西门裸婚

我们的眼睛很大,能装下整个世界。我们的眼睛又很小,甚至容不下一粒沙子。
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我曾经如此愚蠢!

(2019-07-23 09:47:29) 下一个

五十年前,美国阿波罗登月舱降落到月球表面,人类第一次将脚印印到了月球表面的尘土上。可是这么多年来,有许多人都在质疑登月的真实性,包括写这个帖子之前的我。

从目前看到的材料看,质疑都集中在登月舱降到到月球表面后的一些活动。也有一些人包括我质疑登月舱是如何飞离月球表面,摆脱月球引力,然后在飞回地球的?还有质疑燃料够不够用,空间够不够大?为了写一个质疑的帖子,我进行了认真的学习,而学习的结果却让我改变了想法。

对于火箭发射,我们都不再陌生了。虽然美国人登月是五十年前的事儿,比较久远,不过我国最近嫦饿系列的发射让我们对此有了一个大致的了解,技术上应该相去不远。除去火箭和逃逸塔外,登月设备包括指令舱服务舱和登月舱。在近月轨道上登月舱与指令舱和服务舱分离,然后带着两个宇航员独自降落到月球表面。为避免硬着陆,登月舱要利用推进器向月球表面喷射,从而降低登月舱下降的速度,从而达到软着陆的目的,因而会消耗大量的燃料。在登月舱返回部分升回到月球轨道与指令舱接合的时候,为了摆脱月球引力,又要消耗大量的燃料。这是登月设备消耗燃料最多的两个时段。

那我们来看看登月舱吧!从这张图可以看出,登月舱有三四人高,查了一下是7.04米。分上下两个部分:上升级和下降级,两段的高度差不多,上升级是能返回地球的,而下降级是负责登月舱软着陆到月球表面,尔后又充当上升级发射架留在月球上的。所以上升级在登月之后就变得无比重要了。 下面是上升级的参数:

乘员: 2人
成员舱容积: 6.65 m³ (235 ft³)
高:3.76米
直径:4.2米
最大燃料装载量: 4,670千克
舱内气压: 100%氧气250毫米汞柱(33 kPa)
供水: 2个19.3公斤(42.5磅)水罐
冷却剂: 11.3公斤(25磅)乙二醇乙酸酯/水溶液
反作用力控制系统推进剂量: 287公斤(633磅)
反作用力控制系统推进器:16个推进器,4套,每套4个,每个提供445N推力
反作用力控制系统推进剂: N2O4/UDMH(四氧化二氮/偏二甲肼)
反作用力控制系统比冲量: 2.84 kN·s/kg
上升级推进系统推进剂量: 2353公斤(5187磅)
上升级推进系统推进器: 15.6kN (3,500 lbf)
上升级推进剂: N2O4/航空肼50 (四氧化二氮/偏二甲肼、联氨混合物)
APS pressurant: 2个2.9公斤氦气罐,罐压21MPa
发动机比冲: 3.05 kN·s/kg
推重比: 0.34 lbf/lb (3.3 N/kg)
ΔV: 2,220 m/s (7,280 ft/s)
电池: 2套296 A·h银锌电池

开始我怀疑登月舱上升级的容量不足以装下那么多燃料,16个推进器,宇航员,还有其它一些设备,包括运回的月球矿土。于是粗略计算了一下。上升级的规格尺寸的直径4.2 米,高3.76米。我们按圆柱体来看待这个上升级,因为这样计算体积最容易,那么整个上升级体积差不多是52立方米。其中给燃料预留的体积是多少呢?燃料由四氧化二氮和偏二甲肼组成,其液态比重是1.443 g/cm³ 和 ‎0.793 g/cm3,平均下来就是1.1g/cm3. 设计的最大燃料装载量是4670kg,所以燃料所占的体积不超过4.5立方米。宇航员的成员舱体积是6.65立方米。所以还会留下30-40立方米的空间来装备推进器雷达等等。

事实上,燃料还要不了那么大的空间,下面是别人对登月设备消耗燃料的计算分析:

