登月之旅可能並不需要傾家蕩產,因為科學家已經發現了一條可以降低未來任務成本的捷徑。

就像搭乘噴射機一樣,到達月球的最大成本之一就是燃料。

NASA 的太空發射系統火箭使用超過 200 萬公升燃料,每次發射的成本估計為 40 億美元(28 億英鎊);獵戶座太空船需要更多才能到達月球表面。

但科學家現在已經開發出一種數學方法,可以透過尋找更省油的路線來節省航太機構的資金。

太空任務透過改變火箭速度的量來衡量燃料,而不是體積,體積取決於所使用的燃料。

研究人員的新路線比先前發現的最高效路線每秒所需的燃料少 58.8 公尺。

與此次行程每秒 3,342.96 公尺的總油耗相比,似乎不算多。

然而,主要作者來自科英布拉大學的博士。 Allan Kardec de Almeida Júnior 說:“說到太空旅行,每秒每米都相當於大量的燃料消耗。”

科學家發現了一條通往月球的新捷徑,可以降低月球旅行的成本

到達月球最有效的方法之一是利用太陽系中被稱為拉格朗日點的自然平衡點。

在五個拉格朗日點中,地球、月球和太陽的引力是平衡的。

這意味著一艘太空船可以將自己停在這些地點之一併在太空中旅行,而無需燃燒更多的燃料。

問題在於,圍繞拉格朗日點的軌道本質上是不穩定的,即使軌道上的微小差異也會導致結果的巨大差異。

這使得計算太空船可以通過地球和月球之間的拉格朗日點的所有不同路徑變得極其耗時。

但 Almeida Júnior 博士和他的合著者率先使用了一種新的數學框架,使這些計算變得更加容易。

他們的方法被稱為“功能連接理論”,使他們能夠執行數百萬次計算,而不是數千種可能的軌跡,並選擇最有效的一種。

Almeida Júnior 博士和他的團隊模擬了 3000 萬種可能的登月方式,為他們的研究找到最佳選擇。

燃料是太空任務中最昂貴的部分之一。載著阿耳忒彌斯二號太空人繞月飛行的太空發射系統在發射過程中使用了超過 200 萬公升燃料,而獵戶座太空船則使用更多燃料進行導航

什麼是拉格朗日點?

拉格朗日點是太空中的五個位置,兩個大天體(例如地球和太陽)的引力與圍繞它們運行的物體的運動完美平衡。

這意味著太空船可以使用很少的燃料「停泊」在那裡;這使得這些地點成為太空望遠鏡和科學任務的理想場所。

這五個點被命名為 L1 到 L5。有些直接位於行星之間或行星後面,而有些則形成穩定的“重力袋”,物體可以在其中停留數十年。

NASA 的詹姆斯韋伯太空望遠鏡圍繞著日地 L2 點運行,距離地球約 100 萬英里,在那裡它可以穩定地觀察宇宙深處。

這些點以 18 世紀意大利裔法國數學家約瑟夫·路易斯·拉格朗日 (Joseph-Louis Lagrange) 的名字命名,他於 1772 年首次描述了它們。

他們的新路線挑戰了先前的智慧,即太空船應該從最接近地球的點到拉格朗日點(稱為 L1 變數)接近自然軌道。

研究人員發現,與直覺相反,從更靠近月球的一側接近這些軌道實際上會更好。

使用控制系統,太空船可以無限期地保持在這個軌道上,直到其機組人員準備好踏上月球之旅的第二段旅程。

Almeida Júnior 博士表示,這一停止點有可能將太空任務轉變為蓬勃發展的旅遊業。

他說:「本文提出的策略涉及圍繞L1的軌道,在那裡人類可以擁有獨特的視角:可以在飛船的兩側看到地球和月球!

