我们应该如何纪念登月（三）带我去月球 | 袁岚峰

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导读首先，火箭把飞船发射到月球轨道上。飞船分为指令服务舱和登月舱。

然后，登月舱着陆。

然后，登月舱上升级发射起飞。

然后，登月舱跟指令服务舱在月球轨道上再次会合对接。

最后，把登月舱丢弃，用服务舱中的燃料点火飞回地球。

简而言之，就是走一路，丢一路。

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在上一期（我们应该如何纪念登月（二）航天的基本原理| 袁岚峰）中，我们了解了航天的基本原理，为什么要用火箭，火箭的最高速度是由什么决定的，火箭为什么要分级等等。现在，我们终于可以来正面介绍阿波罗计划登月的技术细节了。

首先要确定的是，登月采用什么流程？

一般人对登月的理解，大概就是从地球发一枚火箭到月球去。这确实是一种直截了当的选择，被NASA称为“直接上升”（direct ascent）。具体而言，火箭是直接在月球上着陆，而不是先进入环绕月球的轨道。

那么航天员怎么回来呢？

这是个好问题！火箭不是把航天员孤零零地甩在月球上，而是同时发射上去一个23吨的返回舱，以及一个51吨的下降推进平台。返回的时候，返回舱以下降推进平台作为底座发射，把后者丢弃在月球上。

因此，地球上发射的火箭需要把高达74吨的总载荷送到月球。这是一个吓死人的数值，直到现在我们都没造出这么强大的火箭。所以，直接上升这条“大力出奇迹”的技术路线是走不通的。

为了完成任务，人们又提出了三种间接的技术路线。

一种流程叫做“地球轨道交会”（Earth Orbit Rendezvous，简称EOR）。它说的是，不是只发射一枚火箭，而是发射多枚火箭，在有些方案中多达15枚。每一枚火箭携带一部分零部件，在地球轨道上交会，组装成一艘飞船。然后把这艘飞船发射到月球轨道。

听起来是不是很有变形金刚组合的感觉？我来组成头部！

另一种流程叫做“月球表面交会”（Lunar Surface Rendezvous，简称LSR）。它说的是，相继发射两枚火箭到月球表面。第一枚火箭不载人，只把返回地球所需的推进剂送上去。然后第二枚火箭把航天员送上去，他们把推进剂加到返回舱里。

简而言之，就是建设一个月球加油站。请加98号油，谢谢。

最后提出来的一种流程叫做“月球轨道交会”（Lunar Orbit Rendezvous，简称LOR）。它说的是……呃，这个比较复杂。

首先，一枚火箭把飞船发射到月球轨道上。这艘飞船分为两部分，指令服务舱和登月舱。

然后，指令服务舱留在月球轨道上，登月舱去着陆。

然后，登月舱把自己的下降级作为底座抛弃在月球上，让上升级发射起飞。

然后，登月舱跟指令服务舱在月球轨道上再次会合，双方对接。这就是为什么这条技术路线叫做月球轨道交会。

最后，把登月舱丢弃，用服务舱中的燃料点火飞回地球。

简而言之，就是走一路，丢一路。灵魂之问：请问你是什么垃圾？

好，你会选择哪一种技术路线呢？

历史上，NASA选择的是最后这条，月球轨道交会。它的好处在于，在每一个环节都尽量减少了载荷。这正跟上次讲的火箭分级的基本思想一样，轻装上阵。

其实NASA一开始倾向于采取的是直接上升，而不是月球轨道交会。因为那时美国连地球轨道交会都没做过，更不用说对接了，所以在月球轨道上交会和对接就更是没谱了。

但是形势比人强。如果按照保守的思路，那么也许美国最终还是能登月，但肯定无法在肯尼迪设定的截止时间即1970年之前完成。因此，一直有一些专家在强烈推销月球轨道交会，最后终于改变了决策层的选择。你看，政治家动动嘴，科学家跑断腿……

所以，登月飞行的流程如下图所示，包含这么多步骤。

登月飞行流程

首先是火箭发射，把飞船送到一条地球轨道，称为停泊轨道（parking orbit）。这一步需要土星五号三级火箭燃烧11分钟，消耗了前两级以及第三级的一小部分。

登月流程1：发射

顺便说一句，阿波罗计划的火箭是在美国东南部的卡纳维拉尔角发射的，这正是第二篇中提到的凡尔纳的小说《从地球到月球》中那颗飞向月球的炮弹的发射地。

然后是奔月变轨（translunar injection），即从地球轨道飞向月球。这一步需要第三级火箭燃烧6分钟，消耗完了火箭燃料。

登月流程2：奔月变轨

然后，指令服务舱与登月舱换位对接（transposition and docking）。这个换位对接又分为两步：第一步是指令服务舱和登月舱暴露出来；第二步是两者对接，然后跟第三级火箭分离，把火箭残骸送入太阳轨道。没错，我们给太阳送了一个礼物。

登月流程3：换位对接1

登月流程4：换位对接2

这里有一个有趣的故事。2002年9月3日，业余天文学家、前香港天文学会会长杨光宇（William Kwong Yu Yeung，1960-）发现了一颗疑似在环绕地球的小行星，将其命名为J002E3。光谱分析表明，这颗小行星的表面是白色的二氧化钛，也就是钛白粉。这是怎么回事？

