Почему Сатурн V не направился прямо к Луне?

Я думаю, у вас может быть недоразумение, которое не рассматривается ни одним из других ответов.

Это правда, что большая часть работы ракеты при выходе на орбиту заключается в том, чтобы набрать скорость, достаточную для достижения орбитальной скорости. Но вам нужно набрать еще большую скорость, чтобы добраться до Луны. На самом деле, когда они были на пути к Луне, они все еще находились на орбите вокруг Земли, просто очень длинной узкой орбите с одним концом около Земли, а другим концом там, где на самом деле вращается Луна. Если бы Луны не было, они продолжали бы вращаться вокруг Земли, ускоряясь по мере приближения и замедляясь по мере удаления.

Так что ни один труд не пропал даром. Сначала они разогнались настолько, чтобы поддерживать круговую орбиту вокруг Земли, и потратили достаточно времени, чтобы убедиться, что все в порядке. Затем они добавили достаточную дополнительную скорость, чтобы добраться до Луны. Выполнение всего этого одним выстрелом не сэкономило бы топлива.

Я рекомендую прочитать другие ответы, потому что они объясняют положительные преимущества начальной парковочной орбиты - этот ответ просто объясняет, почему это не неэффективно. (Отредактировано позже, чтобы добавить это.)

Для прямого полета на Луну потребуется очень маленькое стартовое окно.

Земная орбита ранее позволяла запускать окно примерно от 3 до 4 часов, см. этот вопрос . Прерывание с околоземной орбиты стало возможным, когда второе зажигание третьей ступени Сатурна V не удалось с использованием двигателя служебного модуля для инициации повторного входа в атмосферу.

Время пребывания на орбите использовалось для заполнения длинного контрольного списка TLI. Если бы была обнаружена серьезная неисправность, можно было бы прервать TLI (маневр транслунной инъекции).

Отправляясь прямо на Луну, вы мало что выиграете, и, как сказал @Uwe, это делает сроки запуска чрезвычайно сложными. Позвольте мне попытаться объяснить, почему здесь очень мало выигрыша.

Самый экономичный способ добраться ракетой с Земли до Луны — это разогнаться как можно ближе к Земле до тех пор, пока она не начнет двигаться с необходимой скоростью (которая примерно на 40% выше орбитальной скорости) от Земли к Луне. Луна. Затем он движется по инерции, постепенно замедляясь под действием силы тяжести Земли, пока не достигает точки, где гравитация Луны достаточно сильна, чтобы тянуть его до конца пути. Немного промахнувшись мимо Луны и используя ракеты, чтобы немного замедлить себя, он может выйти на орбиту вокруг Луны. Это связано с так называемым эффектом Оберта, который часто обсуждается на этом сайте.

Теперь может показаться очевидным выбрать момент, когда Луна находится более или менее прямо над головой и ускориться вверх, но, как говорит @Machavity, это игнорирует полезную дополнительную скорость, которую вы можете получить от вращения Земли, что означает, что на самом деле это лучше выполнять большую часть ускорения горизонтально с запада на восток (также хорошо начинать как можно ближе к экватору). Как только вы это сделаете, наступит момент, когда вы будете двигаться с орбитальной скоростью, поэтому, если вы просто выключите свою ракету в этот момент, вы окажетесь на низкой околоземной орбите. Затем вы ждете, пока ваша орбитальная скорость не укажет более или менее на Луну (на самом деле там, где она будет через пару дней), снова включаете двигатель и заканчиваете ускорение.

Этот вопрос, по-видимому, основан на фундаментальном непонимании космоса, то есть, по правде говоря, чрезвычайно распространенном среди широкой публики. Это идея о том, что в космосе нет гравитации, поэтому вещи в космосе невесомы.

"Но ждать!" ты говоришь. «Я видел видео космонавтов в космосе, и мне они кажутся невесомыми». И вы были бы правы, они кажутся невесомыми... но это не так. Они находятся в состоянии, известном как «свободное падение».

Итак, «свободное падение» как технический термин означает, что на объект не действуют никакие силы, кроме гравитации. Итак, если вы выстрелите из ружья вертикально вверх, то оно будет находиться в свободном падении с момента вылета из ствола до момента удара о землю (без учета сопротивления воздуха), хотя оно «падало» в разговорном смысле всего наполовину. того времени. Вещи в свободном падении кажутся невесомыми другим вещам, которые также находятся в свободном падении, поэтому астронавты могут летать вокруг космического корабля. На самом деле было доказано, что вы не можете отличить реальную невесомость от свободного падения в однородном* гравитационном поле.

