出品：科普中國

制作：川陀太空

監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心

1969年7月16日，隨著土星五號的發(fā)射，美國宇航局阿波羅計劃中的第五次載人任務(wù)成功開啟，即阿波羅11號，在燒掉2000多噸燃料后完成了人類第一次登月任務(wù)。阿波羅11號上搭載3名宇航員，其中阿姆斯特朗與奧爾德林分別踏上月球表面，指令艙飛行員柯林斯則成為世界上最孤獨的人，在登月期間，他一個人留守指令艙，繞著月球飛了數(shù)十圈，看了一遍又一遍的月球背面，也算是體驗了一回置身世外。

阿波羅11號三名宇航員（圖片來源NASA）

第一個登月腳印，圖片來源：NASA

美蘇太空競賽加速了登月探索

阿波羅登月的背景是在美蘇太空競賽時期，1957年蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星斯普特尼克1號，震撼了整個西方，強勢打擊了美國在航空航天領(lǐng)域夜郎自大的心態(tài)。美國國內(nèi)將其稱為斯普特尼克危機，直接導致了美蘇正式進入太空競賽。針對斯普特尼克1號衛(wèi)星的領(lǐng)先優(yōu)勢，美國成立了國防部高級研究計劃局的前身，啟動水星計劃并且獲得大量科研經(jīng)費支持。從蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星到1969年實現(xiàn)登月，人類只用了12年的時間。在這12年的時間內(nèi)，美蘇對月球進行了全面勘探，基本上掌握了月球的基本參數(shù)，包括月球表面到底能不能站人。我們?nèi)缃癞斎幻靼自虑蛏峡梢哉救?，但?960年代還不清楚，需要無人探測器軟著陸進行驗證。據(jù)初步統(tǒng)計，在1950年代末到1970年代中期，美蘇各發(fā)射了20多個月球探測器、載人飛船，完成了人類第一次對月球的大規(guī)?？蒲谢顒印?/p>

登月的難度不小 NASA求助于德國制造

登月無疑是太空競賽最巔峰的動作，誰第一個完成，誰就是勝利者。阿波羅11號登月期間，蘇聯(lián)月球15號自動采樣返回探測器在危海墜毀，不僅未能完成任務(wù)，還與阿波羅11號成功實現(xiàn)載人登月形成了鮮明的對比。對NASA而言，要在短短12年內(nèi)實現(xiàn)登月，技術(shù)上的飛躍是必然的。登月首先需要一款大推力火箭，由德國科學家馮布勞恩主導研發(fā)的土星五號火箭在阿波羅4號任務(wù)期間測試成功，其設(shè)計起源甚至可追溯到德軍V-2火箭。二戰(zhàn)結(jié)束后，馮布勞恩和多名曾經(jīng)的德軍火箭專家在白沙導彈靶場重新打造了一枚從德國運回的V-2火箭，由此開啟了美國運載火箭高速發(fā)展的時期。

轉(zhuǎn)運中的土星五號第一級，圖片來源：Daily Mail

歷次阿波羅任務(wù)中發(fā)射的土星系列運載火箭圖片來源：Daily Mail

相比之下，蘇聯(lián)N-1火箭4連炸失敗直接導致了蘇聯(lián)登月計劃的失敗。許多人認為N-1火箭的失敗是30臺NK-15發(fā)動機并聯(lián)數(shù)量太多，但SpaceX的重型獵鷹第一級也采用了27臺默林1D發(fā)動機并聯(lián)，因此第一級發(fā)動機并聯(lián)數(shù)量太多并非設(shè)計問題，而是蘇聯(lián)在當時的技術(shù)條件下無法實現(xiàn)這個設(shè)計。土星五號將第一級演化成5臺F-1發(fā)動機，在土星C-5配置中火箭方案實現(xiàn)了最優(yōu)，NASA決定繼續(xù)按照馮布勞恩的設(shè)計方案研發(fā)土星火箭，這是登月成功的一個關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點。

