火箭:为什么救援计划1(直接把救援物资发射到火星)和计划2(把补充物资送到赫尔墨斯号太空船)都需要太阳神火箭,为什么不能用小一点的火箭完成计划2?为什么火星上的火箭需要大幅度减重?
这两个问题实际上是一回事,都牵扯到太空旅行的一个关键问题:速度。xkcd曾经有一篇文章谈到轨道速度问题(科学松鼠会有译文),说法很精辟:进入地球轨道之所以困难不是因为太空太高。进入轨道很困难是因为你必须达到足够快的速度。
太空并不是像这样:
太空其实是这样的:
理论上说,到达太空并不困难,困难的是如何不掉下来。为了保持环绕地球,你所需要的速度是子弹的十倍。巨大的火箭其实主要是用来提供巨大的速度,而不是升到几百公里的高空或对抗空气阻力。如果要去火星,需要的速度还要再高出50%。
回到问题1,当地球把物资送到赫尔墨斯号(考虑到舰长是女的,也可以称为爱马仕号)时,我们注意到物资舱和赫尔墨斯号的相对速度几乎是0,这就表示物资舱的速度必须达到赫尔墨斯号的速度。赫尔墨斯号的速度足以送它去火星,那么物资舱的速度也必须足以让它独自到达火星。所以说直接把救援物资发射到火星和把补充物资送到赫尔墨斯号太空船所需要的能量是相同的,都需要电影中太阳神级别的火箭才能做到。
换成一个小火箭,虽然可以让物资舱和太空船交会,但两者的相对速度至少有10马赫,物资舱相当于一颗巨大的炮弹,它会直接把太空船打得粉碎而不是与之会合。
火星上的情况类似,上升火箭只是一个小火箭,它只能把人员送到环绕火星的轨道,不能把人送回地球。但救援方案2却要求这个火箭达到足以把人直接送回地球的速度,因此需要大幅度减重。此外,火箭的燃烧速度是有一定范围的,大幅减重就会造成加速度增加,超过人的忍受极限,所以马特达蒙在火箭上升过程中昏了过去。