人類是如何登上月球的?

最近,美國開始了重返月球計劃,本文將帶領大家回顧人類首次登月之旅——阿波羅計劃,主要參考wiki百科和中科院的《科學世界》雜誌。

一.回形針計劃

要說登月的故事,還得從二戰說起。第二次世界大戰末期,德國沒能在巴巴羅薩行動中打敗蘇聯,處於後勤劣勢,接連失敗的戰爭耗盡了德國的資源。1943年初,德國政府開始從戰場上召回科學家、工程師和技師,讓他們繼續開展科研工作,以提高德國與蘇聯進行持久戰時的防禦力。沃納·奧森伯格作為國防研究協會的科學工程領隊,將政審通過的人記錄在奧森伯格名單中,從而恢復他們的科學工作,名單中包括4,000名火箭科學家。

1941年巴巴羅薩行動 圖源:Wikipedia

1945年3月,一位波蘭實驗室技師在波恩大學的廁所中發現了奧森伯格名單的一部分。隨後,秘密情報局(MI6)獲取該名單,並傳輸給美國情報機構。1945年7月20日,美國參謀長聯席會議(JCS)開始了第一個秘密招募項目——遮蓋行動,後來改名為回形針計劃,目標就是找到並且轉移德國的火箭專家。在1946年9月3日發出的秘密命令中,杜魯門正式批准回形針計劃,同時擴大該行動,對1,000名德國科學家進行「臨時的、有限的軍事拘禁 」。

杜魯門

杜魯門

這項計劃的成果如何呢?大批航空、電子、物理、情報方面的專家被美國俘獲轉移,其中最重要的就是馮·布勞恩。他是大名鼎鼎的V2火箭的設計者,V2火箭在二戰後期從德國打到英國,成了英國人的夢魘。後來,馮·布勞恩來到美國,擔任NASA的主設計師,主持設計了土星五號火箭,NASA用以下的話來形容馮·布勞恩:「毋庸置疑的,他是史上最偉大的火箭科學家。他最大的成就是在擔任NASA馬歇爾空間飛行中心總指揮時,主持土星五號的研發,成功地在1969年7月首次達成人類登陸月球的壯舉。」

馮·布勞恩和土星五號火箭

馮·布勞恩和土星五號火箭

二.阿波羅計劃

阿波羅計劃又是如何開始的呢?1960年11月,約翰·甘迺迪在競選中承諾美國將會在太空探索和導彈防禦領域優於蘇聯,並順利當選總統。在1960年大選前,甘迺迪一直在反對艾森豪威爾總統,他和許多參議員認為是艾森豪威爾總統的不作為導致了美國和蘇聯之間形成的「導彈差距」。除了軍事力量之外,甘迺迪還把航空航天技術作為國家聲望的象徵。

甘迺迪

甘迺迪

1961年4月12日,蘇聯宇航員尤里·加加林成為第一個在太空飛行的人,這加劇了美國在與蘇聯的技術競爭中落後的擔憂。

尤里·加加林

尤里·加加林

1961年5月25日,甘迺迪在參、眾兩院特別會議中宣佈支持阿波羅計劃:

……我相信這個民族能夠齊聚一心、全力以赴達成這個目標,即在1970年以前,人類將乘坐宇宙飛船登陸月球並且安全返回。沒有任何一個航天項目能夠超越它對人類的影響,超越它對宇宙遠端空間探索的重大作用,也沒有一個航天項目開發如此困難而且花費如此昂貴……

阿波羅計劃曾經設計了四種登月方式,最終選擇了月球軌道集合方式:用一艘較大的航天器攜帶一艘裝載宇航員的登月航天器,一起來到環繞月球的軌道。大航天器攜帶從地球到月球往返的燃料和生活必需品,以及進入地球大氣層所需要的隔熱板。進入月球軌道之後,1名宇航員留在大航天器中,2名宇航員駕駛小航天器與大航天器分離,降落在月球表面。登月完成之後,登月艙重新起飛,與大航天器在月球軌道集合,並返回地球。

阿波羅計劃中包括了11次載人飛行任務,從阿波羅11號到阿波羅17號,全部從佛羅里達州的甘迺迪航天中心發射。那麼,1號到7號是怎麼回事呢?

