 是 不 是 有 水 並 不 是 本 文 討 論 的 重 點 。 只 要 火 星 探 測 器 裝 備 了 化 學 分 析 的 儀 器 和 採 集 標 本 岩 石 的 能 力 , 就 沒 有 問 題 了 。 我 們 討 論 的 重 點 是 太 空 飛 行 器 的 飛 行 、 遙 測 、 遙 控 , 和 通 訊 等 技 術 上 的 問 題 。

太 空 飛 行 分 近 太 空 和 深 太 空 ( Deep Space ) 。 在 地 球 引 力 範 圍 之 內 的 太 空 一 般 稱 為 近 太 空 , 如 果 超 出 了 地 球 引 力 範 圍 , 就 稱 之 為 深 太 空 ( 這 時 我 的 定 義 , 也 許 天 文 學 家 把 太 陽 系 以 外 的 空 間 才 叫 做 深 太 空 ) 。 近 太 空 和 深 太 空 飛 行 最 大 的 區 別 就 是 所 需 要 的 速 度 不 同 。 逃 離 地 球 飛 行 比 環 繞 地 球 飛 行 需 要 更 大 的 速 度 , 要 逃 離 太 陽 系 當 然 就 需 要 更 大 的 速 度 。

由 於 星 球 間 的 距 離 太 遠 , 火 箭 的 動 力 有 限 , 如 果 太 空 船 飛 行 速 度 太 慢 , 等 太 空 船 到 達 目 標 星 球 的 時 候 , 原 始 計 畫 的 設 計 科 學 家 可 能 已 經 退 休 或 離 職 了 。 為 了 得 到 更 大 的 速 度 , 科 學 家 最 常 用 的 法 子 就 是 利 用 其 他 星 球 的 引 力 來 增 加 太 空 飛 行 器 的 速 度 , 這 是 深 太 空 探 險 飛 行 和 近 太 空 飛 行 最 大 的 不 同 。 我 不 確 定 這 次 的 火 星 探 險 有 沒 有 借 助 其 他 星 球 的 引 力 增 加 速 度 , 但 是 我 知 道 幾 年 前 的 土 星 探 險 是 借 助 了 好 幾 個 星 球 的 引 力 才 完 成 的 , 也 許 是 金 星 、 火 星 , 也 許 是 太 陽 或 其 他 行 星 , 反 正 不 管 是 誰 , 它 們 的 引 力 都 不 要 錢 。 免 費 的 東 西 誰 不 喜 歡 ? 科 學 家 不 是 傻 瓜 。

所 以 任 何 深 太 空 探 險 , 第 一 件 要 做 的 事 情 就 是 選 擇 時 間 和 途 徑 , 把 能 夠 利 用 的 星 球 加 速 度 做 最 佳 的 安 排 , 即 使 繞 遠 路 也 在 所 不 惜 。 如 果 我 記 得 不 錯 的 話 , 為 土 星 探 險 做 這 件 事 的 是 JPL 一 個 女 科 學 家 , 中 國 人 。 這 種 古 典 力 學 的 問 題 計 算 非 常 麻 煩 , 但 是 有 了 現 代 高 速 的 電 腦 作 工 具 , 這 個 工 作 就 並 不 很 困 難 了 。

YST 第 一 個 揭 開 的 神 祕 就 是 深 太 空 的 探 險 所 需 要 的 火 箭 推 力 並 不 是 那 麼 “ 嚇 死 人 ” 的 偉 大 ,它 並 不 需 要 和 目 標 星 球 的 距 離 成 比 例 地 增 加 。 假 設 太 空 船 的 質 量 相 同 , 飛 到 火 星 的 太 空 船 當 然 比 環 繞 地 球 飛 行 的 太 空 船 需 要 有 更 大 的 推 力 , 但 是 別 忘 了 , 只 要 逃 出 地 球 , 火 星 太 空 船 可 以 從 其 他 星 球 得 到 免 費 的 加 速 度 , 真 正 本 身 的 動 力 並 不 需 要 大 多 少 。

下 一 篇 我 們 要 繼 續 談 的 是 無 線 通 訊 。
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登陸月球
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UDN 的㊣綠鋼管又出來屠殺鴨湯了
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土豆仁529
Xuser
元君
齋貓

登陸月球的飛行用最簡單的方法解釋,就是丟個東西到地球跟月球中間的引力平衡點,然後讓月球把東西吸過去。只要想像一個拋物線,過了頂點以後,東西往反方向飛上天花板就好。

火箭剛開始的時候,是把所有東西打上地球軌道。也就是說動能還不夠脫離地球引力範圍。在地球軌道上太空人要做很多事,包括 NASA 需要的各種公關活動。準備好以後,就會點燃火箭,往引力平衡點前進。