30臺NK-15發(fā)動機并聯(lián)的蘇聯(lián)N-1火箭，圖片來源：reddit.com

27臺默林1D發(fā)動機并聯(lián)的重型獵鷹火箭，圖片來源：spaceX

重型獵鷹第一級的27臺發(fā)動機特寫，圖片來源：spacex

△1964年5月在馬歇爾空間飛行中心辦公室內(nèi)的馮-布勞恩，身后為土星系列火箭模型清晰可見，一手奠定了美國運載火箭的基石。

登月另一個難點在于登月方案，NASA采用了月球軌道交會對接的方案，節(jié)省了大量的燃料和工程開發(fā)時間。該方案利用地球軌道離心力將登月航天器送入月球軌道，登月艙分離，主航天器留在軌道上，從月面返回時在月球軌道上完成對接后前往地球。在確定登月方案之后，格魯曼飛機公司開始研發(fā)登月艙，正式有了土星五號的強大推力，登月艙總質(zhì)量達到了14噸，還能攜帶一輛月球車。由于月球上幾乎沒有大氣，從月球軌道下降到月球表面無需隔熱控制，大大簡化了登月流程。事實上載人登月集合了美國當時最先進的科研生產(chǎn)力，涉及科學家、工程師、技術(shù)人員等400多萬人，任何一個環(huán)節(jié)都可能因為技術(shù)問題而致命。

登月艙，宇航員和月球車的合影，圖片來源：spacenews

險象環(huán)生

在阿波羅11號登月起降，阿姆斯特朗和奧爾德林在控制登月艙下降時也出現(xiàn)各種警報響起、錯過著陸點數(shù)千米等潛在危機，在鷹號登月艙距離月面還有9米時，燃料只剩30秒，萬一著陸艙下方是個碎石坑，那么登月艙就可能出現(xiàn)傾覆，導致阿姆斯特朗和奧爾德林無法返回。在月球軌道調(diào)整時，奧爾德林的背包意外將登月艙上升段發(fā)動機保險開關(guān)給接觸了，休斯敦地面控制中心一度擔心上升段發(fā)動機無法啟動。阿姆斯特朗和奧爾德林駕駛登月艙與指令艙分離時，留在月球軌道上的柯林斯也只能希望登月的兩位同仁多保重，任何一個小問題都可能導致阿姆斯特朗和奧爾德林無法從月面起飛，那么最終只有柯林斯一人返回地球。位于休斯敦航天中心內(nèi)的飛行控制指揮官貝爾斯在登月抉擇上甚至依靠直覺要求阿姆斯特朗不要理會鷹號登月艙的各種故障報警，尼克森總統(tǒng)也準備了一份宇航員無法返回地球的演講稿。由此看出，登月不僅靠的是400多萬科研人員創(chuàng)造出過硬的硬件，還要有足夠的運氣。

阿波羅13號則是一個非常典型的小問題導致大事故的案例。有了阿波羅11號登月為基礎(chǔ)，還有12號登月成功，因此阿波羅13號應(yīng)該說是四平八穩(wěn)才對。但阿波羅13號在抵達月球之前發(fā)生了氧氣罐爆炸這樣的事故，電力損失、氧氣含量下降，原本登月計劃變成了軌道逃生實戰(zhàn)。氧氣罐爆炸發(fā)生在前往月球的途中，當時阿波羅13號計劃地球已經(jīng)有32萬公里，都快到月球了，氧氣罐爆炸導致氧氣含量大大降低，三名宇航員進入到登月艙中避難。至于氧氣罐爆炸的原因，推測可能是微流星體撞擊導致，可見在深空任務(wù)中各種問題都可能導致任務(wù)中斷，防不勝防。好在三名宇航員最終安全返回，沒有提前上演科馬洛夫式災(zāi)難。

繼阿波羅登月計劃后，為何沒有人登上月球

1972年阿波羅17號之后，人類就再也沒有登月。通過阿波羅登月任務(wù)，NASA獲得了381.7公斤的月球巖石樣本，部署了月震儀等科研儀器，為1970年代探月奠定了基礎(chǔ)。進入1980年代后，美國轉(zhuǎn)向研發(fā)和運營航天飛機，而蘇聯(lián)則致力于空間站運行。

阿波羅11號運行軌道，圖片來源：NASA

美蘇都從登月龐大的耗損中抽身出來，投入到更實際一些的近地軌道技術(shù)競賽。因為近地軌道涉及偵察衛(wèi)星、空天飛機等軍事化平臺，比登月更符合實際一些。1990年代時蘇聯(lián)已經(jīng)解體，美國重返月球的愿望就更低了。進入21世紀，美國再次提出星座計劃，試圖重返月球，但重返月球的目的并不明確，最大的原因是缺乏競爭，同時高昂的成本也使得重返月球變得更加艱難。

一直到2019年，美副總統(tǒng)彭斯宣布2024年重返月球，比2028年要提早4年完成。與此同時，美國民間私人航空航天企業(yè)也打算登月，因此在2020年至2030年，人類有望重返月球。這次重返月球?qū)崿F(xiàn)的可能性較大，月球有望作為登陸火星的跳板，同時中國、印度等新興探月力量已經(jīng)涌現(xiàn)，這讓美國感到了危機，也迫使其重返月球。