阿波羅1號是美國第一次由3名宇航員執行的航天任務,當初並不叫「阿波羅1號」。原計劃中的阿波羅1號將於1967年2月21日發射,但在1月27日進行例行測試時,指令艙突然失火,3名宇航員維吉爾·格里森、愛德華·懷特和羅傑·查菲在15秒內全部不幸遇難。當時土星IB火箭並沒有注入推進劑,所以火箭並不會著火,阿波羅指令艙也不會從外部著火,也沒有人想到航天器會在地面著火,所有的滅火裝置或被拆除或被移走,而大火卻突然發生了。

事後,一個專門小組對這場事故做了詳盡的調查,依然沒有弄清著火的確切原因。他們對事故做了鑑定,最可能的原因是指揮艙內的導線發生短路,而阿波羅指揮艙內使用的百分之百氧氣又使火勢加劇。另一個導致宇航員死亡的因素是宇航員進入座艙的艙門需要90秒鐘才能打開。這場火災促使美國國家航空航天局重新評估阿波羅航天器艙內所使用的材料,並對指揮艙進行了大規模修改。這次任務的名稱原本是AS-204,但任務後三位宇航員的遺孀認為航空航天局應該保留「阿波羅1號」的名稱,希望人們不要忘記這次事故。

阿波羅1號指令艙與三位宇航員

阿波羅1號指令艙與三位宇航員

阿波羅2號和3號都不存在,阿波羅4號到6號都是無人測試飛行。直到7號開始,才有了宇航員。

阿波羅7號是阿波羅計劃中的首次載人任務,發射於1968年10月11日,成功環繞了地球。整個任務全長十一天,也是美國首次成功的三人航天任務。

阿波羅7號的宇航員 圖源:NASA

阿波羅7號的宇航員 圖源:NASA

阿波羅8號是阿波羅計劃中第二次載人飛行,於1968年12月21日發射,這是人類第一次離開近地軌道,並繞月球航行的航天任務。同時,阿波羅8號使用的火箭就是土星五號,這是土星五號第一次載人發射。發射後,飛船航行了三天才到達月球,並圍繞月球軌道飛行了20個小時,拍攝了大量的月球照片,以及第一張「地出」。在三位宇航員眼裡,月球是「廣闊,寂寞,又有些難以接近的星體,或者說是廣闊的空虛」。平安夜時,他們在月球軌道中向地球做了電視直播,這次直播創造了當時的收視紀錄,也是歷史上觀眾最多的電視直播之一。

阿波羅8號拍攝的「地出」 圖源:NASA

阿波羅9號於1969年3月3日發射。十天的任務中,登月艙在地球軌道中正常運行,證明了其獨自飛行的能力並重新與指揮/服務艙對接。

阿波羅10號於1969年5月18日發射,測試中的登月艙離月球表面僅15.6千米。阿波羅10號將登月艙帶到了月球軌道。

阿波羅11號是阿波羅計劃中的第五次載人任務,發射於1969年7月16日。7月20日,尼爾·阿姆斯特朗與巴茲·奧爾德林成為了首次踏上月球的人類。阿波羅11號降落在月表靜海附近,阿姆斯特朗稱之為「靜海基地」(阿姆斯特朗在降落後向指揮中心報告:「休士頓,這裡是靜海基地。‘鷹’著陸成功。」)。阿波羅11號登月的準確時間是1969年7月20日下午4時17分43秒(休士頓時間)。1969年7月21日凌晨2點56分(UTC),阿姆斯特朗的左腳踏上了月球,並說:

這是一個人的一小步,卻是人類的一大步。

That’s one small step for a man, one giant leap for mankind.

