[科普中国]-NASA登月黑科技原来是德国制造

1969年7月16日，美国宇航局成功执行阿波罗计划中的第五次载人任务，即阿波罗11号，在烧掉2000多吨燃料后完成了人类第一次登月任务。阿波罗11号上搭载3名宇航员，其中阿姆斯特朗与奥尔德林分别踏上月球表面，指令舱飞行员柯林斯则成为世界上最孤独的人，在登月期间，他一个人留守指令舱，绕着月球飞了数十圈，看了一遍又一遍的月球背面，也算是体验了一回置身世外。

阿波罗11号三名宇航员（图片来源NASA）

第一个登月脚印，图片来源：NASA

阿波罗计划从1961年开始，持续到1972年，在阿波罗7号之前都是无人任务，旨在测试土星系列火箭、登月航天器等。阿波罗7号是第一次载人任务、8号验证了载人环月飞行和土星五号火箭、9号任务验证了载人交会对接、10号任务则是登月的一次模拟。自阿波罗11号成功登月之后，NASA又执行了6次登月，其中5次成功，一次中途返回，所以阿波罗计划共计7次登月，6次成功。

阿波罗11号发射时的场景，图片来源：肯尼迪航天中心

美苏太空竞赛加速了登月探索

阿波罗登月的背景是在美苏太空竞赛时期，1957年苏联发射了第一颗人造卫星斯普特尼克1号，震撼了整个西方，强势打击了美国在航空航天领域夜郎自大的心态。美国国内将其称为斯普特尼克危机，直接导致了美苏正式进入太空竞赛。针对斯普特尼克1号卫星的领先优势，美国成立了国防部高级研究计划局的前身，启动水星计划并且获得大量科研经费支持。从苏联第一颗人造卫星到1969年实现登月，人类只用了12年的时间。在这12年的时间内，美苏对月球进行了全面勘探，基本上掌握了月球的基本参数，包括月球表面到底能不能站人。我们如今当然明白月球上可以站人，但在1960年代还不清楚，需要无人探测器软着陆进行验证。据初步统计，在1950年代末到1970年代中期，美苏各发射了20多个月球探测器、载人飞船，完成了人类第一次对月球的大规模科研活动。

登月的难度不小

登月无疑是太空竞赛最巅峰的动作，谁第一个完成，谁就是胜利者。阿波罗11号登月期间，苏联月球15号自动采样返回探测器在危海坠毁，不仅未能完成任务，还与阿波罗11号成功实现载人登月形成了鲜明的对比。对NASA而言，要在短短12年内实现登月，技术上的飞跃是必然的。登月首先需要一款大推力火箭，由德国科学家冯布劳恩主导研发的土星五号火箭在阿波罗4号任务期间测试成功，其设计起源甚至可追溯到德军V-2火箭。二战结束后，冯布劳恩和多名曾经的德军火箭专家在白沙导弹靶场重新打造了一枚从德国运回的V-2火箭，由此开启了美国运载火箭高速发展的时期。

转运中的土星五号第一级，图片来源：Daily Mail

历次阿波罗任务中发射的土星系列运载火箭，图片来源：Daily Mail

相比之下，苏联N-1火箭4连炸失败直接导致了苏联登月计划的失败。许多人认为N-1火箭的失败是30台NK-15发动机并联数量太多，但SpaceX的重型猎鹰第一级也采用了27台默林1D发动机并联，因此第一级发动机并联数量太多并非设计问题，而是苏联在当时的技术条件下无法实现这个设计。土星五号将第一级演化成5台F-1发动机，在土星C-5配置中火箭方案实现了最优，NASA决定继续按照冯布劳恩的设计方案研发土星火箭，这是登月成功的一个关键转折点。

