首先，火箭把飛船發(fā)射到月球軌道上。飛船分為指令服務(wù)艙和登月艙。
然后，登月艙著陸。
然后，登月艙上升級(jí)發(fā)射起飛。
然后，登月艙跟指令服務(wù)艙在月球軌道上再次會(huì)合對(duì)接。
最后，把登月艙丟棄，用服務(wù)艙中的燃料點(diǎn)火飛回地球。
簡(jiǎn)而言之，就是走一路，丟一路。
在上一期（我們應(yīng)該如何紀(jì)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，為什么要用火箭，火箭的最高速度是由什么決定的，火箭為什么要分級(jí)等等。現(xiàn)在，我們終于可以來(lái)正面介紹阿波羅計(jì)劃登月的技術(shù)細(xì)節(jié)了。
首先要確定的是，登月采用什么流程？
一般人對(duì)登月的理解，大概就是從地球發(fā)一枚火箭到月球去。這確實(shí)是一種直截了當(dāng)?shù)倪x擇，被NASA稱(chēng)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(jìn)入環(huán)繞月球的軌道。
那么航天員怎么回來(lái)呢？
這是個(gè)好問(wèn)題！火箭不是把航天員孤零零地甩在月球上，而是同時(shí)發(fā)射上去一個(gè)23噸的返回艙，以及一個(gè)51噸的下降推進(jìn)平臺(tái)。返回的時(shí)候，返回艙以下降推進(jìn)平臺(tái)作為底座發(fā)射，把后者丟棄在月球上。
因此，地球上發(fā)射的火箭需要把高達(dá)74噸的總載荷送到月球。這是一個(gè)嚇?biāo)廊说臄?shù)值，直到現(xiàn)在我們都沒(méi)造出這么強(qiáng)大的火箭。所以，直接上升這條“大力出奇跡”的技術(shù)路線是走不通的。
為了完成任務(wù)，人們又提出了三種間接的技術(shù)路線。
一種流程叫做“地球軌道交會(huì)”（Earth Orbit Rendezvous，簡(jiǎn)稱(chēng)EOR）。它說(shuō)的是，不是只發(fā)射一枚火箭，而是發(fā)射多枚火箭，在有些方案中多達(dá)15枚。每一枚火箭攜帶一部分零部件，在地球軌道上交會(huì)，組裝成一艘飛船。然后把這艘飛船發(fā)射到月球軌道。
聽(tīng)起來(lái)是不是很有變形金剛組合的感覺(jué)？我來(lái)組成頭部！
另一種流程叫做“月球表面交會(huì)”（Lunar Surface Rendezvous，簡(jiǎn)稱(chēng)LSR）。它說(shuō)的是，相繼發(fā)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(jìn)劑送上去。然后第二枚火箭把航天員送上去，他們把推進(jìn)劑加到返回艙里。
簡(jiǎn)而言之，就是建設(shè)一個(gè)月球加油站。請(qǐng)加98號(hào)油，謝謝。
最后提出來(lái)的一種流程叫做“月球軌道交會(huì)”（Lunar Orbit Rendezvous，簡(jiǎn)稱(chēng)LOR）。它說(shuō)的是……呃，這個(gè)比較復(fù)雜。
首先，一枚火箭把飛船發(fā)射到月球軌道上。這艘飛船分為兩部分，指令服務(wù)艙和登月艙。
然后，指令服務(wù)艙留在月球軌道上，登月艙去著陸。
然后，登月艙把自己的下降級(jí)作為底座拋棄在月球上，讓上升級(jí)發(fā)射起飛。
然后，登月艙跟指令服務(wù)艙在月球軌道上再次會(huì)合，雙方對(duì)接。這就是為什么這條技術(shù)路線叫做月球軌道交會(huì)。
最后，把登月艙丟棄，用服務(wù)艙中的燃料點(diǎn)火飛回地球。
簡(jiǎn)而言之，就是走一路，丟一路。靈魂之問(wèn)：請(qǐng)問(wèn)你是什么垃圾？
好，你會(huì)選擇哪一種技術(shù)路線呢？
歷史上，NASA選擇的是最后這條，月球軌道交會(huì)。它的好處在于，在每一個(gè)環(huán)節(jié)都盡量減少了載荷。這正跟上次講的火箭分級(jí)的基本思想一樣，輕裝上陣。