阿姆斯特朗

阿姆斯特朗

兩人在月球表面活動了兩個半小時,使用鑽探取得了月芯標本,拍攝了一些照片,也採集了22千克的月表岩石標本。從60年代初期開始,「航天競賽」的勝利「標準」被定義為率先登月。所以,從某種意義上講,阿波羅11號的成功標誌著美國在航天競賽中的勝利。同樣,阿姆斯特朗和奧爾德林在1969年7月登月,也完成了甘迺迪總統1961年5月25日宣佈美國會在1970年之前將宇航員送上月球併成功返回的承諾。

1969年11月19日,阿波羅12號成功登月。前一次任務對降落點的要求不高,但阿波羅12號標定了準確降落點,康拉德也輕鬆完成了任務。踏上月球后,身材矮小的康拉德叫道:

太好了!天哪,這也許對尼爾(即阿姆斯特朗)是一小步,但對我卻是一大步呢。

Whoopie! Man, that may have been a small one for Neil, but that’s a long one for me.

康拉德

康拉德

阿波羅13號是阿波羅計劃中的第七次載人任務,發射於1970年4月11日。阿波羅13號在計劃中是第3次登月的任務,但是由於飛船在抵達月球前發生了氧氣罐爆炸,損失了大量電力和氧氣,所以登月計劃被取消,三名宇航員最終成功返回地球。發射前兩天,指揮艙駕駛員肯·馬丁利因替換了患有風疹的傑克·斯威格特,這是阿波羅計劃中唯一一次使用替補宇航員。爆炸後,馬丁利在返回救援過程中起到了很大的作用。

阿波羅13號返航

阿波羅13號返航

阿波羅13號被稱為一次「成功的失敗」,三位宇航員以及地面指揮人員的英勇事蹟後來被搬上銀幕:《阿波羅13號》。

電影阿波羅13號

電影《阿波羅13號》

1971年1月31日,阿波羅14號成功發射,登月點仍是13號的弗拉·毛羅高地。踏上月球后,謝潑德的第一句話是:

路途十分遙遠,但我們還是到了。

And it’s been a long way, but we’re here.

阿波羅15號是阿波羅計劃中的第九次載人任務,是歷史上第四次成功登月的載人登月任務。本次任務還是阿波羅計劃中首次J任務——與前幾次登月相比在月球上停留更久,進行三次較長的月錶行走,科學研究的比例也更大。

阿波羅15號上的月球車

阿波羅15號上的月球車

指令長大衛·斯科特和登月艙駕駛員詹姆斯·艾爾文在月球表面的哈德利溪和亞平寧山脈停留了66小時54分鐘,在登月艙外的總時長為18小時35分鐘。他們一共收集了約77千克月球岩石標本,還首次使用了月球車。兩位宇航員駕駛的歷史上第一輛月球車使他們在月球上穿越的距離比前幾次任務遙遠了很多。大衛斯科特還做了一個實驗——鐵錘和羽毛。

阿波羅16號於1972年4月16日發射,登月點是笛卡爾高地。阿波羅16號第二次使用了月球車;

阿波羅16號上的月球車

阿波羅16號上的月球車

阿波羅17號於1972年12月7日發射。阿波羅17號是阿波羅計劃中的第十一次載人任務,是人類第六次也是迄今為止最後一次成功登月的航天任務。阿波羅17號是阿波羅計劃中唯一一次夜間發射的任務,也為阿波羅計劃畫上了句號。

阿波羅17號的三位宇航員

阿波羅17號的三位宇航員

在即將結束最後一次登月任務之前,指令長尤金·塞爾南在登月艙前說道:

在我們離開月球的陶拉斯-利特羅山谷時,我們來過這裡,我們現在要離開這裡;如果情況允許的話,我們還會帶著全人類的和平與希望回到這裡的。在我邁出離開月球的腳步時,我想說美國今日對航天的挑戰將鑄造人類明天的命運。願阿波羅17號一路平安。

到此,阿波羅計劃就介紹完了。如果大家還對阿波羅計劃感興趣,推薦給大家兩部電影,一部是美國國家地理拍攝的紀錄片《阿波羅任務》,另一部是電影《阿波羅13號》。

三.阿波羅登月是假的嗎?

