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【原创】 140924曼加里安之我见

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“荧惑”、“大火”、“罚星”、“执法”——火星镇楼


IP属地:上海1楼2014-09-24 20:57回复
    立法三章,事先声明:
    1.本人只是一名普通的天文爱好者,或许部分内容见解有不妥之处,请理性指出。
    2.谩骂,嘲讽,人身攻击等违反吧规的行为一律予以删除。
    3.本贴执行权归本人所有,希望不要在科普贴中出现楼层被抽的尴尬。
    以上~
    PS:85删帖还请告知原因,谢谢。


    IP属地:上海2楼2014-09-24 20:58
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      2025-07-24 07:26:17
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      今天最具有轰动性的新闻莫过于印度曼加里安号探测器成功进入火星轨道,成为第四个成功探测火星的国家。于是乎,网络上对于印度航天工程的溢美之词汗牛充栋,即便在兔吧新闻组的贴子中也发现许多小兔子对航天一知半解。作为天文爱好者,有了开这一贴科普相关知识的想法。

      小评:律师在我国是一个独特的职业。


      IP属地:上海7楼2014-09-24 21:01
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        印度空间研究组织(ISRO)于印度标准时间9月24日上午7点42分宣布印度的“曼加里安”号火星探测器成功进入火星轨道。美国国家航空航天局(NASA)网站随后确认了火星探测器入轨任务的成功,称这标志着印度对火星探索进程中获得“极其关键”的重大成功。
        摘自环球网新闻:http://world.huanqiu.com/exclusive/2014-09/5149149.html
        小评:我们应当为印度在火星探索上取得的成绩鼓掌,这是印度在航天事业中取得的巨大成就,同样证明了印度是一个有雄心,有能力的大国。同时,也给了我们一个重新看待印度的契机,有多少吧友调侃过阿三哥的”布朗蛋“,可是今天印度人用事实告诉世界,我们能够把探测器准确送入火星轨道。
        借用迎春花姐姐的发言:
         我们看到了有关报道,对印度“曼加里安”号火星探测器成功进入火星轨道表示祝贺。这是印度的骄傲,也是亚洲的骄傲,是人类和平探索和利用外空取得的一个重大进展。中方一贯致力于和平利用外空,支持就此开展国际合作。中方主张国际社会共同努力,推动和平利用外空,维护外空永久和平和可持续发展。
        摘自:人民网http://politics.people.com.cn/n/2014/0924/c70731-25728275.html


        IP属地:上海15楼2014-09-24 21:11
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          一切看起来都是这样完美、梦幻,可是小兔子们有没有注意到几个不引人关注的词?
          “超低成本”、“PSLV-C25”、“六次近地点加速”、“300天的飞行”
          从天文爱好者的角度来看,后两个词语显得非常的蹊跷,近地点加速是抬升轨道的常用方式,不过需要六次加速?恐怕并不太常见。300天的飞行?似乎从地球到火星并不需要这么长的时间?
          还有,PSLV-C25是印度的火箭,其推进能力似乎在各国现役火箭中并不算出色(当然,倒数起来更容易找一点……)。还有就是“超低成本”,航天在现阶段就是一个极其烧钱的项目,白象难道开创了航天工程的一个新纪元?
          在这些词的背后,似乎隐藏着一些新闻报道背后所没有涉及的隐情:


          IP属地:上海20楼2014-09-24 21:20
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            相比于地月系的探测,拜访火星的难点在哪里?
            1.KSP(坎巴拉太空计划,一款太空探索游戏)会告诉玩家:燃料,燃料,更多的燃料!
            2.测控,测控,更深、更远、更全面的测控。
            两点缺一不可,让我们看看印度这次火星计划,究竟是如何克服这两点挑战的吧?