太空船可以在 L1 周圍的軌道上停留 13 天的倍數,在那裡可以與月球或地球建立連接以取代遊客。

“這一戰略未來可用作採礦活動和旅遊業的中心。”

之所以能夠找到這個不太可能的解決方案,要歸功於數學使團隊能夠計算出如此荒謬的選項數量。

新路線將使太空船遠離地球,並將其置於「拉格朗日點」的軌道上,地球、月球和太陽的引力在那裡達到平衡。從那裡,飛行器可以等待,直到開始第二次進入月球軌道。

合著者來自聖保羅大學的博士。維托爾·馬丁斯·德奧利維拉說:“我們可以使用系統分析和更快的方法來嘗試找到重要的解決方案,而不是假設選擇最接近地球的變化部分更容易。”

具體節省多少燃料可能會因太空船的大小、使用的燃料類型、飛行器的效率以及所運載的貨物量而有很大差異。

好消息是,較重的船舶將受益於燃油量的大幅減少,隨著船舶尺寸的增加,節省的燃油量也隨之增加。

例如,一艘滿載的 SpaceX 星際飛船最多可運載 100 噸貨物,只需稍微改變其前往月球表面的航線即可釋放大量燃料。

除了節省燃料之外,這條新路徑對於月球任務來說也是一個有吸引力的選擇,因為太空船將始終在地球的視線範圍內。

這意味著任務控制中心永遠不會與太空人失去聯繫。

德奧利維拉博士說:「例如,阿耳忒彌斯 2 號任務有一段時間與地球失去了聯繫,因為它位於月球的正後方。

“我們提出的軌道是一種提供不間斷通信的解決方案。”

這條路線的一個主要優點是,當太空船隱藏在地球之外時,不會像阿耳忒彌斯二號任務飛越月球期間那樣出現停機時間。

然而研究人員承認,他們的計算並不完全現實,因為他們只考慮了地球和月球的引力,排除了太陽的影響。

如果考慮到太陽,可以找到更有效的軌道,但這會限制發射視窗。

Almeida Júnior 博士指出:「有必要對太陽的特定位置進行模擬。

“例如,如果我們將任務開始日期模擬為 12 月 23 日,我們將獲得僅對該日期開始的任務有效的結果。”

誰去了月球?

總共有12人在月球上行走。

1 + 2. 阿波羅 11 號 – 1969 年 7 月 21 日

尼爾阿姆斯壯創造了歷史,成為第一個踏上月球表面的人,緊隨其後的是太空人艾德溫「巴茲」奧爾德林。

3 + 4. 阿波羅 12 號 – 1969 年 11 月 19 日及 20 日

皮特康拉德 (Pete Conrad) 和艾倫比恩 (Alan Bean) 是阿波羅 12 號任務中的月球漫步者。

土星五號火箭發射後不久,阿波羅 12 號機組人員經歷了兩次雷擊。

5 + 6. 阿波羅 14 號 – 1971 年 2 月 5 日

艾倫·謝潑德和埃德加·米切爾參與了阿波羅 14 號任務。他們於 1971 年 1 月 31 日發射升空,並降落在阿波羅 13 號最初的目的地——月球的 Fra Mauro 地區。

7+8。阿波羅 15 號 – 1971 年 7 月 31 日

戴夫·斯科特 (Dave Scott) 和詹姆斯·歐文 (James Irwin) 登陸月球並停留了三天,直到 8 月 2 日。

9+10。阿波羅 16 號 – 1972 年 4 月 21 日

約翰·楊和查理·杜克是下一批登上月球的人。當太空人到達月球軌道後,由於指揮和服務艙主發動機出現問題,任務幾乎不得不中止。

11 + 12. 阿波羅 17 號 – 1972 年 12 月 11 日

最後登上月球的人是尤金·塞爾南和哈里森·施密特。

在離開月球之前,塞爾南將女兒特雷西名字的首字母刻在月球風化層上。由於月球不會暴露在風或雨等會侵蝕任何東西的天氣條件下,因此首字母應該會在那裡保留很長時間。

所有登上月球的人

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