杨光宇

解释是，这颗小行星其实是1969年阿波罗12号用的第三级火箭，二氧化钛是土星五号火箭涂层的主要成分。第三级火箭在跟飞船分离后原本应该进入太阳轨道，但燃烧时间太长，使得它仍然在地球和月球附近。

由于引力的扰动，1971年，也就是晃了两年之后，它应该进入了太阳轨道。又过了31年，2002年它又回到了地球轨道上，被杨光宇发现了。2003年6月，这位依依不舍的老朋友再次离开了地球轨道。

让我们回到登月的流程。下一步是月球轨道进入（lunar orbit insertion），即进入月球轨道。这一步的动力来自服务舱的发动机点火。

登月流程5：月球轨道进入

然后是下降轨道进入（descent orbit insertion），即指令服务舱与登月舱分离，登月舱进入一条靠近月球的轨道。这一步的动力来自登月舱的下降级点火。

登月流程6：下降轨道进入

阿波罗计划的一次机组包括三名航天员，其中一人作为指令长待在指令服务舱内，两人乘坐登月舱去着陆。在阿波罗11号中，指令长是迈克尔·柯林斯（Michael Collins，1930-）。他没有登上月球，但他的作用也是不可或缺的，我们应该记住他的名字。

从左至右：阿姆斯特朗、柯林斯、奥尔德林

然后是动力下降（powered descent），即登月舱点火下降，最后手动找到合适的地点着陆。这一步的动力同样来自登月舱下降级。

登月流程7：动力下降

实际上，阿波罗11号登月时，这一步非常惊险。1969年7月5日，阿波罗11号的航天员们接受了一次媒体采访。当被问到是否会带一些个人纪念物到月球上时，阿姆斯特朗回答说：“如果我有的选，那我会选择多带些燃料。”（http://jandan.net/2019/07/21/apollo-11.html）

事实证明他非常有先见之明。在降落的时候，登月舱的电脑选中的是一块充满巨石的陨石坑。为了避免危险，阿姆斯特朗只得切换到半自动控制，尝试寻找一个安全的地点。奥尔德林给他提供导航数据。

警报声响起，他们只有60秒的时间降落了！否则只能中止行动。然后，30秒的警报响起！幸好，这时他们已经找到了一块平坦的地方。

奥尔德林回忆说：“当时间不足30秒时，我们距离表面还有3米左右。”多亏阿姆斯特朗眼明手快，他们在燃料只剩25秒消耗完的时候降落到了地面。

在降落之后，是舱外活动（extravehicular activity），即两名航天员探索月球表面，收集样品。

登月流程8：舱外活动

然后，登月舱上升级以下降级作为底座，点火起飞。

登月流程9：登月舱上升级起飞

这也是充满危险的一步，如果不成功，他们就会被滞留在月球上。阿波罗11号登月时，尼克松为这种可能预先准备了一份讲稿：

“命运注定，这两位来到月球进行和平探索的人将在月球上安息……别人将会跟随他们，而且必定找到回家的路。人类的探索不会停步。然而这些人是第一批，他们将在我们心中永生。在今后的夜晚，每个人仰望月亮的时候都会想到，另一个世界的一角永远属于人类。”

幸好，这份讲稿没有用上。

登月舱上升级起飞后，与指令服务舱在月球轨道上会合对接。在电影《火星救援》中，最激动人心的就是一个类似的情节，马特·达蒙（Matt Damon）在火星上乘坐一艘小飞船起飞，跟回头来接他的飞船双方不顾一切地会合。

登月流程10：登月舱与指令服务舱会合对接

然后，登月的航天员带着样品回到指令舱，把登月舱抛弃。

登月流程11：抛弃登月舱

然后是奔地变轨（trans-Earth injection），即服务舱点火，飞回地球。

登月流程12：奔地变轨

然后在再入大气层之前，服务舱也被抛弃，指令舱就是我们平时说的返回舱。指令舱旋转180度，把钝头对准大气层，用来对抗高温。

登月流程13：再入大气层

然后，空气的摩擦在给指令舱减速的同时，高温导致气体电离。无线电波不能通过这层电离的空气，因此在几分钟之内指令舱跟外界无法通信，这种现象叫做“黑障”（ionization blackout）。这是航天活动中非常危险的一个阶段。

登月流程14：黑障

最后，降落伞打开，指令舱溅射到太平洋中。附近的航空母舰把三名航天员救援上来。

登月流程15：海上降落

真是荡气回肠！人类完成了这样的壮举，从此在宇宙中晋升为了能够登上另一个星球的文明！

在下一期也就是最后一期中，我们来了解登月的火箭，以及各个航天大国的历史、现状和未来。

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致谢：感谢资深航天技术顾问王渤、航天科研工作者石豪在科学内容方面的指教。

背景简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，科技与战略风云学会会长，青年科学家社会责任联盟理事，中国无神论学会理事，安徽省科学技术协会常务委员，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

责任编辑：孙远