太空計劃雖然是出於政治目的產生的,但是也催生了一大批科技成就。比如尿不溼是因為宇航員沒法上廁所發明的,再比如為了準確計時,人們發明了更好的石英鐘等等。

但是,從阿波羅計劃開始,就一直有人質疑登月是假的。宣稱阿波羅登月計劃是NASA與其他組織製造出來的騙局。陰謀論者認為人類從未登上月球,前後的6次登月及前後共12名登月的宇航員均為騙局。

自1970年代中期開始,有許多團體和個人聲稱,NASA和一些知情者通過偽造、竄改、銷燬相關的證據檔案資料(包括照片、錄音帶、岩石樣本等等)以誤導社會大眾去相信登月計劃。目前,6%—20%的美國人、25%的英國人和28%的俄羅斯人在接受調查時認為阿波羅登月計劃是偽造的。

陰謀論者宣稱美國政府偽造登月的動機是:美國政府認為,美國最重要的是贏得太空競賽以對付蘇聯。去月球有著極大風險和昂貴代價,拍一部電影就容易多了。那麼,陰謀論者的證據是什麼呢?

質疑一:真空環境下的旗幟會飄揚?登月圖片中,美國旗幟「迎風飄揚」。月球表面是高真空環境,不可能存在空氣對流,相應地,就不可能存在「風」,旗幟也就不可能「迎風飄揚」。因此有人質疑這些照片和錄影是在地球上的攝影棚內完成的。

解釋:我們看到的旗幟「飄揚」實際上是旗杆插入土壤後,在高真空環境下的長時間振動導致。這種「飄揚」的現象反而證明該區域真空度很高。

質疑二:天空中沒有星星?月球沒有大氣層,天空中的星星應該是明亮而清晰可見的。而登月拍攝的圖片中,天空卻根本看不到星星。

解釋:這是當時的拍攝條件受限所致。當時拍照使用的是膠片,一張膠片能夠呈現的最亮細節和最暗細節的區間有限,在月球表面的惡劣環境下,這個區間將會被進一步縮小。此外,由於月球表面反射太陽光的能力較強,故在拍攝過程中需要將曝光度降低,否則拍到的將是一團模糊的白色。同時曝光時間也要減少,以減輕月面反射光帶來的影響。而曝光度降低和縮短曝光時間都會導致無法拍攝到天空的星星。

質疑三:地面上的影子為什麼不止一個?圖像中宇航員在月球表面的影子不止一個,而且可以清楚地看到,宇航服顯現出非常明亮的白色。有人便提出,這是在攝影棚中使用了補光燈等設施導致的。

解釋:實際上,這種質疑很站不住腳。首先,月球表面的月壤對光的反射係數較大,很容易將來自太陽的光反射出去。其次,月球表面並非光滑平面,其存在多個平面,使得光能夠被多角度反射。最後,我們不能忽略航天員旁邊的艙體,艙體表面同樣可以反光。

質疑四:宇航員在前進過程中能夠大步向前跳躍,而沒有飄到很高的高度。月球上的重力加速度約為地球的六分之一,為什麼宇航員看似在發力但實則沒有真正跳得很高?