其實(shí)NASA一開(kāi)始傾向于采取的是直接上升，而不是月球軌道交會(huì)。因?yàn)槟菚r(shí)美國(guó)連地球軌道交會(huì)都沒(méi)做過(guò)，更不用說(shuō)對(duì)接了，所以在月球軌道上交會(huì)和對(duì)接就更是沒(méi)譜了。
但是形勢(shì)比人強(qiáng)。如果按照保守的思路，那么也許美國(guó)最終還是能登月，但肯定無(wú)法在肯尼迪設(shè)定的截止時(shí)間即1970年之前完成。因此，一直有一些專(zhuān)家在強(qiáng)烈推銷(xiāo)月球軌道交會(huì)，最后終于改變了決策層的選擇。你看，政治家動(dòng)動(dòng)嘴，科學(xué)家跑斷腿……
所以，登月飛行的流程如下圖所示，包含這么多步驟。
首先是火箭發(fā)射，把飛船送到一條地球軌道，稱(chēng)為停泊軌道（parking orbit）。這一步需要土星五號(hào)三級(jí)火箭燃燒11分鐘，消耗了前兩級(jí)以及第三級(jí)的一小部分。
順便說(shuō)一句，阿波羅計(jì)劃的火箭是在美國(guó)東南部的卡納維拉爾角發(fā)射的，這正是第二篇中提到的凡爾納的小說(shuō)《從地球到月球》中那顆飛向月球的炮彈的發(fā)射地。
然后是奔月變軌（translunar injection），即從地球軌道飛向月球。這一步需要第三級(jí)火箭燃燒6分鐘，消耗完了火箭燃料。
然后，指令服務(wù)艙與登月艙換位對(duì)接（transposition and docking）。這個(gè)換位對(duì)接又分為兩步：第一步是指令服務(wù)艙和登月艙暴露出來(lái)；第二步是兩者對(duì)接，然后跟第三級(jí)火箭分離，把火箭殘骸送入太陽(yáng)軌道。沒(méi)錯(cuò)，我們給太陽(yáng)送了一個(gè)禮物。
這里有一個(gè)有趣的故事。2002年9月3日，業(yè)余天文學(xué)家、前香港天文學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)楊光宇（William Kwong Yu Yeung，1960-）發(fā)現(xiàn)了一顆疑似在環(huán)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。這是怎么回事？
解釋是，這顆小行星其實(shí)是1969年阿波羅12號(hào)用的第三級(jí)火箭，二氧化鈦是土星五號(hào)火箭涂層的主要成分。第三級(jí)火箭在跟飛船分離后原本應(yīng)該進(jìn)入太陽(yáng)軌道，但燃燒時(shí)間太長(zhǎng)，使得它仍然在地球和月球附近。
由于引力的擾動(dòng)，1971年，也就是晃了兩年之后，它應(yīng)該進(jìn)入了太陽(yáng)軌道。又過(guò)了31年，2002年它又回到了地球軌道上，被楊光宇發(fā)現(xiàn)了。2003年6月，這位依依不舍的老朋友再次離開(kāi)了地球軌道。
讓我們回到登月的流程。下一步是月球軌道進(jìn)入（lunar orbit insertion），即進(jìn)入月球軌道。這一步的動(dòng)力來(lái)自服務(wù)艙的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。
然后是下降軌道進(jìn)入（descent orbit insertion），即指令服務(wù)艙與登月艙分離，登月艙進(jìn)入一條靠近月球的軌道。這一步的動(dòng)力來(lái)自登月艙的下降級(jí)點(diǎn)火。
阿波羅計(jì)劃的一次機(jī)組包括三名航天員，其中一人作為指令長(zhǎng)待在指令服務(wù)艙內(nèi)，兩人乘坐登月艙去著陸。在阿波羅11號(hào)中，指令長(zhǎng)是邁克爾·柯林斯（Michael Collins，1930-）。他沒(méi)有登上月球，但他的作用也是不可或缺的，我們應(yīng)該記住他的名字。
