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| 本文作者： 墨痕 | 2015-01-21 11:06 |
SpaceX成功發(fā)射太空艙后，獵鷹9號(hào)火箭在海上浮動(dòng)平臺(tái)嘗試著陸以失敗告終。我們應(yīng)該為此感到驚訝嗎？不，應(yīng)該驚訝的是火箭著陸差點(diǎn)就實(shí)現(xiàn)了，因?yàn)檫@是相當(dāng)困難的。
那么，火箭著陸為什么會(huì)這么難呢？連線雜志最近發(fā)文對(duì)其中的原因作出了分析。
在阿波羅計(jì)劃中，我們將好幾個(gè)飛行器送上了月球。
其實(shí)，有一款著名的電子游戲也叫登月者（Lunar Lander），游戲目標(biāo)就是通過(guò)改變角度和推力，讓太空艙在月球上安全著陸。
登月飛行器要著陸并不這么容易，不過(guò)還是比SpaceX 的獵鷹著陸要容易些。那么它們之間的區(qū)別在哪？登月飛行器的底部有一個(gè)火箭，它可以隨著飛行器側(cè)面其它的推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)。而獵鷹9號(hào)的底部的火箭引擎，它既要推進(jìn)又要旋轉(zhuǎn)，這有點(diǎn)難以操縱。（還有，登月飛行器在月球上受到的引力更?。?。
獵鷹9號(hào)火箭的主推進(jìn)器可以做到以下3點(diǎn)；
垂直加速度：可以適當(dāng)讓火箭減速，這樣火箭就不會(huì)因?yàn)樗俣冗^(guò)快而墜毀。
水平加速度：用于改變火箭的水平速度，能幫助改變火箭的水平位置，以便火箭可以在海上浮動(dòng)平臺(tái)上安全著陸。
角加速度：可以改變航天器重心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，能幫助確?；鸺怪敝憽?/p>
也許舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明會(huì)更有意義。假設(shè)獵鷹火箭即將著陸，它具有一定的水平速度，為了讓它減速?gòu)亩踩?，底部的火箭引擎必須在相反的方向上施加推力。如下圖：
為了給向右加速，火箭會(huì)稍微向右傾斜一點(diǎn)，然而，由于該推力并不作用在飛船重心所在的直線上，因此會(huì)產(chǎn)生一個(gè)改變飛船旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的力矩，加上這一點(diǎn)，那么你就必須改變推力大小，從而使火箭加速上升和下降。
用這樣的方法讓火箭著陸，是一件非常棘手的事。其實(shí)，你可以嘗試一下類似的事情。譬如你拿一個(gè)掃帚或長(zhǎng)棍到一個(gè)空曠的地方，在走動(dòng)的同時(shí)，把掃帚的末端立在手上保持其平衡。怎樣才能讓掃帚停止移動(dòng)呢？
就像你看到的，在這個(gè)試驗(yàn)中，掃帚沒(méi)掉下來(lái)。然而如果火箭也要做到這樣的話，那么它的末端需要被固定并保持垂直。
有兩種火箭的設(shè)計(jì)，第一種就是獵鷹9號(hào)那樣的設(shè)計(jì)；第二種就是采用一個(gè)更扁平、易于著陸，看起來(lái)和登月飛行器有點(diǎn)像的火箭設(shè)計(jì)。
這種Easy Lander更容易控制。
首先，它不像獵鷹9號(hào)一樣修長(zhǎng)，重心也更靠近主推進(jìn)器，這樣它們就不會(huì)制造太多力矩來(lái)改變航空器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
此外，它有多個(gè)推進(jìn)器，這樣可以通過(guò)不同的推力來(lái)將力矩抵消掉
最后，該設(shè)計(jì)還包含了側(cè)推器，你甚至可以在不旋轉(zhuǎn)飛船的情況下，改變水平運(yùn)動(dòng)。
這看起來(lái)似乎不錯(cuò)，對(duì)不對(duì)？
雖然Easy Lander更易于著陸，但它仍然不如獵鷹9號(hào)。獵鷹9號(hào)并不是專門(mén)用來(lái)在海上浮動(dòng)平臺(tái)上著陸的，它是為運(yùn)送物資進(jìn)入太空而設(shè)計(jì)的，這才是它的主要功能，也恰恰是Easy Lander缺乏的功能。
修長(zhǎng)的火箭在加速穿過(guò)大氣層時(shí)，由于火箭前端的橫截面積小，受到的空氣阻力也小。Easy Lander運(yùn)送物資的話，它需要更多的燃料產(chǎn)生動(dòng)力來(lái)抵抗更大的空氣阻力，更多的燃料就意味著需要更大的火箭（為了裝載更多的燃料），這樣又需要更多的燃料來(lái)推動(dòng)更大的火箭。但發(fā)射火箭時(shí)，每一點(diǎn)重量的增加都至關(guān)重要。
當(dāng)然，Easy Lander只是對(duì)火箭形狀的一個(gè)推測(cè)。無(wú)論哪種形狀，讓火箭運(yùn)送物資進(jìn)入太空，最后返回并安全著陸是一件非常困難的事情。
via wired
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