火箭著陸為何困難重重？

SpaceX公司成功發射太空艙后，獵鷹9號火箭在海上浮動平臺嘗試著陸但以失敗告終。我們應該為此感到驚訝嗎？不，應該驚訝的是火箭著陸差點就實現了，因為這是相當困難的。

那么，火箭著陸為什么會這么難呢？《連線》雜志最近發文對其中的原因作出了分析。

登月飛行器的著陸很簡單

在阿波羅計劃中，我們將好幾個飛行器送上了月球。

其實，有一款著名的電子游戲也叫登月者（Lunar Lander），游戲目標就是通過改變角度和推力，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，不過還是比SpaceX的獵鷹著陸要容易些。那么它們之間的區別在哪？登月飛行器的底部有一個火箭，它可以隨著飛行器側面其它的推進器旋轉。而獵鷹9號的底部的火箭引擎，它既要推進又要旋轉，這有點難以操縱（還有，登月飛行器在月球上受到的引力更小）。

火箭著陸三動作

獵鷹9號火箭的主推進器可以做到以下3點——

垂直加速度：可以適當讓火箭減速，這樣火箭就不會因為速度過快而墜毀。

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平臺上安全著陸。

角加速度：可以改變航天器重心的旋轉運動，能幫助確保火箭垂直著陸。

也許舉一個簡單的例子來說明會更有意義。假設獵鷹火箭即將著陸，它具有一定的水平速度，為了讓它減速從而安全著陸，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，火箭會稍微向右傾斜一點，然而，由于該推力并不作用在飛船重心所在的直線上，因此會產生一個改變飛船旋轉運動的力矩，加上這一點，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，你可以嘗試一下類似的事情。譬如你拿一個掃帚或長棍到一個空曠的地方，在走動的同時，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呢？

就像你看到的，在這個試驗中，掃帚沒掉下來。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。

為什么不采用不一樣的火箭設計呢？

有兩種火箭的設計，第一種就是獵鷹9號那樣的設計；第二種就是采用一個更扁平、易于著陸，看起來和登月飛行器有點像的火箭設計。

第二種Easy Lander更容易控制。

首先，它不像獵鷹9號一樣修長，重心也更靠近主推進器，這樣它們就不會制造太多力矩來改變航空器的旋轉運動；

其次，它有多個推進器，這樣可以通過不同的推力來將力矩抵消掉；

最后，該設計還包含了側推器，你甚至可以在不旋轉飛船的情況下，改變水平運動。

這看起來似乎不錯，對不對？

雖然Easy Lander更易于著陸，但它仍然不如獵鷹9號。獵鷹9號并不是專門用來在海上浮動平臺上著陸的，它是為運送物資進入太空而設計的，這才是它的主要功能，也恰恰是Easy Lander缺乏的功能。

修長的火箭在加速穿過大氣層時，由于火箭前端的橫截面積小，受到的空氣阻力也小。Easy Lander運送物資的話，它需要更多的燃料產生動力來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推動更大的火箭。但發射火箭時，每一點重量的增加都至關重要。

當然，Easy Lander只是對火箭形狀的一個推測。無論哪種形狀，讓火箭運送物資進入太空，最后返回并安全著陸是一件非常困難的事情。

（翻譯：墨痕；via wired）

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