然后是動(dòng)力下降（powered descent），即登月艙點(diǎn)火下降，最后手動(dòng)找到合適的地點(diǎn)著陸。這一步的動(dòng)力同樣來(lái)自登月艙下降級(jí)。
實(shí)際上，阿波羅11號(hào)登月時(shí)，這一步非常驚險(xiǎn)。1969年7月5日，阿波羅11號(hào)的航天員們接受了一次媒體采訪。當(dāng)被問(wèn)到是否會(huì)帶一些個(gè)人紀(jì)念物到月球上時(shí)，阿姆斯特朗回答說(shuō)：“如果我有的選，那我會(huì)選擇多帶些燃料?！保╤ttp://jandan.net/2019/07/21/apollo-11.html）
事實(shí)證明他非常有先見(jiàn)之明。在降落的時(shí)候，登月艙的電腦選中的是一塊充滿(mǎn)巨石的隕石坑。為了避免危險(xiǎn)，阿姆斯特朗只得切換到半自動(dòng)控制，嘗試尋找一個(gè)安全的地點(diǎn)。奧爾德林給他提供導(dǎo)航數(shù)據(jù)。
警報(bào)聲響起，他們只有60秒的時(shí)間降落了！否則只能中止行動(dòng)。然后，30秒的警報(bào)響起！幸好，這時(shí)他們已經(jīng)找到了一塊平坦的地方。
奧爾德林回憶說(shuō)：“當(dāng)時(shí)間不足30秒時(shí)，我們距離表面還有3米左右?！倍嗵澃⒛匪固乩恃勖魇挚?，他們?cè)谌剂现皇?5秒消耗完的時(shí)候降落到了地面。
在降落之后，是艙外活動(dòng)（extravehicular activity），即兩名航天員探索月球表面，收集樣品。
然后，登月艙上升級(jí)以下降級(jí)作為底座，點(diǎn)火起飛。
這也是充滿(mǎn)危險(xiǎn)的一步，如果不成功，他們就會(huì)被滯留在月球上。阿波羅11號(hào)登月時(shí)，尼克松為這種可能預(yù)先準(zhǔn)備了一份講稿：
“命運(yùn)注定，這兩位來(lái)到月球進(jìn)行和平探索的人將在月球上安息……別人將會(huì)跟隨他們，而且必定找到回家的路。人類(lèi)的探索不會(huì)停步。然而這些人是第一批，他們將在我們心中永生。在今后的夜晚，每個(gè)人仰望月亮的時(shí)候都會(huì)想到，另一個(gè)世界的一角永遠(yuǎn)屬于人類(lèi)。”
幸好，這份講稿沒(méi)有用上。
登月艙上升級(jí)起飛后，與指令服務(wù)艙在月球軌道上會(huì)合對(duì)接。在電影《火星救援》中，最激動(dòng)人心的就是一個(gè)類(lèi)似的情節(jié)，馬特·達(dá)蒙（Matt Damon）在火星上乘坐一艘小飛船起飛，跟回頭來(lái)接他的飛船雙方不顧一切地會(huì)合。
然后，登月的航天員帶著樣品回到指令艙，把登月艙拋棄。
然后是奔地變軌（trans-Earth injection），即服務(wù)艙點(diǎn)火，飛回地球。
然后在再入大氣層之前，服務(wù)艙也被拋棄，指令艙就是我們平時(shí)說(shuō)的返回艙。指令艙旋轉(zhuǎn)180度，把鈍頭對(duì)準(zhǔn)大氣層，用來(lái)對(duì)抗高溫。
然后，空氣的摩擦在給指令艙減速的同時(shí)，高溫導(dǎo)致氣體電離。無(wú)線電波不能通過(guò)這層電離的空氣，因此在幾分鐘之內(nèi)指令艙跟外界無(wú)法通信，這種現(xiàn)象叫做“黑障”（ionization blackout）。這是航天活動(dòng)中非常危險(xiǎn)的一個(gè)階段。
最后，降落傘打開(kāi)，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(lái)。
真是蕩氣回腸！人類(lèi)完成了這樣的壯舉，從此在宇宙中晉升為了能夠登上另一個(gè)星球的文明！
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