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漫游宇宙(一)距离0.5光年:宇航 人类的梦想

梦想

要实现宇航梦想,必须掌握天体力学知识,知道怎么走出去、去哪里,然后才可以去探索那广袤、未知的领域,宇航梦想的终极目的之一,除了寻找人类生存的意义以外,就是延续人类的未来,“狡兔三窟”,人类只有一个地球,这一点安全感没有,必须发展宇航科技,在无垠太空寻找第二家园,实现人类文明的延续...

火箭分离


天体与力学

  • 宇宙速度(Cosmic Velocity)

宇宙速度是从地球表面向宇宙空间发射人造地球卫星、行星际和恒星际飞行器所需的最低速度。人造卫星所以能围绕地球运行是因为有恰当的速度,如果速度不够大,就会落回原地;如果速度过大,则会脱离地球引力场或太阳引力场。根据向心力恰好等于重力,可以推导

推导公式

第一宇宙速度v1=7.9km/s

航天器(如绕地卫星)沿地球表面作圆周运动时必须具备的速度,也叫环绕速度。按照力学理论可以计算出v1=7.9km/s

第二宇宙速度v2=11.2km/s

航天器(如探测器)超过第一宇宙速度v1达到一定值时,它就会脱离地球的引力场而成为围绕太阳运行的人造行星,这个速度就叫做第二宇宙速度,亦称脱离(地球)速度。按照力学理论可以计算出第二宇宙速度v2=11.2km/s

宇宙速度

第三宇宙速度v3=16.7km/s

航天器(如水手号)从地球表面发射,飞出太阳系,到浩瀚的银河系中漫游所需要的最小速度,就叫做第三宇宙速度。按照力学理论可以计算出第三宇宙速度v3=16.7km/s

关于科幻电影《流浪地球》,相关的一些难题在于:

  1. 让整个地球达到第三宇宙速度v3=16.7km/s,才可能飞出太阳系,去往比邻星,这种动力似乎在地球上还没有;

  2. 经过木星旁边,地球估计要到处岩浆溅射火山爆发,类似木卫一(IO);

  3. 4光年的距离,即使几百年,光照有很大问题,没有农作物,人口无法支撑。

第四宇宙速度v4=115km/s

航天器离开银河系的最小速度。科学家根据目前所知的知识进行推测,其中科学家推算出,人类如果想要离开银河系,那么速度必须达到v4=115km/s左右,这个速度也就是第四宇宙速度。

宇宙速度

第五宇宙速度v5=1500km/s

航天离开由银河系、仙女系等星系组成的本星系的最小速度,这个速度为v5=1500km/s。而人类如果达到第六宇宙速度的话,那么人类将可能挣脱宇宙的引力束缚,但是由于至今我们都无法知道宇宙的边缘在哪和宇宙的质量是多少,因而科学家也无法估计出第六宇宙速度,但估计肯定要超过光速。


  • 拉格朗日点(Lagrangian Points)

拉格朗日点对于放置人造卫星、天文望远镜等人造天体具有非常重要的意义。在天体力学中是限制性三体问题的五个特解。一个小物体在两个大物体的引力作用下在空间中的一点,在该点处,小物体相对于两大物体基本保持静止。

拉格朗日解

L1

在M1和M2两个大天体的连线上且在它们之间。在L1点,物体的轨道周期恰好等于地球的轨道周期。太阳及日光层探测仪(SOHO)即围绕日-地系统的L1点运行。

L2

在两个大天体的连线上,且在较小的天体一侧。在L2点,轨道周期变得与地球的相等。在L2点卫星消耗很少的燃料即可长期驻留,是探测器、天体望远镜(如JWST望远镜)定位和观测太阳系的理想位置。

拉格朗日点

L3

在两个大天体的连线上,且在较大的天体一侧。 第三个拉格朗日点,L3,位于太阳的另一侧,比地球距太阳略微远一些。地球与太阳的合拉力再次使物体的运行轨道周期与地球相等

L4/L5

在以两天体连线为底的等边三角形的第三个顶点上,且在较小天体围绕两天体系统质心运行轨道的前方其旋转周期与质量较小天体相同并达成轨道平衡。该系统中,两大物体和L4点上物体围绕质心旋转,旋转中心与质心重合。事实上,L4与L5点上的物体的质量必须小到可忽略。L4和L5点有时被称为三角拉格朗日点或特洛伊点

