我們應該如何紀念登月（三）帶我去月球

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導讀

首先，火箭把飛船發射到月球軌道上。飛船分為指令服務艙和登月艙。

然後，登月艙著陸。

然後，登月艙上升級發射起飛。

然後，登月艙跟指令服務艙在月球軌道上再次會合對接。

最後，把登月艙丟棄，用服務艙中的燃料點火飛回地球。

簡而言之，就是走一路，丟一路。

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在上一期（我們應該如何紀念登月（二）航天的基本原理| 袁嵐峰）中，我們了解了航天的基本原理，為什麼要用火箭，火箭的最高速度是由什麼決定的，火箭為什麼要分級等等。現在，我們終於可以來正面介紹阿波羅計劃登月的技術細節了。

首先要確定的是，登月採用什麼流程？

一般人對登月的理解，大概就是從地球發一枚火箭到月球去。這確實是一種直截了當的選擇，被NASA稱為「直接上升」（direct ascent）。具體而言，火箭是直接在月球上著陸，而不是先進入環繞月球的軌道。

那麼航天員怎麼回來呢？

這是個好問題！火箭不是把航天員孤零零地甩在月球上，而是同時發射上去一個23噸的返回艙，以及一個51噸的下降推進平台。返回的時候，返回艙以下降推進平台作為底座發射，把後者丟棄在月球上。

因此，地球上發射的火箭需要把高達74噸的總載荷送到月球。這是一個嚇死人的數值，直到現在我們都沒造出這麼強大的火箭。所以，直接上升這條「大力出奇蹟」的技術路線是走不通的。

為了完成任務，人們又提出了三種間接的技術路線。

一種流程叫做「地球軌道交會」（Earth Orbit Rendezvous，簡稱EOR）。它說的是，不是只發射一枚火箭，而是發射多枚火箭，在有些方案中多達15枚。每一枚火箭攜帶一部分零部件，在地球軌道上交會，組裝成一艘飛船。然後把這艘飛船發射到月球軌道。

聽起來是不是很有變形金剛組合的感覺？我來組成頭部！

另一種流程叫做「月球表面交會」（Lunar Surface Rendezvous，簡稱LSR）。它說的是，相繼發射兩枚火箭到月球表面。第一枚火箭不載人，只把返回地球所需的推進劑送上去。然後第二枚火箭把航天員送上去，他們把推進劑加到返回艙里。

簡而言之，就是建設一個月球加油站。請加98號油，謝謝。

最後提出來的一種流程叫做「月球軌道交會」（Lunar Orbit Rendezvous，簡稱LOR）。它說的是……呃，這個比較複雜。

首先，一枚火箭把飛船發射到月球軌道上。這艘飛船分為兩部分，指令服務艙和登月艙。

然後，指令服務艙留在月球軌道上，登月艙去著陸。

然後，登月艙把自己的下降級作為底座拋棄在月球上，讓上升級發射起飛。

然後，登月艙跟指令服務艙在月球軌道上再次會合，雙方對接。這就是為什麼這條技術路線叫做月球軌道交會。

最後，把登月艙丟棄，用服務艙中的燃料點火飛回地球。

簡而言之，就是走一路，丟一路。靈魂之問：請問你是什麼垃圾？

好，你會選擇哪一種技術路線呢？

歷史上，NASA選擇的是最後這條，月球軌道交會。它的好處在於，在每一個環節都盡量減少了載荷。這正跟上次講的火箭分級的基本思想一樣，輕裝上陣。

其實NASA一開始傾向於採取的是直接上升，而不是月球軌道交會。因為那時美國連地球軌道交會都沒做過，更不用說對接了，所以在月球軌道上交會和對接就更是沒譜了。

但是形勢比人強。如果按照保守的思路，那麼也許美國最終還是能登月，但肯定無法在肯尼迪設定的截止時間即1970年之前完成。因此，一直有一些專家在強烈推銷月球軌道交會，最後終於改變了決策層的選擇。你看，政治家動動嘴，科學家跑斷腿……

所以，登月飛行的流程如下圖所示，包含這麼多步驟。

登月飛行流程

首先是火箭發射，把飛船送到一條地球軌道，稱為停泊軌道（parking orbit）。這一步需要土星五號三級火箭燃燒11分鐘，消耗了前兩級以及第三級的一小部分。

登月流程1：發射

順便說一句，阿波羅計劃的火箭是在美國東南部的卡納維拉爾角發射的，這正是第二篇中提到的凡爾納的小說《從地球到月球》中那顆飛向月球的炮彈的發射地。

然後是奔月變軌（translunar injection），即從地球軌道飛向月球。這一步需要第三級火箭燃燒6分鐘，消耗完了火箭燃料。

登月流程2：奔月變軌

然後，指令服務艙與登月艙換位對接（transposition and docking）。這個換位對接又分為兩步：第一步是指令服務艙和登月艙暴露出來；第二步是兩者對接，然後跟第三級火箭分離，把火箭殘骸送入太陽軌道。沒錯，我們給太陽送了一個禮物。

登月流程3：換位對接1

登月流程4：換位對接2

這裡有一個有趣的故事。2002年9月3日，業餘天文學家、前香港天文學會會長楊光宇（William Kwong Yu Yeung，1960-）發現了一顆疑似在環繞地球的小行星，將其命名為J002E3。光譜分析表明，這顆小行星的表面是白色的二氧化鈦，也就是鈦白粉。這是怎麼回事？