Итак, если вы попытаетесь подняться прямо с Земли, вы все время будете бороться с гравитацией. Однако, если вы наклоняетесь и толкаете горизонтально, вы можете набирать скорость без необходимости бороться с гравитацией, что делает промежуточные парковочные орбиты намного более эффективными, чем прямой подъем**, даже если вы не принимаете во внимание такие вещи, как эффект Оберта .

Вы упомянули, что им нужно было разогнаться до 28 000 км/ч, чтобы выйти на стабильную орбиту, а это означает, что прямой подъем будет медленнее. Но это не так. Да, они должны были выйти на орбиту так быстро, но затем им пришлось еще больше ускориться (примерно еще на 6000 км/ч), чтобы двигаться достаточно быстро, чтобы избежать падения обратно на Землю, и даже тогда они приближались только к 3000-5000 км/ч, когда они достигли точки, где гравитация Луны стала больше, чем земная, и они снова начали ускоряться. Это та же скорость, которую нужно было бы достичь при прямом подъеме, хотя и без вышеупомянутого повышения эффективности.

Обратите внимание, что я не физик, поэтому, вероятно, я не очень хорошо это объясняю. Я использую «борьба с гравитацией» в разговорном смысле. По сути, гравитация всегда тянет вас вниз, поэтому любое топливо, которое вы используете для подъема, противостоит гравитации. В крайнем случае представьте себе ракету общим весом 100 кг с двигателем, развивающим тягу 981 Н. Если он направлен прямо вверх, тяга будет идеально сбалансирована его весом (без учета уменьшения массы из-за сжигания топлива), поэтому он будет тратить все свое топливо, зависая в одном месте, и совершенно никуда не двигаясь. Однако поверните его на бок, и внезапно он разгоняется быстрее, чем Ferrari, разгоняясь от 0 до 100 км/ч (60 миль в час) за 2,8 секунды.

То же самое происходит и в космосе. Любая вертикальная тяга (например, радиальная наружу (от планеты) илирадиальный (по направлению к планете)) должен будет преодолеть как инерцию космического корабля, так и гравитацию, в то время как тяга по горизонтали (проградная (вперед), ретроградная (назад), нормальная (слева) или антинормальная (справа)) должна только бороться с инерция космического корабля, и поэтому более эффективен. Вы можете увидеть это во время запуска: ракеты должны на короткое время двигаться в радиальном направлении, чтобы подняться над самой толстой частью атмосферы, но затем они переходят в горизонтальное положение, как только это возможно, чтобы избежать сжигания большего количества топлива. тогда они должны. Низкие околоземные орбиты имеют скорость порядка 7,5 км/с, но космические аппараты, запускаемые с поверхности, обычно имеют дельта-v от 8 до 8,5 км/с, причем эта дополнительная дельта-v теряется из-за гравитации во время короткой фазы вертикального подъема. .

На этапах планирования программы «Аполлон» прямое восхождение рассматривалось как одна из возможных стратегий запуска. Преимущество заключалось в том, что это был бы гораздо более простой план, чем заботы об орбите, а у них был большой дефицит времени. Одна из причин, по которой проект был отложен, заключалась в том, что у них не было достаточно больших мощностей, чтобы построить огромную ракету, которая потребовалась бы для такого плана.

*Обратите внимание, что гравитационное поле Земли не совсем однородно. Таким образом, астронавты ощущают очень небольшую гравитацию, сила и направление которой меняются в зависимости от того, где они находятся на корабле. Вот почему в официальной литературе НАСА упоминается «микрогравитация», а не «невесомость».

** Хорошо, технически вам не нужно выходить на орбиту, чтобы получить повышение эффективности. Здесь важна горизонтальная тяга. Таким образом, вы можете двигаться горизонтально от суборбитальной скорости до космической скорости, даже не выходя на официальную «орбиту». Но остановка на полпути, чтобы убедиться, что все работает и что вы правильно выровнены для следующего запуска двигателя, - это просто хорошая инженерия, как упомянул @jamesqf.

В дополнение к физическим причинам есть и практическая инженерная причина: вы можете использовать время на околоземной орбите, чтобы проверить системы вашего космического корабля, чтобы увидеть, не были ли они повреждены из-за нагрузок при запуске. Если они есть, вы можете быстро прервать и вернуться на Землю. То же самое и с лунной орбитой: вы можете проверить LM перед тем, как совершить спуск, и повторно состыковаться с CM, если возникнут проблемы.

ИНС , внутренняя навигационная система того времени, была чувствительна к вибрации, и первая ступень пятой ступени Сатурна, вероятно, вращала все гироскопы межконтинентальных баллистических ракет ВМФ на первой ступени. Первые две ступени не более чем набор проверенных деталей межконтинентальных баллистических ракет 1959-1962 годов.