火箭的燃燒時間很短,通常最多只有幾分鐘。旅途中大部分時間都是很安靜的。太空人在往月球的路上組合太空船,丟掉第三節火箭。

過了引力平衡點,太空船就會往月球墜落。如果太空船朝月球直飛,就會墜毀在月球表面。如果距離月球太遠,會繞圈再掉回地球。太空船必須在適當時候點燃反方向的火箭減速,以進入月球軌道。

大家都知道只有兩個太空人會乘坐登月小艇降落,還有一個太空人在繞著月球軌道飛行。除了觀測月球背面外,其中一個原因是節約位能。登月小艇在降落以後,會喪失所有動能+位能。最好是大部分的補給留在軌道上,藉以保留能量。

太空人在月球上發表演講,然後開始工作,工作完畢就回家。

登月小艇丟下一大堆東西起飛,只需要飛上月球軌道與剩下的太空船接合,然後就在軌道上拋棄登月小艇。丟到一大堆東西的太空船再度點燃火箭,再度飛向引力平衡點。

回到地球以後,已經沒有太多減速的燃料。丟掉太空船,只留下一個返回的太空艙。調整航向以後就進入大氣層,用空氣摩擦把所有的位能+動能消耗光。

最早的幾次任務,太空艙只繞月球飛行而不降落,一個理由就是沒那麼多燃料,或者是只測驗不使用那麼多燃料的狀況。對於太空飛行,飛行任務一點點的差別就代表很大的技術突破。

前面簡單介紹了幾種飛行的可能︰繞月球飛一次就回來是最省燃料的,因為不需要進入軌道。降落還需要減速用的燃料。如果是無人的飛行就算了,如果還要飛回來,還需要起飛的燃料,還有離開月球軌道的燃料。進入地球大氣層以前還要減速的燃料。減速的燃料是與返回的隔熱材料相關的。如果隔熱材料很厚,就可以少一點減速燃料。如果隔熱材料很薄,就必須多一點減速燃料。因為月球沒有大氣層,所以只能用火箭減速。也就是說降落在月球上的質量越少越好,留在軌道上的質量越多越好。多做任何動作,都需要更多額外的燃料。

圖是我隨便畫的,沒有著作權問題。北極朝讀者方向。

本文於 修改第 2 次
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中國可以做的太空探測
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UDN 的㊣綠鋼管又出來屠殺鴨湯了
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土豆仁529
元君
角落裡的微光
Xuser
齋貓
YST

有些東西中國做不到就是做不到。NASA 運氣很好,遇上 1970 年代太陽系外行星剛好排列到一艘太空船就可以探測的位置上。所以 NASA 發射了 Voyager 1, 2。錯過那次機會,就要再等一百多年。除非中國願意多發射幾艘太空船。

美國人的材料技術應該還是遙遙領先中國。很多東西設計不是問題,材料是問題,還有裝配成可靠的成品也是問題。這是中國必須趕上的。

太陽系內的飛行有很多巧門。最重要的一點就是以時間換取成本。如果要快速到達火星以外的行星,就要用很大的火箭,消耗很高的成本。但是如果願意慢慢等,就可以用所謂的 gravity slingshot 節省成本。內圈行星跟火星可以用 Hohmann transfer orbit 飛行,就是沿著地球軌道的切線飛出,走半個橢圓形,然後沿著切線進入金星或是水星的軌道。內側行星的切線速率比地球慢,進入軌道需要減速;火星的切線速率比地球慢,進入軌道需要加速。刻普勒定律︰r3 / T2 = K。

所謂的 gravity slingshot 是指在行星公轉方向後方跨越軌道(像是在汽車過去以後再穿越馬路),因為重力吸引,所以免費加速(這是簡化到不像話的解釋)。如果在行星公轉方向後方跨越軌道(在汽車過去前穿越馬路),就可以免費減速。在太空中加速跟減速都需要發射火箭,有 gravity slingshot 輔助,會省下很多燃料。例如探測水星可以用金星減速。

除了 Hohmann transfer orbit 跟 gravity slingshot,在太陽系裡還有很多需要大量計算的超省油軌道。簡單講就是運用星體的重力場做無本生意。但是越省燃料就越耗時間,也越依賴星體的特別排列條件。這就是為什麼載人飛行這麼困難,因為載人飛行不能使用這類浪費時間的飛行軌道。有些路線雖然 gravity slingshot 的時間增加有限,但是因為要飛到金星,光是高溫就可以把太空人烤焦(太陽只能在離開太陽系的時候提供 gravity slingshot,在太陽系內沒用)。

要飛到月球,因為路上沒有其他星體,只能硬飛。中國的發射場緯度比較高,也比較吃虧。美國因為有航空母艦戰鬥群,當年可以用太平洋當降落場。蘇聯跟中國因為只能降落在平原上,對降落的精密度要求更高。這代表回家的時候,可能要保留更多燃料。

本文於 修改第 1 次
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麥芽糖
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