            IP属地:上海26楼2014-09-24 21:25
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              印度本次使用的火箭是极轨卫星运载火箭(PSLV-C25),载荷如何?
              维@基百科的资料显示:
              “极轨卫星运载火箭的标准型为4节式火箭并有6枚助推火箭,目前已有将1,600千克的卫星送至622公里高的太阳同步轨道之能力(最大型号)。”
              小评:这……我能吐槽四级火箭只能够将1.6吨的物体送上太阳同步轨道么!而且这次使用的火箭还不是最大的推进火箭,只能将刚刚一吨出头的物体送上太阳同步轨道!
              我们来做一个横向的对比:
              1.兔子的长征四号3C可以将3100千克的物体送入太阳同步轨道(三级火箭);
              2.嫦娥二号的长征三号乙运载火箭的GTO(送入太阳同步轨道的载荷)达到了5100kg;
              3.美国的机遇号,勇气号火星探测器使用德尔塔2-7000型火箭进行发射,GTO为2200kg;
              4.欧洲航天局的阿丽亚娜5型火箭的GTO5970kg。
              5.阿三哥运载能力最强的火箭是GSLV火箭,GTO为2200kg,不过让人感到遗憾的是,因为技术并不成熟,所以还不能使用……
              参考资料:http://zhidao.baidu.com/question/2266066747608485828.html(感谢 @风中的鸡蛋壳)
              这也就是阿三哥这次发射超低成本的原因了,因为它用了一个袖珍的小火箭,并且几乎将它的性能发挥到了极限。


              IP属地:上海39楼2014-09-24 21:44
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                既然先天如此,那就……只能发挥主观能动性尽量加以弥补,去完成这一几乎不可能的任务了。
                曼加里安号探测器的质量是多少?1350千克。什么?这么重,运载火箭都不能把你送进太阳同步轨道啊?阿三哥表示,没关系,我们可以在探测器中多装些燃料……于是乎,1350千克的飞行器中燃料占了900千克,至于有效载荷(运载工具能搭载货物的净重量,我能吐槽维@基百科翻译成了酬载么“payload”)——15kg。
                做一个对比吧:
                鹰酱在1975年发射的海盗号火星探测器,轨道器-着陆器总重3527千克,着陆器重600kg(科学仪器重91kg),轨道器重900kg(科学仪器重72kg)……有效载荷整整比三哥大了一个数量级有没有?!
                上世纪七十年代电子技术不发达,仪器小型化做的不好,所以这样和三哥比不公平。行,那我们就用欧空局2003年发射的火星快车号来对比吧,有效载荷116kg,还有45kg的着陆器猎兔犬号,还是比三哥大一个数量级有没有?
                三哥:不要这样……
                某兔:是的,仪器还是少装点好,否则你则么入轨啊。


                IP属地:上海51楼2014-09-24 21:58
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                  2025-07-24 07:20:17
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                  好了,现在我们可以解释无比销魂的六次近地点加速和300天在漫漫宇宙中的漂泊了。用三个字总结:省燃料。如果不省燃料呢?还是三个字,去不了。
                  近地点加速是航天中最常用的变轨方法,最大的优势,三个字:省燃料…………在近地点上经过一次或者两次变轨,再进入转移轨道是非常常见的飞行路径,可是如同阿三哥,经过六次近地点加速,在地球环绕轨道上整整待了二十四天,原因是什么呢?
                  阿三哥:我在等待发射窗口。(一脚踢飞)
                  还是三个字:省燃料……其实,直接原因是飞行器的加速功率不行啦,一次加速并不足以达到第二宇宙速度,所以需要更多加速几次。但是,推力比较大的探测次,质量比较大,不利于省燃料有没有?
                  那为什么不能进行持续加速直接飞离地球轨道呢?阿三哥:这样省不了燃料啊!
                  呵呵……= =
                  行了行了,经过六次加速,总算脱离了地球引力的控制范围了。
                  曼加里安号:这下我可以直接去火星了吧。
                  阿三哥:不行,你得绕着转移轨道走大半圈。
                  曼加里安号:为什么我们不在冲日点进入火星轨道呢?
                  阿三哥:你个笨蛋,这样近日点不久远了,你看看你还有多少燃料!
                  三哥,你赢了。


