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神舟飛船勝出!中美飛船返回精度誰更高?獵戶座著陸精度3.9千米

由 星辰大海路上的種花家 發表于 寵物2023-01-04
簡介6、12月11日,大氣層頂,速度為40233千米小時,約合:11

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獵戶座飛船已經於北京時間12月12日1:40:30成功濺落在墨西哥外海太平洋預定海域,阿爾忒彌斯計劃取得了里程碑式的成功,各大媒體紛紛對此進行了報道。

神舟飛船勝出!中美飛船返回精度誰更高?獵戶座著陸精度3.9千米

比較有意思的是12月4日神舟十四號載人飛船成功返回東風著陸場,直播過程多次預報落點座標,使得大家有了一次計算落點精度的機會,最終計算結果大家卻陷入了大討論,那麼神舟十四的落點精度與獵戶座返回對比,到底誰家的精度更高呢?

神舟飛船VS獵戶座:神舟勝出!

我們先給出答案,依據筆者對神舟十四號落點的精度計算結果以及NASA官方給出的精度資料,結果是神舟十四號落點精度為2。8千米左右,而阿爾忒彌斯任務經理

Mike Sarafin宣佈

獵戶座落點精度為3。9千米,相比之下,神舟十四號要比獵戶座高得多。

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阿爾忒彌斯任務經理Mike Sarafin

不過有朋友表示筆者的2。8千米精度計算問題太多,似乎大家很不滿意筆者這個計算方式,下文就神舟飛船的精度計算和獵戶座返回方式做個簡單的對比,看看筆者計算是否合理。

神舟飛船的計算精度:究竟選哪個合適?

神舟十四號載人飛船於12月4日

20時09分在東風著陸場安全落地,筆者根據直播過程中給出的引數計算了一個2。8千米的精度,結果被廣大網友給罵了個天翻地覆,紛紛指責筆者的計算方式不對,下文就簡單說明下過程:

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直播過程中預報了多次落點,並且還給出了落點座標,筆者整理如下:

第一次預報:北緯41°38‘42“ 東經100°05’35”

第二次預報:北緯41°38‘42“ 東經100°05’35”

第三次預報:北緯41°39‘07“ 東經100°05’13”

落點座標第一次報告:北緯41°39‘14“ 東經100°03’22”

落點座標:北緯41°39‘12“ 東經100°03’08”

筆者開啟直播時已經錯過了第一次預報,但後來有網友留言表示第一次預報和第二次預報沒有差別。所以精度應該怎麼算?按第一次預報的精度與落點對比?還是用最後一次預報與落點對比,似乎兩種方法都有一些不足,預定著陸點是隨時間修改的,就相當於搬著靶子與迎接落點。

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不過幸好在直播過程中現場給出一個預定的瞄準框,一個36千米x36千米的區域,神舟十四號就是瞄準這個區域的中心點返回的,因此用這個中心點座標計算精度更合適,瞄準點&落點之間的距離就是最終精度。

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筆者重建了地圖,取得中心座標為41。63364,100。07432,與最後一次落點之間的距離差為2855。99米,也就是2。86千米左右,當然筆者重建地圖存在誤差,不過從地圖的精度看±50米範圍應該是存在的,也就是精度在2。8~2。9千米之間。

假如按最後一次預報落點精度,那麼誤差僅為430米,但筆者認為這種方式不合適,這也是筆者計算方式與朋友們的留言意見相差比較大的原因,各位認為哪個更合適?

獵戶座返回:精度3。5千米,但技術挺難的!

這次獵戶座返回,大家的看點不在官方宣佈的精度,而是其返回過程!因為阿爾忒彌斯計劃的獵戶座飛船從月球返回是一個漸漸加速的過程,從NASA官方公佈的返回資料如下:

1、12月6日,離地球392679。9千米,月球127138千米,速度804。7千米/小時;

2、12月7日,離地球376747千米,月球205513千米,速度

1319。6千米/小時;

3、12月8日,離地球333456千米,月球290325。6千米,速度

2277。2千米/小時

4、12月9日,離地球276002千米,月球344721千米,速度為

3379。6千米/小時;

5、12月10日,離地球182584千米,月球385328千米,速度為

5431。5千米/小時;

6、12月11日,大氣層頂,速度為

40233千米/小時,約合:11。176千米/秒

獵戶座飛船走的是一條繞地的大橢圓軌道,遠地點在月球,近地點在地球,剛開始時速度很慢,但進入地球引力範圍後速度越來越快,直至它基本接近第二宇宙速度衝入地球大氣層。

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其實大家不用懷疑這個速度,根據動量守恆,從地球出發的繞月飛船,出發時必須以接近第二宇宙速度,到達月球時其實速度很慢了,然後當飛船從月球軌道回到地球附近時又會將勢能能轉換為動能,也就是和飛出地球時的速度差不多。

