在数学的几何图形中,有一句话叫“两点之间,直线最短”,所以耗时也最短。可是,在太空领域,往往却会选择“绕路”的方式。比如,从地球发射飞船前往月球,不是走直线飞过去的,而是先绕着地球转两圈,再拐个弯朝月球飞去。那么,为什么要这样呢?
讲道理说,要把飞船从地球送到月球,需要克服地球引力,还要调整速度匹配月球轨道,这需要的“速度增量”是固定的。如果选择直飞,飞船得一直开着发动机加速,直到脱离地球引力,这样整个过程发动机几乎不停,需要的速度增量约15千米/秒。
要是用“霍曼转移轨道”,先绕地球飞行,利用地球引力“甩”出去,再在中途调整速度,最后进入环月轨道,需要的速度增量只有10千米/秒左右,这样的话,比直飞省了近30%的燃料。
科学家说,在航天领域,燃料就是重量,重量就是成本。多带1吨燃料,火箭就要加粗一级,成本增加上亿元。所以,变轨不是绕远路,是在省燃料和省成本之间的最好选择。
那么,如果不考虑燃料问题,直飞真的更容易吗?
地球和月球的距离,大约是38万公里,问题是这个距离不是固定的。实际情况下,地球和月球的距离,会在36.3万千米到40.6万千米之间波动,就像月亮有时近有时远。
如果按照平均距离直飞,飞到一半发现月球离得更远了,或者更近了,飞船没有调整的余地,要么冲过头,要么到不了。
而绕圈变轨能解决这个问题,飞船先在近地轨道绕几圈,地面测控站能精准测量飞船的位置和速度,算出地月实时距离,再调整轨道参数。比如,嫦娥五号在飞往月球的过程中,就进行了2次中途修正”,每次只调整几米每秒的速度,确保不会跑偏。
再说了,地球不是完美的球体,引力分布不均匀,赤道附近引力稍弱,两极稍强。飞船直飞时,会受到不均匀引力的影响,轨迹慢慢偏移,就像开车时方向盘有点歪,越开越偏。
而绕地飞行时,工程师能提前计算出引力不均匀的影响,在变轨时一并修正,把偏差控制在几米以内。要知道,飞船进入环月轨道时,偏差超过100米就可能无法对接,所以必须精准。
1970年,阿波罗13号在飞往月球的途中,氧气罐爆炸,飞船失去大部分动力。幸运的是,当时用的是绕月变轨方案,飞船还能继续飞向月球,利用月球引力“甩”一下,调整轨道方向,再启动备用发动机,最后安全返回地球。
要是直飞,情况就糟糕了。飞船在脱离地球引力后,处于“无动力滑行”状态,一旦发动机故障,既没法加速,也没法减速,只能顺着惯性飞,要么撞上月球,要么成为太空垃圾。
现在的航天任务,不管是中国的嫦娥系列、美国的阿尔忒弥斯计划,还是欧洲的月球探测器,都用绕圈变轨的方式,不是因为“不会直飞”,而是经过半个多世纪的实践,变轨已经被证明是“最安全、最可控”的方案。