1.地月转移土星五号第三级在地球轨道把飞船加速到接近第二宇宙速度,约10800m/s,之后飞船靠惯性沿地月转移轨道飞向月球,其间受地球引力吸引不断减速,到地月引力中性点是速度降到800m/s,之后月球引力占优,飞船开始加速,因此要被月球引力捕获,服务舱需要点火减速,
按照阿波罗16号的数据Apollo 16 Flight Journal Chapter 11,
速度改变量大约854m/s,代入火箭公式,
m0/m1 = exp(854/311/9.8) = 1.32,
即服务舱消耗的燃料与总质量的比值 = (1.32 - 1)/1.32 = 24%,
理论需要消耗的燃料质量 = 45000*24% = 10900kg,
此时服务舱重 24500 - 10900 = 13600kg,剩余燃料7500kg。

2.登月舱下降速度该变量为月球环绕速度1680m/s,
代入火箭公式m0/m1 = exp(16800/311/9.8) = 1.74,
即登月舱下降级消耗燃料与登月舱总质量比值 = (1.74 - 1)/1.74 = 42.5%,
理论需要消耗的燃料质量 = (4700 + 10334)*42.5% = 6318kg,
而下降级有8200kg的燃料,用来弥补克服高度下降带来的等效速度该变量和悬停时的燃料消耗。

3.登月舱上升速度该变量为月球环绕速度,
同理登月舱上升级消耗燃料与登月舱上升级总质量比值 = (1.74 - 1)/1.74 = 42.5%,
理论需要消耗的燃料质量 = 4700 *42.5% = 1997kg,
而登月舱上升级有2353kg燃料,
同样为了弥补高度上升带来的等效速度该变量。

4.返回速度该变量为1000m/s,
阿波罗11号数据 Apollo 11 Flight Journal,
代入火箭公式m0/m1 = exp(1000/311/9.8) = 1.39,
即服务舱消耗燃料与服务舱和指令舱总质量比值 = (1.39 - 1)/1.39 = 28%,此时服务舱和指令舱的总质量 = 13600 + 5500 = 19100kg,
理论所需燃料= 19100 * 28% = 5348kg,
而服务舱还剩7500kg燃料。因此,燃料是充足的。

那么登月舱是如何着陆的,上升级又是如何飞离月球的呢?(以下又是别人的分析):

首先说地不平的问题。早在阿波罗计划实施之初,美国就连续执行了两个无人探测计划,一个是“徘徊者”,一个是“月球勘探者”,前者主要是绕月飞行,拍摄月面高分辨率照片,为登月舱寻找合适的登陆地点(类似于我国的嫦娥1和2的任务),后者主要是实施软着陆,实地了解月面情况,并验证软着陆技术和起飞技术(类似于我国的嫦娥3和4的任务)。因此阿波罗计划的登月地点都是精心选择的,能够保证登月舱在降落时避开危险的陡坡和巨岩。

在实际执行着陆程序时,登月舱下降级上安装了着陆雷达和下降相机,同时在降落的最初阶段登月舱是倾斜的,允许宇航员通过舷窗观察他们的预定登陆场的情况,当登月舱下降到一定高度后,宇航员可以通过执行人工控制登月舱姿态的方式让登月舱平飞,以避开他发现的不利于着陆的障碍区(阿姆斯特朗就这样做了)。和大家想象的不同的是,登月舱并不是像直升机一样垂直着陆,而是一边向前飞一边缓慢降落,最终停在月面上,大致保持水平状态。

然后我们谈谈垂直问题(这是我关心最多的问题)。不错,在地球上发射大型运载火箭,基本上都要保证火箭与地面绝对垂直,这有两个原因,第一,大型运载火箭长达几十上百米,重量达到上百吨,重心比较高,一旦倾斜,极易倒下;第二,地表附近空气阻力大,火箭在起飞的最初几分钟里必须尽快脱落浓厚大气层,这就意味着火箭必须先竖直向上飞行,然后才能进行水平加速。

然而这两个因素在上升级发射时并不存在。登月舱上升级总共才3米多长,而直径4.2米,总质量才4吨多重,是个扁平的瘦子,和大型运载火箭这样的长胖子没法比;其次月表没有空气,不存在尽快冲出大气层的问题,上升级起飞10秒后头部就迅速向下倾斜50°多,进行水平加速,起飞前姿态偏移那点量在最初10秒的飞行中即由上升级上的姿态控制发动机纠正过来了。

经过阅读与学习,我对以前质疑登月真实性的想法不再有了。有时候,我们对别的事物的质疑不是缘于我们的聪明,而是因为我们的无知和愚蠢!