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如果直接衝進大氣層,那麼有兩個結果,一個是減速過載太大,宇航員會受不了,雖然這次獵戶座飛船沒有宇航員,但下次是要乘坐宇航員的。另一個是速度太高,飛船大底的激波加熱高溫會超過承受極限。

此時獵戶座飛船有兩個選擇,一個是減速進入地球軌道,也就是從11。176千米/秒的速度減速到大約7。8千米/秒的速度,顯然這需要點燃火箭發動機,加速要多少燃料,減速就得多少燃料,減速後在減速進入大氣層;

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另一個選擇是使用一種跳躍式再入的方式,獵戶座飛船在衝入大氣層時以重心控制有一定的升力迎角,讓其在大氣層中減速的同時會獲得一定的升力,等到大氣越來越稠密,就會被空氣動力再次“彈出”大氣層外,然後再經過一個拋物線再次進入大氣層。

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經過第一次減速後,獵戶座飛船速度已經大大降低,而且丟擲大氣層再入的過程中會得到冷卻,然後再次經歷減速,此時的減速就和地球軌道再入沒啥差別了,不僅乘員的舒適度提高了,而且飛船絕熱大底的耐高溫要求也降低了,這種減速方式有一個比較通俗的稱呼叫做“‘Skip’ Reentry”(跳躍式再入)。

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我國的嫦娥五號T1以及再入返回艙使用的也是這種返回方式,優點是可以節省減速燃料,缺點是對控制技術要求相當高,所幸是我國技術人員已經完全掌握這個技術,現在看來,美國人也是完全掌握了。

從返回難度來說,獵戶座的飛船要比神舟十四號飛船要更高一些,而NASA官方公佈的要求是落點在20千米直徑範圍,在這個區域內都是合格的,而我國雖然框定了36 x 36千米的搜尋區域,卻沒有公佈“合格區域範圍”,不過從精度來看,明顯是神舟十四要更高一些。

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另外從落點精度控制上來看,其實從降落傘開啟後就很難控制了,因為給飛船減速的降落傘都是減速傘,不是滑翔傘,無法控制落點的那種,與落點有關係的是開傘高度和高空風速,開傘高度越低,落點越可控,高空風速越低,精度越高,從這個角度看,2。8千米和3。9千米基本也同屬一個數量級。

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海面濺落VS地面著陸,到底誰更難?

我國的神舟系列都是從陸地降落的,而美國無論是獵戶座飛船還是SpaceX的龍飛船,都是從海面濺落,哪種難度更高呢?

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相對而言,肯定是海面濺落難度比較低,原因也很簡單,海面濺落的飛船可以省掉一道著陸緩衝火箭,這是拋掉絕熱大底後在距離地面約1米高度時點燃的緩衝火箭,將10米/秒的飛船下落速度減速到2米/秒,此時需要一套絕對可靠的高度檢測機構感知高度,因為這個減速發發動機早開了不行,晚開了更不行,必須要恰到好處。

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因此綜合技術來判斷,海面濺落難度會比陸地降落降低一個數量級,為何我國又不採用海面降落呢?原因比較簡單,我國沒有大面積連續的海域供我們作為航天降落場地,前蘇聯也存在這個問題,因此中國和蘇聯(俄羅斯)的降落場都是設定在內陸草原或者半荒漠或者戈壁地區。

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獵戶座飛船能陸地降落嗎?

答案是早期版本可以的,獵戶座飛船曾經測試過落地籤開啟氣囊緩衝。各位千萬不要以為這是玩笑,而是正兒八經的的著陸方式,當年美國的火星探測器還用氣囊緩衝呢,我國的新一代載人飛船也是氣囊緩衝,這個要比緩衝火箭環保多了,而且維護也更方便。

神舟飛船勝出!中美飛船返回精度誰更高?獵戶座著陸精度3.9千米

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不過獵戶座飛船僅僅是早期測試過,“量產”的獵戶座飛船是不能在地面降落的,因為最終沒有選擇氣囊,所以只能在海面濺落,而龍飛船是可以在地面降落的,我國的神舟飛船則是地面和海面通用型,地面降落看起來更難一些,但對於NASA來說,也不是什麼大問題,但美國在佛羅里達東南部有廣袤的大西洋,西部則有太平洋可以濺落,為什麼要弄那麼麻煩的地面降落呢?