火箭着陆为何困难重重？
SpaceX公司成功发射太空舱后，猎鹰9号火箭在海上浮动平台尝试着陆但以失败告终。我们应该为此感到惊讶吗？不，应该惊讶的是火箭着陆差点就实现了，因为这是相当困难的。
那么，火箭着陆为什么会这么难呢？《连线》杂志最近发文对其中的原因作出了分析。
登月飞行器的着陆很简单
在阿波罗计划中，我们将好几个飞行器送上了月球。
其实，有一款著名的电子游戏也叫登月者（Lunar Lander），游戏目标就是通过改变角度和推力，让太空舱在月球上安全着陆。
登月飞行器要着陆并不这么容易，不过还是比SpaceX的猎鹰着陆要容易些。那么它们之间的区别在哪？登月飞行器的底部有一个火箭，它可以随着飞行器侧面其它的推进器旋转。而猎鹰9号的底部的火箭引擎，它既要推进又要旋转，这有点难以操纵（还有，登月飞行器在月球上受到的引力更小）。
火箭着陆三动作
猎鹰9号火箭的主推进器可以做到以下3点——
垂直加速度：可以适当让火箭减速，这样火箭就不会因为速度过快而坠毁。
水平加速度：用于改变火箭的水平速度，能帮助改变火箭的水平位置，以便火箭可以在海上浮动平台上安全着陆。
角加速度：可以改变航天器重心的旋转运动，能帮助确保火箭垂直着陆。
也许举一个简单的例子来说明会更有意义。假设猎鹰火箭即将着陆，它具有一定的水平速度，为了让它减速从而安全着陆，底部的火箭引擎必须在相反的方向上施加推力。如下图：
为了给向右加速，火箭会稍微向右倾斜一点，然而，由于该推力并不作用在飞船重心所在的直线上，因此会产生一个改变飞船旋转运动的力矩，加上这一点，那么你就必须改变推力大小，从而使火箭加速上升和下降。
用这样的方法让火箭着陆，是一件非常棘手的事。其实，你可以尝试一下类似的事情。譬如你拿一个扫帚或长棍到一个空旷的地方，在走动的同时，把扫帚的末端立在手上保持其平衡。怎样才能让扫帚停止移动呢？
就像你看到的，在这个试验中，扫帚没掉下来。然而如果火箭也要做到这样的话，那么它的末端需要被固定并保持垂直。
为什么不采用不一样的火箭设计呢？
有两种火箭的设计，第一种就是猎鹰9号那样的设计；第二种就是采用一个更扁平、易于着陆，看起来和登月飞行器有点像的火箭设计。
第二种Easy Lander更容易控制。
首先，它不像猎鹰9号一样修长，重心也更靠近主推进器，这样它们就不会制造太多力矩来改变航空器的旋转运动；
其次，它有多个推进器，这样可以通过不同的推力来将力矩抵消掉；
最后，该设计还包含了侧推器，你甚至可以在不旋转飞船的情况下，改变水平运动。
这看起来似乎不错，对不对？
虽然Easy Lander更易于着陆，但它仍然不如猎鹰9号。猎鹰9号并不是专门用来在海上浮动平台上着陆的，它是为运送物资进入太空而设计的，这才是它的主要功能，也恰恰是Easy Lander缺乏的功能。
修长的火箭在加速穿过大气层时，由于火箭前端的横截面积小，受到的空气阻力也小。Easy Lander运送物资的话，它需要更多的燃料产生动力来抵抗更大的空气阻力，更多的燃料就意味着需要更大的火箭（为了装载更多的燃料），这样又需要更多的燃料来推动更大的火箭。但发射火箭时，每一点重量的增加都至关重要。
当然，Easy Lander只是对火箭形状的一个推测。无论哪种形状，让火箭运送物资进入太空，最后返回并安全着陆是一件非常困难的事情。
（翻译：墨痕；via wired）
- 发表于 2015-01-22 00:00
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