火箭着陆为什么这么难:需调整各方向推力

据国外媒体报道,在成功执行完运送补给舱的任务之后,SpaceX的猎鹰9号火箭进行了海上平台着陆的尝试。从实际效果来看,这次着陆并不成功,但这实际上并不令人感到意外。事实上,猎鹰9号已经非常接近成功,想让这么大的火箭着陆可不是件容易的事。那么,为什么火箭的着陆这么困难呢?物理学家瑞特·亚兰(Rhett Allain)向我们讲述了火箭着陆背后的物理学原理。

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阿波罗16任务中的月球着陆器

月球着陆并不难

在阿波罗任务中,有好几架飞船通过月球着陆器登上了月球。游戏公司还推出了一款名为“月球着陆器”的街机游戏,你如果想玩的话,还有个在线版本(https://phet.colorado.edu/en/simulation/lunar-lander)。游戏的目标是通过调整着陆器的角度和推力,使它安全地着陆在月球表面。

“月球着陆器”游戏网页版的截图

当然,现实中的月球着陆器并不是如此简单——但还是比SpaceX的猎鹰9号火箭着陆容易多了。它们的区别在哪里?月球着陆器在底部有个火箭,可以随侧面的推进器旋转;猎鹰9号火箭的底部有一个火箭发动机,通过它来进行推进和旋转两个任务。这使得猎鹰9号操作起来更有难度。另一方面,月球的重力较小,使月球着陆器更易操纵。

火箭的三种动作

利用主推进器,猎鹰9号火箭可以做三件事:

1、垂直加速:这在火箭下降的时候特别有用,可以减缓速度,避免坠毁。

2、水平加速:用来改变火箭的水平速度。在改变火箭的水平位置时起着重要作用,使火箭能降落在海洋中的平台上。

3、角加速:改变航天器相对于质心的旋转运动,确保火箭能以垂直的姿态降落在平台上。

猎鹰9号火箭在降落过程中需要不断调整推力的大小和方向,以确保最终能安全着陆。

举个例子来说明或许更清晰一些。假设猎鹰9号火箭正要着陆,而它在水平方向有一定的速度。为了减缓速度,保证安全着陆,火箭必须向相反的方向推进。如第二张图表示的,为了向右加速,火箭调整了一点角度,朝向右边;然而,由于这一推力作用的方向并不完全经过质心,火箭会受到一个扭矩,导致旋转运动的变化。与此同时,你还要调整推力的大小,使火箭进行上下运动。

拿根长木棍来,你就可以体验火箭在下降时保持平衡的难度。

操纵这样一个火箭进行着陆实在有点难度。实际上,你也可以自己体验一下。找一把扫帚或长木棍,走到不会打到人的户外空地上,然后一边走一边把扫帚的一头竖在手掌上,保持扫帚的平衡。你怎样才能停下脚步呢?你或许可以让扫帚静止下来,但在火箭着陆过程中,你要使它最终保持垂直的状态。

为何不使用另一种火箭设计?

两种不一样的火箭设计。左为猎鹰9号火箭的设计,右为更容易操作的着陆器设计。

这纯粹只是猜测,但我们还是可以对这两种火箭设计进行一下对比。首先是猎鹰9号的设计,与之相对的是更加扁平、类似月球着陆器的火箭设计,这样的设计应该更容易着陆。

首先,这种火箭设计不像猎鹰9号那么瘦长,其质心更加靠近主推进器,因此不会产生太大的扭矩,从而改变旋转运动。在此基础上,你还可以依靠多台推进器的共同作用,使扭矩降至最低,甚至不产生扭矩。最后,这种设计还具有侧面推进器。你可以在不旋转火箭的情况下,改变着陆器的水平运动。看来这似乎真的是一个更好的火箭设计,是这样的吗?

尽管这种火箭能够很容易地着陆,但它并不比猎鹰9号更具优势。猎鹰9号并不是为了在海洋平台上着陆而设计的,它的目的是向国际空间站运送货物。这是它的主要功能,而前述更加容易操作的着陆器并不能胜任这样的任务。火箭呈瘦长形,是为了在穿过大气层时减少空气阻力。如果采用容易着陆的设计,要将货物送上太空,那就需要更多的燃料来补偿多出来的空气阻力;而更多的燃料就意味着火箭的体积要更大,但这就要求燃料需要更多。在发射火箭时,即使一点点的质量都关系重大。

当然,以上这些都仅仅是猜测。无论采用何种设计,要让火箭在完成运送货物到达地球轨道的任务之后,又能安全地着陆地面,实在是一件很不容易的事。

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