楊光宇

解釋是，這顆小行星其實是1969年阿波羅12號用的第三級火箭，二氧化鈦是土星五號火箭塗層的主要成分。第三級火箭在跟飛船分離後原本應該進入太陽軌道，但燃燒時間太長，使得它仍然在地球和月球附近。

由於引力的擾動，1971年，也就是晃了兩年之後，它應該進入了太陽軌道。又過了31年，2002年它又回到了地球軌道上，被楊光宇發現了。2003年6月，這位依依不捨的老朋友再次離開了地球軌道。

讓我們回到登月的流程。下一步是月球軌道進入（lunar orbit insertion），即進入月球軌道。這一步的動力來自服務艙的發動機點火。

登月流程5：月球軌道進入

然後是下降軌道進入（descent orbit insertion），即指令服務艙與登月艙分離，登月艙進入一條靠近月球的軌道。這一步的動力來自登月艙的下降級點火。

登月流程6：下降軌道進入

阿波羅計劃的一次機組包括三名航天員，其中一人作為指令長待在指令服務艙內，兩人乘坐登月艙去著陸。在阿波羅11號中，指令長是邁克爾·柯林斯（Michael Collins，1930-）。他沒有登上月球，但他的作用也是不可或缺的，我們應該記住他的名字。

從左至右：阿姆斯特朗、柯林斯、奧爾德林

然後是動力下降（powered descent），即登月艙點火下降，最後手動找到合適的地點著陸。這一步的動力同樣來自登月艙下降級。

登月流程7：動力下降

實際上，阿波羅11號登月時，這一步非常驚險。1969年7月5日，阿波羅11號的航天員們接受了一次媒體採訪。當被問到是否會帶一些個人紀念物到月球上時，阿姆斯特朗回答說：「如果我有的選，那我會選擇多帶些燃料。」（http://jandan.net/2019/07/21/apollo-11.html）

事實證明他非常有先見之明。在降落的時候，登月艙的電腦選中的是一塊充滿巨石的隕石坑。為了避免危險，阿姆斯特朗只得切換到半自動控制，嘗試尋找一個安全的地點。奧爾德林給他提供導航數據。

警報聲響起，他們只有60秒的時間降落了！否則只能中止行動。然後，30秒的警報響起！幸好，這時他們已經找到了一塊平坦的地方。

奧爾德林回憶說：「當時間不足30秒時，我們距離表面還有3米左右。」多虧阿姆斯特朗眼明手快，他們在燃料只剩25秒消耗完的時候降落到了地面。

在降落之後，是艙外活動（extravehicular activity），即兩名航天員探索月球表面，收集樣品。

登月流程8：艙外活動

然後，登月艙上升級以下降級作為底座，點火起飛。

登月流程9：登月艙上升級起飛

這也是充滿危險的一步，如果不成功，他們就會被滯留在月球上。阿波羅11號登月時，尼克松為這種可能預先準備了一份講稿：

「命運註定，這兩位來到月球進行和平探索的人將在月球上安息……別人將會跟隨他們，而且必定找到回家的路。人類的探索不會停步。然而這些人是第一批，他們將在我們心中永生。在今後的夜晚，每個人仰望月亮的時候都會想到，另一個世界的一角永遠屬於人類。」

幸好，這份講稿沒有用上。

登月艙上升級起飛後，與指令服務艙在月球軌道上會合對接。在電影《火星救援》中，最激動人心的就是一個類似的情節，馬特·達蒙（Matt Damon）在火星上乘坐一艘小飛船起飛，跟回頭來接他的飛船雙方不顧一切地會合。

登月流程10：登月艙與指令服務艙會合對接

然後，登月的航天員帶著樣品回到指令艙，把登月艙拋棄。

登月流程11：拋棄登月艙

然後是奔地變軌（trans-Earth injection），即服務艙點火，飛回地球。

登月流程12：奔地變軌

然後在再入大氣層之前，服務艙也被拋棄，指令艙就是我們平時說的返回艙。指令艙旋轉180度，把鈍頭對準大氣層，用來對抗高溫。

登月流程13：再入大氣層

然後，空氣的摩擦在給指令艙減速的同時，高溫導致氣體電離。無線電波不能通過這層電離的空氣，因此在幾分鐘之內指令艙跟外界無法通信，這種現象叫做「黑障」（ionization blackout）。這是航天活動中非常危險的一個階段。

登月流程14：黑障

最後，降落傘打開，指令艙濺射到太平洋中。附近的航空母艦把三名航天員救援上來。

登月流程15：海上降落

真是蕩氣迴腸！人類完成了這樣的壯舉，從此在宇宙中晉陞為了能夠登上另一個星球的文明！

在下一期也就是最後一期中，我們來了解登月的火箭，以及各個航天大國的歷史、現狀和未來。

致謝：感謝資深航天技術顧問王渤、航天科研工作者石豪在科學內容方面的指教。

背景簡介：袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員，科技與戰略風雲學會會長，青年科學家社會責任聯盟理事，中國無神論學會理事，安徽省科學技術協會常務委員，微博@中科大胡不歸，知乎@袁嵐峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

責任編輯：孫遠

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