30台NK-15发动机并联的苏联N-1火箭，图片来源：reddit.com

27台默林1D发动机并联的重型猎鹰火箭，图片来源：spaceX

重型猎鹰第一级的27台发动机特写，图片来源：spacex

1964年5月在马歇尔空间飞行中心办公室内的冯-布劳恩，身后为土星系列火箭模型清晰可见，一手奠定了美国运载火箭的基石。

登月另一个难点在于登月方案，NASA采用了月球轨道交会对接的方案，节省了大量的燃料和工程开发时间。该方案利用地球轨道离心力将登月航天器送入月球轨道，登月舱分离，主航天器留在轨道上，从月面返回时在月球轨道上完成对接后前往地球。在确定登月方案之后，格鲁曼飞机公司开始研发登月舱，正式有了土星五号的强大推力，登月舱总质量达到了14吨，还能携带一辆月球车。由于月球上几乎没有大气，从月球轨道下降到月球表面无需隔热控制，大大简化了登月流程。事实上载人登月集合了美国当时最先进的科研生产力，涉及科学家、工程师、技术人员等400多万人，任何一个环节都可能因为技术问题而致命。

登月舱，宇航员和月球车的合影，图片来源：spacenews

险象环生

在阿波罗11号登月起降，阿姆斯特朗和奥尔德林在控制登月舱下降时也出现各种警报响起、错过着陆点数千米等潜在危机，在鹰号登月舱距离月面还有9米时，燃料只剩30秒，万一着陆舱下方是个碎石坑，那么登月舱就可能出现倾覆，导致阿姆斯特朗和奥尔德林无法返回。在月球轨道调整时，奥尔德林的背包意外将登月舱上升段发动机保险开关给接触了，休斯敦地面控制中心一度担心上升段发动机无法启动。阿姆斯特朗和奥尔德林驾驶登月舱与指令舱分离时，留在月球轨道上的柯林斯也只能希望登月的两位同仁多保重，任何一个小问题都可能导致阿姆斯特朗和奥尔德林无法从月面起飞，那么最终只有柯林斯一人返回地球。位于休斯敦航天中心内的飞行控制指挥官贝尔斯在登月抉择上甚至依靠直觉要求阿姆斯特朗不要理会鹰号登月舱的各种故障报警，尼克森总统也准备了一份宇航员无法返回地球的演讲稿。由此看出，登月不仅靠的是400多万科研人员创造出过硬的硬件，还要有足够的运气。

阿波罗13号则是一个非常典型的小问题导致大事故的案例。有了阿波罗11号登月为基础，还有12号登月成功，因此阿波罗13号应该说是四平八稳才对。但阿波罗13号在抵达月球之前发生了氧气罐爆炸这样的事故，电力损失、氧气含量下降，原本登月计划变成了轨道逃生实战。氧气罐爆炸发生在前往月球的途中，当时阿波罗13号计划地球已经有32万公里，都快到月球了，氧气罐爆炸导致氧气含量大大降低，三名宇航员进入到登月舱中避难。至于氧气罐爆炸的原因，推测可能是微流星体撞击导致，可见在深空任务中各种问题都可能导致任务中断，防不胜防。好在三名宇航员最终安全返回，没有提前上演科马洛夫式灾难。

继阿波罗登月计划后，为何没有人登上月球

1972年阿波罗17号之后，人类就再也没有登月。通过阿波罗登月任务，NASA获得了381.7公斤的月球岩石样本，部署了月震仪等科研仪器，为1970年代探月奠定了基础。进入1980年代后，美国转向研发和运营航天飞机，而苏联则致力于空间站运行。

阿波罗11号运行轨道，图片来源：NASA

美苏都从登月庞大的耗损中抽身出来，投入到更实际一些的近地轨道技术竞赛。因为近地轨道涉及侦察卫星、空天飞机等军事化平台，比登月更符合实际一些。1990年代时苏联已经解体，美国重返月球的愿望就更低了。进入21世纪，美国再次提出星座计划，试图重返月球，但重返月球的目的并不明确，最大的原因是缺乏竞争，同时高昂的成本也使得重返月球变得更加艰难。

一直到2019年，美副总统彭斯宣布2024年重返月球，比2028年要提早4年完成。与此同时，美国民间私人航空航天企业也打算登月，因此在2020年至2030年，人类有望重返月球。这次重返月球实现的可能性较大，月球有望作为登陆火星的跳板，同时中国、印度等新兴探月力量已经涌现，这让美国感到了危机，也迫使其重返月球。