拉格朗日点


航天与科技

  • 轨道转移(Transfer Orbit)

航天器从初始轨道或停泊轨道过渡到工作轨道的中间轨道。航天器在火箭发动机的推力作用下实现轨道变换,简称变轨。从地球发射航天器,当运载火箭无法直接将航天器送入预定轨道时,这就需要借助于转移轨道,将航天器送入预定轨道。行星探测器、月球探测器、离地球较远的人造地球卫星,都要经过转移轨道才能到达预定目标轨道。

轨道转移

  • 引力弹射(Slingshot Effect)

在发生深空飞行器的时候,经常会利用行星的引力,来加速(弹射)飞行器,如旅行者号、新地平线号等等飞行器,均使使用一定角度飞向巨大的行星,然后被行星一种牵拽力,向前抛出,一种借力弹射的效果。

引力弹射

  • 人造卫星(Satellites)

对于绕地球运行的航天器来说,在按轨道高度分类时,可以分为近地轨道、中轨道和高轨道三种。轨道高度较低的对地卫星轨道(通常轨道高度<2000千米)称作近地轨道;轨道高度较高的对地卫星轨道(通常远地点高度>3000千米)称作高轨道,轨道高度介于高轨道和近地轨道之前的轨道称作中轨道。

卫星通信

地外轨道

[1] 近地轨道(Low Earth Orbit)

近地轨道上运行着的国土普查、气象、资源、通信等各种用途的卫星,在近地轨道上仍有稀薄的大气,在近地轨道上运行的航天器(如运行在高度约394km的中国“天宫2号”空间实验室)受到大气阻力的作用,轨道会逐步衰减,即轨道高度会逐步降低,为了使它能在设计的高度上运行,需要对航天器定期或不定期进行轨道维持。

天宫2号

[2] 同步卫星(Geostationary Satellite)

卫星的轨道周期等于地球在惯性空间中的自转周期(23小时56分4秒)的叫做地球同步卫星, 卫星在每天同一时间的星下点轨迹相同,当轨道与赤道平面重合时叫做地球静止轨道,即卫星与地面的位置相对保持不变,轨道高度在约35786km地球静止轨道(同步轨道)就属于高轨道。

同步卫星轨道转移(由内向外)


梦想与成果

  • 航天飞机(Space Shuttle)

航天飞机是一种有人驾驶、可重复使用的、往返于太空和地面之间的航天器。它既能像运载火箭那样把人造卫星等航天器送入太空,也能像载人飞船那样在轨道上运行,还能像滑翔机那样在大气层中滑翔着陆。可惜,由于多次事故,航天飞机已经全部退役。

美国 航天飞机

  • 宇宙飞船( Space Craft)

一种运送航天员、货物到达太空并安全返回的航天器。宇宙飞船可分为一次性使用与可重复使用两种类型。用运载火箭把飞船送入地球卫星轨道运行,然后再入大气层。飞船上除有一般人造卫星基本系统设备外,还有生命维持系统、重返地球的再入系统,回收登陆系统等。

俄罗斯 联盟号 宇宙飞船

  • 空间站(Space Station)

一种在近地轨道长时间运行、可供多名 航天员巡访、长期工作和生活的载人航天器。空间站分为单模块空间站和多模块空间站两种。单模块空间站可由航天运载器一次发射入轨,多模块空间站则由航天运载器分批将各模块送入轨道,在太空中将各模块组装而成。在空间站中要有人能够生活的一切设施,空间站不具备返回地球的能力。

国际空间站 ISS

  • 月球探测(Lunar Exploration)

[1] 阿波罗11号(Apollo 11)

NASA阿波罗计划的第五次载人任务,是人类第一次成功的登月任务,三位执行此任务的宇航员分别为指令长(Commander)阿姆斯特朗(Neil Armstrong )和指令舱驾驶员 迈克尔·科林斯(Michael Collins)以及登月舱驾驶员巴兹·奥尔德林( Buzz Aldrin)。1969年7月21日, 阿姆斯特朗和奥尔德林成为了首次踏上月球的人类。

阿波罗11号

尼尔·阿姆斯特朗个人的一小步,人类的一大步。(Neil Armstrong:That's one small step for a man, one giant leap for mankind.)

