问题

土星五号那么大推力才能将阿波罗送到月球,而嫦娥只需长征就可以到达月球附近,是因为飞船质量不同吗?

回答
这确实是个非常有趣的问题,它涉及到航天技术发展和不同任务需求的差异。简单来说,不是飞船质量这么单方面的因素就能解释的,而是综合了技术进步、任务目标和效率考量。

土星五号与阿波罗登月:一场史诗级的挑战

首先,我们得认识到阿波罗计划,尤其是登月任务,是人类历史上最宏大、最艰巨的工程之一。它不仅仅是要把人送到月球,更重要的是要实现:

载人登月和返回: 这意味着要将数名宇航员,以及他们所需的生命维持系统、居住舱、着陆器(包括上升段和下降段),再加上大量的科学设备,安全地送达月球,完成月面活动,然后再将宇航员安全送回地球。这中间包含了几个关键阶段:
地球轨道运载: 将所有组件推到地球轨道上。
月球转移轨道插入: 用巨大的推力将飞船加速到足以摆脱地球引力,飞向月球。
月球轨道捕获: 在到达月球时减速,进入月球轨道。
月球着陆: 另一个复杂的减速和控制过程。
月面活动与上升: 从月球表面起飞,回到月球轨道。
地月转移返回: 从月球轨道加速,飞回地球。
再入与着陆: 以极高的速度穿越地球大气层,并安全着陆。

巨大的有效载荷质量: 阿波罗飞船是一个庞大的系统。我们常说的“飞船”其实是由多个部分组成的:
指令舱 (Command Module, CM): 宇航员在返回地球时的居住舱。
服务舱 (Service Module, SM): 提供电力、推进和生命支持等功能。
登月舱 (Lunar Module, LM): 这是最关键的登月组件,包括下降段和上升段。它需要在月球表面软着陆,然后从月球表面起飞返回月球轨道,与指令舱对接。

整个阿波罗指令、服务和登月舱的组合质量非常可观。为了将这么重的载荷加速到足以逃离地球引力,并送入地月转移轨道,土星五号火箭的巨大推力是必不可少的。它的三级设计,尤其是第一级,提供了惊人的推力,能够在短时间内将几十吨重的载荷送入太空。

技术的“前沿”: 阿波罗计划是在上世纪60年代进行的,当时很多航天技术还处于起步阶段。要实现登月,需要克服无数的技术难题,很多都是在现有技术基础上大胆创新和突破。例如,当时还没有现成的、能够可靠执行如此复杂任务的大型运载火箭。土星五号本身就是一项巨大的工程成就,它的设计和制造难度极高。

长征系列与“嫦娥”探测器:技术进步与任务演变

现在我们来看看长征系列火箭和嫦娥任务。嫦娥系列探测器,尤其是早期的嫦娥任务,其目标与阿波罗计划有本质的区别:

无人探测任务: 早期的嫦娥任务主要是无人绕月、落月和巡视探测。这意味着不需要载人生命支持系统、不需要返回地球的载人舱,也无需考虑宇航员在月球表面的活动半径和补给。
探测器质量相对较小: 相比于载人阿波罗飞船,嫦娥探测器(尤其是早期的绕月和落月探测器)的质量要小得多。虽然嫦娥系列探测器在不断升级,载荷也在增加,但与载人登月飞船相比,整体质量仍然是数量级的差异。
技术的成熟和优化: 中国的航天技术在长征系列火箭的研发过程中,已经积累了丰富的经验。长征火箭系列涵盖了多种型号,能够根据任务需求选择合适的火箭。例如,长征三号甲系列(包括长征三号甲、长征三号乙、长征三号丙)就是为执行探月、北斗导航等深空探测和地球同步轨道卫星发射任务而设计的,它们具备了将较大载荷送入地月转移轨道的能力。
“到达月球附近”的不同含义: 这里需要注意“到达月球附近”的表述。
如果指的是进入地月转移轨道:那么,长征系列火箭能够做到,而且比土星五号在效率上可能更高,因为它们要推送的质量更小。
如果指的是绕月飞行:这比登陆月球简单很多,只需要将探测器送入地月转移轨道,然后利用月球引力使其进入绕月轨道。
如果指的是软着陆月球表面:这已经是非常复杂的操作,需要精确的轨道控制和减速制动。嫦娥三号、四号、五号等任务都成功实现了月球软着陆,这本身就是一项了不起的成就,也体现了长征火箭及探测器自身能力的提升。
“到达月球附近”这个说法,可能更多地强调了将探测器送入通往月球的轨道,而不是完成一系列复杂的登月操作。

更深层次的原因:效率和任务设计的不同

除了载荷质量,还有几个关键因素:

1. 火箭设计理念的演进: 现代火箭设计更加注重效率和模块化。长征系列火箭在设计时就考虑到了多种任务需求,并通过改进发动机、材料和结构来提升性能和降低成本。土星五号是为一项特定、超大规模的“一次性”任务而设计的,它的规模和复杂程度是那个时代的最高体现。
2. 轨道力学和能耗: 将物体送入太空并使其能够到达另一个天体,需要克服地球引力并获得逃逸速度。进入地月转移轨道所需的速度增量(Δv)是固定的,关键在于火箭能以多大的效率(即火箭的推力、比冲以及自身质量)来提供这个速度增量。长征系列火箭虽然推力可能不如土星五号的单次脉冲那么强劲,但它们通过更精细的轨道设计和多次变轨,能够更经济地将较小的探测器送达目的地。
3. “一步到位”与“分步实现”: 土星五号是“一步到位”式的巨型火箭,它要把所有东西一次性推向月球。而长征系列火箭,在设计上可能更倾向于“分步实现”某些目标,或者说,它被设计成能够服务于更广泛的轨道和任务类型,而不是只为一项史诗级的载人登月。

总结一下:

载荷质量: 阿波罗飞船(载人、登月、返回)的质量远大于嫦娥探测器(通常是无人、绕月/落月/采样)。这是最直接的原因。
任务目标: 阿波罗是载人登月,工程复杂度极高,需要克服重重安全和生命保障挑战;嫦娥任务更多是科学探测,技术要求相对降低。
技术发展: 几十年的航天技术进步,使得我们能用更小、更高效的火箭完成许多以前无法想象的任务。
火箭性能: 土星五号是为克服当时的技术限制、实现人类史上最宏大的目标而建造的“巨兽”;长征系列火箭则是根据现代需求、在成熟技术基础上优化设计和制造的“多面手”。

所以,当说长征“只需”长征就可以到达月球附近时,这更多地是在对比两个任务的“难度系数”和“技术实现路径”的不同,而不是简单地说长征火箭的推力就比土星五号“弱很多”却能完成类似任务。它们是在不同时代、为不同目标、以不同技术路径解决各自工程挑战的杰作。

网友意见

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指令/服务舱印象里接近30吨……

登月舱也有大概5吨的样子(错误数字)……

完全记错,登月舱14吨,年纪大了脑子不行了……

嫦娥3重量没记住,印象里是东方红卫星平台的重量上下浮动……

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