解釋:原因在於登月航天服的重量太大。阿波羅航天服兼具提供氧氣、空氣流通、保持氣壓、過濾二氧化碳和冷卻功能,足夠讓登月宇航員進行長達7小時的月球漫步。此外還有一個後備系統,可提供30分鐘的氧氣和通訊。與此同時,通訊系統還可將宇航員的生理資料傳回地球。月球表面時刻可能受到微流星體襲擊,因此阿波羅航天服的外面增加了一個保護層。如此多的功能導致阿波羅航天服重達82公斤,故不會一腳跳入太空。

宇航服的分層示意圖

宇航服的分層示意圖

質疑五:在單一光源(太陽光)下,影子應該是平行的,但登月照片中的影子不平行。

月球地表並不平坦,斜坡上的影子和平地上的影子不平行是正常現象。另外,如果有多個光源,不可能只有一個陰影,因此唯一解釋是地面不平坦,不可能有多個光源。

質疑六:登月艙相對更脆弱,且發動機功率明顯不如登月火箭,不可能脫離月球重力圈。

月球重力僅僅是地球的1/6,且沒有大氣,需要耗費的燃料遠遠比脫離地球表面小得多。而且,脫離月球重力圈是指揮艙與服務艙的事情,登月小艇僅需回到繞月軌道即可。

其實,有大量無法辯駁的證據證明阿波羅計劃是真實的。例如,2009年發射的月球勘測軌道飛行器在阿波羅登陸點數次拍攝到了登月艙和宇航員登月時留下的痕跡。2012年發佈的一系列同樣由月球勘測軌道飛行器拍攝的圖片顯示,美國登月時在月球留下的六面國旗中仍有五面矗立,僅有阿波羅11號任務中的旗幟被登月艙的火箭發動機吹倒。登月計劃把月球鐳射測距實驗的反射鏡放置在月球上,因此只要知道正確地點,就能利用高功率的大口徑鐳射照射該點並得到反射;只有人工物才能做到。美國登月時獲取了不少月球岩石樣本,並且曾經在1978年將一小部分月球岩石樣本贈送給中國的科學機構。蘇聯無人登月器也採回了三百多克的月球岩石樣本,成分與美國帶回的岩石分析相符。

美國帶回的月岩樣本

美國帶回的月岩樣本

歐陽自遠院士說,他曾經問過美國NASA的人,為什麼不去反駁陰謀論。NASA的人說:老子上去過,為什麼要反駁?

「陰謀論」者或許根本就不在乎事實究竟如何,他們只是利用這種手段,去吸引注意,去誤導輿論,來達成自己不可告人的目的。造謠一張嘴,我們很少看見謠言被揭穿時造謠者受到應有的懲罰,反而是闢謠的學者或相關領域工作者,不願大眾被誤導而不辭勞苦地付出。

2002年,巴茲·奧爾德林在一場活動後被一名登月陰謀論者Bart Sibrel滋擾,還被Sibrel罵他是「膽小鬼、騙子、竊賊」,火冒三丈的奧爾德林向Sibrel回敬一拳還擊。2012年,尼爾·阿姆斯特朗在專訪中回應:「大眾總是喜歡這種陰謀理論,有些還蠻有吸引力的,但對我來說從來都不是問題,因為我知道有一天會再有人飛回到月球表面,把我留在那兒的攝影機帶回來。」

還有一個質疑:既然五十年前人們就能登月了,為什麼這50年再也沒有人登月了呢?很簡單,因為登上10次和登上100次,沒有太大區別。

四.重返月球計劃

當然,我們總會重返月球的。太平洋標準時間12月11日9時40分,NASA獵戶座飛船完成繞月之旅,採用跳躍式再入返回地球,濺落太平洋,完成「阿爾忒彌斯1號」 任務不載人飛行測試,深空測試之旅歷時25.5天。

獵戶座飛船

獵戶座飛船

50年前,阿波羅17號登月結束後,耗費巨大的月球探測活動降溫。取而代之,人類建設了環繞地球的ISS(國際空間站),以此為代表,迎來了載人空間活動的時代。到2017年,美國總統川普簽署了1號太空政策指令,人類重返月球的阿爾忒彌斯計劃正式立項。

