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探测火星为何各国都选择最强运载火箭?

  运载火箭是人类摆脱地球引力的起点,也是整个人类航天最为重要的基础,它的能力往往决定一个国家航天能力的上限。火箭的本质是能量转化的工具:将推进剂中蕴藏的化学能,转化为火箭和有效载荷的动能,尤其是有效载荷最终的动能/速度。
  牛顿(左)和开普勒(右)等奠定了航天探索的轨道动力学理论基础
  牛顿、开普勒等先驱为我们推演出了万有引力、天体运行规律等理论,奠定了人类航天的重要基础。其中,开展航天探测的一个重要指标是速度,也因而出现了宇宙速度的概念,因星球而异。对地球而言,人类航天经常要面对的是三大宇宙速度。
  第一宇宙速度:7.9千米/秒。这个速度可以用生活经验方便解释:如果你把石子扔得越快,它就需要更长时间才会落到地上,也会飞得更远。那么,假如它的速度足够快,而地球本身又是圆的,就会"永远在往下落,永远无法落到地球上"。如果这一切发生在地球表面,速度是至少7.9千米/秒。
  三大宇宙速度是人类航天探测的三道鸿沟
  第二宇宙速度:11.2千米/秒。第一宇宙速度的目标是稳定环绕地球,但航天器依然会被地球引力牢牢束缚着。如果想彻底摆脱地球的影响,哪怕最次也是逃离到无限远的地方速度趋近0,但至少不会返回地球,这是第二宇宙速度,又叫逃逸速度。航天器一般是先实现第一宇宙速度,环绕地球,再变轨进一步加速。
  第三宇宙速度:16.7千米/秒。摆脱了地球之后,航天器才会明白谁才是太阳系真正的霸主:太阳!地球虽然很重,但太阳质量相当于地球的33万倍,是整个太阳系99.9%的质量所在,它的引力困住了所有围绕它运动的行星、矮行星、小行星、彗星、星际分子云等。如果摆脱它,以太阳为参考在地球附近需要达到42.1千米/秒。即便地球赐予了庞大的惯性(29.8千米/秒),依然需要16.7千米/秒的额外相对地球速度。飞出太阳系的星际使者都需要靠木星等其他行星引力助推才能逃离。
  第四宇宙速度:超过525千米/秒,还是基于人类已经了解到的银河系计算而来。这个速度对目前的人类航天而言几乎毫无意义,因为人类目前连逃离太阳都是奢望。例如,新视野号是罕见的实现了出发时就达到第三宇宙速度的人类星际使者,但代价是宇宙神系列最强的V-551火箭(重达569吨)全力推送仅重478千克的它。
  "冥王星使者"新视野号发射是典型的"大马拉小车"©️NASA
  综上,航天器的火星探测之旅,至少需要完全克服地球引力,超过第二宇宙速度。但它不需要达到第三宇宙速度完全克服太阳引力,只需在抵达火星之前别被太阳给"拽"回来即可,抵达时火星引力会将它"收入怀抱"。但总体上,探测火星的火箭已经要求极高,基本都是各国最为强力的火箭系列。即便如此,有效载荷占火箭总体质量的比例都在1%以下,这是人类航天梦想的巨大代价。
  近期世界各国火星探测任务的主力火箭
  在实战中,为征服火星,世界各航天大国都拿出了自己的火箭王牌力量。俄罗斯使用过质子K、质子M、天顶、联盟FG,还都需要带上各自的上面级。美国使用过泰坦3、德尔塔2和宇宙神5等系列,印度使用PSLV,日本使用H-IIA,商业航天太空探索科技公司也用猎鹰重型火箭发射过实验载荷到火星轨道。中国也不例外,近期要使用长征系列最强的长征5号火箭实施火星探测发射任务。
  即便如此,火箭只是探测器逃离地球的起步,后续的探测火星依然非常艰难,人类从1960年代起进行了近50次探测,成功率仅为一半左右,人类仍需不断努力!
  (本文已首发国家航天局官网)                                下一站火星(全彩)                        ¥74.9                                                                购买

石器时代口香糖DNA解密古人外貌与生活丹麦科学家已从一块5000多年前的桦树焦油萃取出一个完整的人类DNA检体。古人将桦树焦油当口香糖嚼食,而嚼食这块口香糖的人可能是个黑发蓝眼皮肤黝黑的女子。法新社报导,这块石器时代遗电流倍率对锂离子电池石墨负极电解质界面层的影响研究背景循环寿命和安全性是决定锂离子电池(LIBs)能否应用于电动汽车上的关键因素。电池容量的损失在电池的长期使用过程中会被观察到,这是由几个因素造成的(如固体电解质膜(SEI)的Nat。Commun。通过糖基粘结剂高效调节锂硫电池中的多硫化物研究背景锂离子电池(Liion)的发明改变了世界。但是,随着社会逐渐摆脱对化石燃料的依赖,研发具有更高存储能力和对稀缺矿物需求更低的新型电池则成为人们的研究重点。其中锂硫电池(Li宇宙中最大恒星到底有多大?宇宙是非常浩瀚的,存在着无数的星球,我们人类所赖以生存的地球,也不过是普普通通的一颗星球罢了。科技发展以来,人类能够走出地球去探索宇宙。原本在人类眼中已经非常大的地球,进入太空之后通常我们把太阳系以外的行星称为太阳系外行星或简称系外行星我们经常抱怨天气不好,尤其是现在地球上的极端的天气事件变得越来越普遍,但是如果有一天,我们周末出游时遇到时速5400英里(8690公里)的大风,或者气温升高到能把金属都融化的程度,解决航空物流分配难题量子电脑首次实际应用瑞典查尔莫斯工学院(ChalmersUniversityofTechnology)的研究人员成功地展示使用量子计算机解决了一个实际问题。在此之前人们听说的很多证明量子计算机优越性的改善锂离子电池电极放电率性能的多尺度微结构设计研究背景汽车电池的快速放电能力不仅影响电动汽车的加速和爬坡性能,而且影响复杂驾驶循环下的可行驶里程。了解多尺度的复杂物理和化学过程对于协助电极的战略设计以提高倍率性能至关重要。鉴于碳粘结剂迁移锂离子电池的三维蒸发模型研究背景锂离子电池(LIB)正被公认为我们这个时代的关键技术之一。锂离子电池有可能开启电动汽车的商业成功,并带来更灵活的电网。然而,高电化学性能和循环寿命低成本以及稳定的原材料供应美国空军展示采集太阳能的宏伟计划美国空军在建造一艘可以在空中采集太阳能的飞船,然后以无线电波的形式辐射到地面。把接收太阳能的设施建在云层之上,是现在太阳能研究的一个方向。在高空接收的太阳能更充足,而且比起地面的太EES综述离子液体族准固态电解质在二次电池中的应用第一作者JinkwangHwang通讯作者JinkwangHwang,KazuhikoMatsumoto通讯单位日本京都大学研究背景固态电解质具有优异的电化学性能和安全性能,是下一太空漫游逾两年特斯拉电动跑车终抵火星SpaceX创始人马斯克(ElonMusk)的私人红色跑车在太空漫游两年多后,最近终于抵达火星。这是马斯克的2008款特斯拉(Tesla)红色电动敞篷跑车,在2018年跟随猎鹰重型
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