                  IP属地:上海62楼2014-09-24 22:23
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                    看到这张图我就无比纠结有没有……


                    IP属地:上海63楼2014-09-24 22:25
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                      这张图我找了好久可以看到,有个某网站的水印还请海涵,三哥这次在地球-火星转移轨道之中绕出了大半个圆弧。

                      实在找不到2003年勇气号发射的轨道示意图了,只好自己做了一张(就别问我轨道为何如此诡异了……),勇气号从2003年6月发射到10月进入火星轨道,相比于阿三哥的时间省去了整整一半时间吧?
                      可以看到,在勇气号进入火星轨道时,太阳-地球-火星大致成为一直线,在天文学上称作冲,此刻入轨有一个最大的好处,就是火星整夜可见,理论上来说可以通过两个观测基站对于卫星的动态做到连续及时的掌握。
                      可是,如果仔细观察上一张图,你会发现阿三哥所对准的点是火星的近日点,2014年火星冲日发生在4月9日,此刻已经过去了整整半年,已经过了东方照(行星位于太阳以东90°)的火星日落后出现在西南天空,一个观测站监测的时间仅有4-5小时(太过接近地平线时会遇到严重的杂波干扰)。而且随着时间进一步的推移,可测控的时间越来越短,2015年6月火星合日(太阳和火星黄经相同,可以近似认为非常接近,会导致探测器的失联),而且基本在2月之后观测火星的条件就相当艰难了,希望阿三哥抓紧时间吧。(太祖兔:一万年太久,只争朝夕)
                      对比鹰酱,俺的勇气号、机遇号可有超过9个月的时间慢慢完成任务哦。


                      IP属地:上海77楼2014-09-24 23:17
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                        为什么勇气号抓得是火星的冲点而阿三哥要去抓火星的近日点呢?
                        三哥:我喜欢挑战自我
                        某兔:一边凉快去,还是三个字:省燃料……
                        可以通过引力势能做一个简单的计算,从地球进入火星轨道需要首先克服地球的引力势能,其次进入地球-火星转移轨道之后,需要克服太阳引力势能直至太阳-火星等引力点,至此之后需要做得就是制动和减速了。因为火星的质量太小,近似认为等引力点就是火星的质心以简化计算步骤。
                        引力势能E=-GMm/r
                        太阳的质量是地球的33万倍,因此假定地球的质量为1,则太阳的质量为330000。地球的直径6371km定义为1au,长度单位以此类推:
                        离开地球引力控制范围需要克服引力做功:
                        E地=G*1/1au=1单位
                        好,那就来计算太阳引力势能的作用吧,2014年4月9日火星距离太阳1.6183天文单位(1天文单位等于1.4959亿千米),2014年9月24日火星过近日点距离太阳1.4220天文单位。地球的偏心率比较小,均记做1天文单位:
                        1.6183天文单位计37999au;1.4220天文单位计33390au;1天文单位计23481au
                        则在冲日时入轨需要克服势能:E日=G*330000/23481-G*330000/37999=5.369单位
                        在近日点时入轨需要克服势能:E日=G*330000/23481-G*330000/33390=4.171单位
                        前者的所需总能量为6.369单位,后者所需总能量为5.171单位,后者比前者小18.8%,也就是说,为了省下这18.8%的能量,阿三哥宁愿选择让在火星近日点是入轨,让探测器在太空中飘荡300天,至于火星出没规律和太阳的干扰等不利条件,全部都可以为这20%不到的燃料做出牺牲。
                        唉,谁让你不用一个推力大一点的火箭呢,谁让你偏偏要去挑战极限,把余量留得这么少呢,何必自己折腾自己
                        当然,反过来说,三哥这一次探测行动颇有些破釜沉舟的观感,即便容错率极小还是成功完成了既定任务,把性价比发挥到最高才能够成为省钱之旅,也需要肯定阿三的能力和魄力,鼓掌,撒花~