[2] 嫦娥4号(Change 4)

嫦娥4号中国2019/01/03软着陆实现了人类探测器首次月背软着陆,首次月背与地球的中继通信。 作为世界首个在月球背面软着陆和巡视探测的航天器,其主要任务是着陆月球表面,继续更深层次更加全面地科学探测月球地质、资源等方面的信息,完善月球的档案资料。

嫦娥四号与玉兔

  • 行星探测(Planetary Exploration)

迄今为止,人类已经实现过对太阳系地外各类星体的探测任务,包括太阳、水星、金星、月球、火星、小行星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星、彗星等,随着人类宇航科技的不断进步,将来实现对其他行星、卫星的登陆、探测、研究乃至移民,都是可以被想象的。

地外星体探测任务

太阳(Sun):9次任务水星(Mercury):2次任务金星(Venus):43次任务月球(Moon):74次任务火星(Mars):40次任务小行星(Asteroid):17次任务木星(Jupiter):9次任务土星(Saturn):5次任务天王星(Uranus):1次任务海王星(Neptune):1次任务冥王星(Pluto):1此任务

  • 星际探测(Interstellar Exploration)

到目前,旅行者号(Voyager1/2)已经飞出了太阳系,在1光年以外,飞出了太阳系的边缘,飞行在星际空间(恒星之间的广大空间),漫游在宇宙中,也许哪天被另外一个文明捕获,获得了人类坐标,然后找到我们。当然,希望是在一种和平的气氛中相见....

星际探测 旅行者号


过去、现在与未来

  • 过去:太空竞赛( Space Race)

20世纪中下叶,美国和前苏联在冷战时期为了争夺航天实力的最高地位而展开的竞赛。第二次世界大战结束后,太空竞赛取得了开拓性的成果,如向月球、金星、火星发射人造卫星,无人驾驶空间探测器,以及向近地轨道和月球发射载人飞船。

太空竞赛

1957年10月4日,斯普特尼克1号的轨道运行使苏联此次赢得了胜利。1961年4月12日,尤里·加加林成为首次进入太空的人类成员,使苏联再次打败美国。1969年7月20日,伴随美国阿波罗11号完成人类第一次登月任务,太空竞赛达到顶峰。1972年4月,阿波罗-联盟测试计划达成合作协议,并在1975年7月,美国航天人员与苏联航天人员在地球轨道相遇,双方局面得到一定时期的缓和。

新太空竞赛?

错误的原因,得到一个正确的结果!希望新一轮的“太空竞赛”能在中美之间展开,加快推进已经逐渐停滞的向太空迈进的步伐!

  • 现在:太空垃圾(Space Debris)

自上世纪20世纪50年代人类已经发射了四千多次航天运载火箭。据不完全统计,太空中现有直径大于10cm的太空垃圾九千多个,大于1.2cf的有10万个以上,而漆片和固体推进剂尘粒等微小颗粒个能数以百万计。这些垃圾除了坠入大气层的以外,其他的垃圾等待清理,以便避免对运行的卫星产生威胁。

太空垃圾

  • 未来:太空移民(Space Colony)

由于世界人口急剧膨胀,地球变得越来越拥挤,于是科学家们提出了建立太空城的设想。科学家拟建的太空城,一种设计方案是一个旋转的圆筒,圆筒的一端对着太阳,另一头为半球形,一座半径为100米、长为4000米的圆筒太空城可容纳大约1万名居民。

太空移民

另外一种方法,在灾难发生之前,未雨绸缪,是人类区别与动物的最大特点之一。移民火星、土卫二(Europa)、土卫六(Titan)等:先发送机器人登录这些行星或卫星,然后指令机器人下钻洞穴,搭建基础设施,寻找水源,利用核能或太阳能进行地下种植,接着传送人类到此移民,逐渐再改造地表和大气环境,最终使得殖民地类似地球环境,再大批量殖民。详见科技幻想(六)未来:人类移民外星

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