Хорошо задокументировано, что сжигание TLA было рассчитано и перекрестно проверено как наземными мейнфреймами IBM, так и легендарным компьютером Apollo Command Module (CM). Был этап калибровки акселерометров, выравнивание опорной плоскости КМ с большими углами аорты между наземными станциями и системой RCS, которые должны выполняться на земной орбите, потому что это будет автоматический автономный путь домой в случае, если радиосвязь пропадет. . Есть 80 других причин для проверки околоземной орбиты, включая приспособление экипажа к невесомости.

Можно ли добраться до лунной орбиты с помощью тумблера, наручных часов, нескольких решеток, выгравированных на окне, и ручного управления подвесами сервисных модулей и RCS? Базз говорит, что даже орбитальный калькулятор НЕТ... найти смещение CQ было просто невозможно. НАСА упаковало 2 лишних 300 фунтов компьютеров и гироскопов и 1 ракетный двигатель увеличенного размера LM, чтобы избежать этого.

Если бы какой-либо секстант выравнивания был затуманен каким-то странным выделением газа, не было бы ни ухода с земной орбиты, ни способа выровнять платформу для ожогов лунной орбиты, где все точки слежения указывали бы на одни и те же 3 градуса. Если КМ протекал со скоростью баскетбольного мяча, который разваливается за 3 дня, нет смысла уходить. Если компьютер ЛЭМ или связь вышли из строя, покидать орбиту почти не нужно. Если бы часы реального времени не могли быть отрегулированы, никакой стыковки с Луной после посадки не было бы. Если хоть один из топливных элементов был разбит, миссия завершалась.

На земной орбите почти любое радио, называемое ретроградным, с астронавтами, видящими земной горизонт, доставит вашу команду на палубу авианосца через 3-12 часов.

Некоторые ключевые моменты, которые следует учитывать:

• Чем дольше вы применяете тягу против силы тяжести, тем больше топлива вам требуется.
• Орбита есть орбита; низкие околоземные орбиты, путь Луны вокруг Земли (или, точнее, барицентр Земля-Луна) и даже переходы Земля-Луна или Луна-Земля - ​​все это орбиты и, возможно, все орбиты Земли. Перелет Земля-Луна является особым случаем, потому что наиболее целесообразным перелетом Земля-Луна является уход с Земли, но все же на солнечную орбиту.
• Чем выше ваша орбитальная высота, тем больше у вас орбитальной энергии, хотя и угловая, и тангенциальная скорости ниже. Таким образом, Луна, несмотря на ее месячный период (движение вокруг Земли со скоростью около 2300 миль в час), имеет больше орбитальной энергии на единицу массы, чем спутник, движущийся вокруг Земли со скоростью 17 000 миль в час.

Это означает, что для достижения Луны ракета должна приобрести больше кинетической энергии, чем требуется для выхода на низкую околоземную орбиту. Это также означает, что выход на орбитальную скорость как можно быстрее сводит к минимуму необходимое для этого топливо.

Таким образом, профиль полета с Земли на Луну является оптимизацией, в которой учитывается ряд факторов.

• Поднимитесь над атмосферой (или значительной ее частью), прежде чем набрать слишком большую скорость, чтобы избежать аэродинамического сопротивления и нагрева. Двигаясь слишком быстро в густом воздухе, вы тратите энергию на сопротивление и рискуете перегреть части космического корабля.
• Разогнаться до орбитальной скорости как можно быстрее, учитывая ограничения конструкций и человеческую устойчивость к перегрузкам. Больше перегрузок означает, что вам нужно строить сильнее, что увеличивает вес, и ваши обитатели будут страдать.
• Как только вы окажетесь хотя бы на низкой околоземной орбите, вам потребуется больше времени, и вам не нужно будет напрягаться, чтобы идти дальше; меньший двигатель сделает эту работу, просто это займет больше времени.
• Чтобы добраться до Луны с низкой околоземной орбиты, вам нужно как минимум разогнаться, пока вы не достигнете эллиптической орбиты, имеющей апогей почти на орбитальном расстоянии Луны от Земли. Это не совсем так (я не знаю математики/физики, чтобы точно это вычислить), но скорость, необходимая на высоте НОО, будет значительно превышать круговую скорость НОО; другими словами, вам нужно добавить несколько тысяч миль в час к вашей скорости LEO.

Обобщить:

Достижение скорости LEO не является напрасным усилием; это:

• Необходимый шаг на пути (все равно надо идти быстрее)
• Оптимизация (минимизирует используемое топливо)
• Возможность проверить, что все в порядке, прежде чем переходить к следующему шагу.