                        IP属地:上海80楼2014-09-24 23:48
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                          今天就更到这里,某兔还是相当有节操的,三个多小时都在努力的更新有没有?节操值起码有1mol麻蛇吧?
                          更新的比较慢有以下原因:
                          1.本人毕竟只是天文爱好者,不是相关的从业人员,功底有限。
                          2.科普贴,特别是航天科普贴非常讲求资料的准确性,确定资料是否正确花了很多时间。
                          3.有些图片相当难找,例如曼加里安号的轨道,与勇气号的对比我还自己开了天文软件做了一张(虽然有点丑
                          @jy00827510 这贴的第一部分应该算告一段落了,虽然悲催的慌,写的并不是特别满意,不过总应该算是言之有物的吧?不知吧主是否认为可以保留?


                          IP属地:上海82楼2014-09-24 23:53
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                            开更……貌似本贴的存在让我今天的效率低了不少啊,明明是半天做完的工作,拖了整整一天。
                            现附上印度航天局曼加里安号深空测控页面,有兴趣的小兔子们可以点进去查看权威的第一手资料:
                            http://www.isro.org/Chandrayaan/htmls/ground_segment_spacenetwork.htm


                            IP属地:上海124楼2014-09-25 21:07
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                              2025-07-24 07:14:17
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                              还记得本贴一开始提到的火星探测器的两个难点么?
                              印度航天专家充分发挥主观能动性,在接近极限的条件下解决了燃料匮乏的问题。
                              那深空测控一关是怎么过的呢?四个字:国际合作。
                              兔吧喜欢军事的网友非常多,貌似听到过若干次阿三试射导弹结果丢失目标的新闻。同样的,在印度航天历程之中,也闹过类似的笑话。某返回舱返回时官方按照既定轨道的分析发出了返回成功的消息,可让人遗憾的是,没有在第一时间将返回舱打捞回来。借用某位网友的评论“这说明两个问题,第一是对返回舱的控制不够精确,导致返回舱偏离预定溅落点。第二是测控站没有准确测算出飞船的实际溅落点”。
                              举这些例子并不是为了取笑三哥,而是为了说明,印度的空间探测能力的确不强,以至于在近地空间车测控也往往无法达到项目所需的要求,更不要说探索远在火星轨道的飞行器了。
                              当然,印度对此也进行了有针对性的改进,在近几年建立了印度深空网(IDSN),并且配备了18米和32米的两台天线,投入工作的还有印度遥测、跟踪和指挥网络(ISTRAC),在这一次曼加里安号的旅程中起到了导向的作用。应当恭喜印度在这方面于近几年间有了相当的进步。
                              虽然进步明显,可是距离实际需求还有相当的差距,最显著的一点,印度这两个测控基站都建立在印度本土,如果只是凭借于此,一天对于飞行器的测控时间将会相当有限。所以为了完成既定的任务,印度在本次任务中寻求了国际同行的帮助。
                              所以就有了官方网站中的布局,先是介绍了IDSN和ISTRAN,之后放出的全球测控网点的图片,绝大多数的测控站都是由其他航天机构所提供:

                              就以图中俄罗斯提供的Bearslake测控中心为例,俄方提供了一台64米的天线投入到曼加里安号的任务中来,仅仅是这一台天线,就超过了三哥全部的测控能力。所以深空测控的难关,就通过这样的方式被印度人化解了~
                              不过,以此嘲笑印度同样不足取,理由有二:
                              1.测控间的国际合作是各国的常态,除了美俄具有完整独立的网络之外,其它航天机构都没有足够的基站的建设。例如嫦娥三号任务中,欧空局就为我们提供了帮助。
                              2.尽管测控依靠了国际同行的力量,不过最关键的控还是由印度独立完成,每一条指令发布都由印方独立完成。上面所说的“测控”一词过于宽泛,各国的帮助主要集中在“测”而已。


                              IP属地:上海126楼2014-09-25 21:41
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