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评论
蓝色的小溪 回复 悄悄话 回复 '山乡不仕' 的评论 : 文章的题目非常好,内容更好。学过物理的人都知道:空气里的氧气只有不到1/4. 250/760 》1/4. 国人的数学好,应该不难理解。人不能活在250毫米汞柱,血管会报炸的。
xmlh 回复 悄悄话 回复 '青海' 的评论 : 网上找了半天,选的好看的,哈哈。
山乡不仕 回复 悄悄话 接近海平面的地方,正常大气压是760 毫米汞柱。
"舱内气压: 100%氧气250毫米汞柱(33 kPa)"。 这个舱内气压宇航员能活多久?
石油附中啊 回复 悄悄话 楼下不必着急提问题。现在宣布了自己的人类登月计划的可不是一个国家甚至公司。我相信你我有生之年一定可以再次看到人类登月的尝试。

按照楼主的科普,六次登月应该是留下了六个“下降极”底座儿在月球上。这六个底座儿的地理坐标,看样子到目前为止仍然是超级机密。
山乡不仕 回复 悄悄话 有个问题:
"100%氧气250毫米汞柱"。
呼吸100%氧气,宇航员能活吗?
westshore 回复 悄悄话 其实这些不是疑点,因为月球引力只有地球29分之一,因此脱离月球需要的燃料有限。
疑点是回来减速进入地球轨道是如何实现的。中国是采取大气层多次进入,利用大气阻力减速的方式,所谓打水飘,在返回舱达到极限烧毁之前离开大气层,再进入,再离开,逐次减速。这种方式在离开时只需要电池驱动转向控制翼就行了,因为是利用大气层内的空气,因此不需要很多减速燃料,也就降低返回舱重量和体积。
但美国阿波罗从来没有提到过这种返回方式,因此就需要专用燃料把返回舱速度从第二宇宙速度降低到第一宇宙速度,这不是很小的数量可以实现的,也就是在发射时带有更多重量。
如果不是因为中国的这种方式,也不会意识到这点。从月球返回,轨道可以选择,最后争取被地球引力俘获。但需要减速才能确保被俘获,而且必须降低到第一宇宙速度。如果是在俘获过程,牛顿第二定律也知道会加速,如果没有减速措施,最后就是高速进入大气层烧毁。
怎么实现减速的?航天器减速不是姿态调整,需要大量喷射,不论什么形式。
luck86 回复 悄悄话 有质疑和考据的好文。
Sophie308 回复 悄悄话 这篇文章有理有据,长知识了,谢谢。
青海 回复 悄悄话 了不起!这么精美的制图,哪儿来的?
xmlh 回复 悄悄话 回复 '喜清静' 的评论 : 客气
喜清静 回复 悄悄话 长知识了。谢谢博主。
HBW 回复 悄悄话 Typo ... 更多时候,我们对别的事物的质疑不是缘于我们的聪明、无知或愚蠢,而是出生成长于充满欺骗的文化环境。万事总留个心眼儿。
xmlh 回复 悄悄话 回复 '通州河' 的评论 : 哈哈哈,谢谢
通州河 回复 悄悄话 还有很多人比你更蠢,想想他们,希望能让你好受点。good luck!
xmlh 回复 悄悄话 回复 '大荣确' 的评论 : 好好
大荣确 回复 悄悄话 近四十年前读过一本香港版的《我们登上了月球》,对整个阿波罗工程有详尽介绍,从未怀疑过登月的真实性。
五十年过去了,人类再未返回月球,才是一大遗憾。
xmlh 回复 悄悄话 回复 'flyingdora' 的评论 : 很好啊
flyingdora 回复 悄悄话 刚预定了纪念 阿波罗五十周年的邮票……
xmlh 回复 悄悄话 回复 'HBW' 的评论 : 有道理。可以展开说说更有意思。
xmlh 回复 悄悄话 回复 'J_man' 的评论 : 哈哈哈,被你看穿了。好尴尬!
J_man 回复 悄悄话 俗气,直说就完了,酸不拉几的。
J_man 回复 悄悄话 我怎么就这么聪明,我就知道内容不是要讲自己蠢的。
文学城博客标题凡是说自己蠢笨的,内容都是变相夸自己聪明的。
标题凡是说自己不幸的,内容都变相告诉大伙儿是说自己怎么幸福的,让人羡慕妒忌恨的。
HBW 回复 悄悄话 更多时候,我们对别的事物的质疑不是缘于我们的聪明、无知或愚蠢,而是出生成长于充满期盼的文化环境。万事留个心眼儿。
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