前述的阿波羅計劃以20世紀美蘇太空競賽為背景,由美國獨立推動。與之形成對比,阿爾忒彌斯計劃在以美國為首,聯合ESA(歐洲空間局)、CSA(加拿大宇航局)、JAXA(日本航天局)、ASA(澳大利亞航天局)等國際組織以及SpaceX等民營企業的合作體制下進行。阿爾忒彌斯計劃項目過於龐大,僅依靠NASA無法覆蓋預算,難以施行。

阿爾忒彌斯是希臘神話中的月亮女神,是阿波羅的同胞姐姐。關於為什麼要探索月球,2020年9月,NASA的吉姆·布里登斯廷局長說道:「以尋求科學發現、經濟利益和對新一代探險家的激勵。」

阿爾忒彌斯的目標不僅僅是月面著陸。這個宏偉的項目將確立可以在月面持續活動的環境和技術,最終目標是載人登陸火星。讓我們來了解一下這項計劃的任務概要。

2022年下半年的阿爾忒彌斯1號任務中,將進行飛船往返於月球的無人繞月試驗飛行。之後,在2024年的阿爾忒彌斯2號任務中,獵戶座飛船將搭載著宇航員環繞月球背面再返回地球,進行載人繞月飛行。到了2025年的阿爾忒彌斯3號任務中,4名宇航員將搭乘獵戶座飛船,其中2名將從獵戶座飛船換乘在繞月軌道上待機的登月艙,並著陸在月球南極附近。

2028年的阿爾忒彌斯5號任務,是通過在繞月軌道上的空間站「門戶」(有人常駐的空間站)進行登月。門戶將承擔來往於地球和月球之間的「大門」的重要作用。門戶的建設將於2024年開始,而被稱為「阿爾忒彌斯大本營」(Artemis Base Camp)的月面基地建設將於2028年開始。

如果在月球上的持續活動可以成功,接下來將以門戶為立足點進行載人火星探測。地球和火星如同兄弟一般,火星上也有大氣,有與地球類似的自轉週期,也擁有四季。火星的表面和地下可能存在水,或許也存在生命,也有企業在認真考慮向火星移民。但是,地球到月球的距離平均為38萬千米,而到火星的距離則達到了5580萬千米~4億40萬千米,僅是往返就需要2年時間。到達火星的運輸工具以及宇航員的生命維持都需要必要的技術開發以及巨量的資金。因此,登陸火星比登月的難度更高。但是,人類在不遠的將來一定可以實現這個目標,就像五十多年前成功登月一樣。

相關文章

太空中最嚴重的事故遠不止阿波羅13號

太空中最嚴重的事故遠不止阿波羅13號

外太空發生過什麼事故嗎? 「聯盟」11號,「阿波羅」13號,「雙子座」8號。 在「禮炮」1號空間站上,將返回艙與「聯盟」號飛船軌道艙分離的爆...

橡皮為何能擦掉鉛筆字跡?

橡皮為何能擦掉鉛筆字跡?

鉛筆和橡皮都是使用便捷的文具,我們可以隨意地書寫,也可以很容易地擦掉。為什麼橡皮可以擦掉用鉛筆寫的文字呢?鉛筆和橡皮又是用什麼東西做出來的?...

宇宙為什麼一片漆黑?

宇宙為什麼一片漆黑?

夜晚的天空為什麼是黑的?很多人會回答「因為沒有太陽」。的確,正因為有時能被陽光照射,而有時不能被陽光照射,我們生活的地球才有了晝夜之分。 不...

藍莓上的白霜是農藥嗎?

藍莓上的白霜是農藥嗎?

吃過藍莓的朋友肯定都注意過,成熟的藍莓果實外面都包裹著一層白色的霜狀物,買回家清洗的時候還很難洗掉,有些人會擔心:這是不是農藥殘留物啊? 其...

電腦生成的隨機數是真的隨機數嗎?

電腦生成的隨機數是真的隨機數嗎?

電腦在製造數列時需要特定的程序及演算法。由於隨機數「不存在決定下一個數字的規律」,因此,電腦按照特定程序等規律生成的數列不能算是真正意義上的...