登月五十周年纪念 | 阿波罗 11 号的燃料

作者：董轶强

（科学声音新媒体科普创作训练营第一期学员优秀作业）

1969 年 7 月 21 日中午，身着白色宇航服的宇航员尼尔·阿姆斯特朗和巴斯·奥尔德林，正在紧张的忙碌着。他们用于返回地球的“鹰号”飞船就静静的停放在金色发射架上。金色的发射架就像一只4条腿的蜘蛛，把小飞船牢牢的托住。

奥尔德林一边把一堆生活垃圾丢出舱外，一边对阿姆斯特朗说：“尼尔，别看了，上头说了，这个必须扔掉。”

阿姆斯特朗拿着登月限量版哈苏相机，左看右看，实在不舍得就这样扔在月球上。为了适应在月球上的拍照任务，最近一年，他每天都与这部相机形影不离。阿姆斯特朗知道，这一扔，就是永诀。

奥尔德林催促道：“尼尔，我还想把靴子带回去呢，肯定能卖个好价钱。但是，靴子回去了，我们就回不去了。”奥尔德林说着就脱下鞋子外面套着的宇航靴，仍在了那个著名的脚印不远处。

阿姆斯特朗当然明白这个道理，他最后看了一眼相机，取出胶卷，手一松，相机轻轻地掉在了月球的土地上，激起了一些飞扬的尘土……

如果你是一位航天爱好者的话，相信你已经猜到，上面的这一段故事，正是阿波罗 11 号的登月舱从月球起飞前的情形。但是，你可能还是无法理解，这些相机、靴子之类的东西并不很重，为什么非要扔掉呢？这就是大多数普通人，甚至很多科学爱好者都不清楚的问题。

要知道，载人航天与无人航天最大的不同，就是我们不仅要把宇航员送往遥远的目的地，更要把他们安全的带回来才行。飞船离开地球需要燃料，飞往月球需要燃料，月球上没有大气，不能通过降落伞之类的手段给飞船减速，想要在月球表面实现软着陆，就需要反推火箭的帮助，这也是需要耗费大量的燃料的。最重要的，想要离开月球，摆脱月球引力的束缚，更是需要大量的燃料提供动力才行。

你可能会有些好奇，既然有那么多地方都需要燃料，那出发的时候，多带点儿燃料不就行了吗？难道几百亿的研究经费都花了，还差这点儿燃料的钱吗？你可别小看这点儿燃料。每一点点的多余重量，都会多耗费大量的燃料，而这些燃料的重量，必须要由上一步骤的更多的燃料来提供运输的动力。

从月球上起飞的登月舱，算上两名宇航员和所有的岩石样本，总重量也才只有 2 吨而已。但是为了能让这 2 吨的重量能够脱离月球的引力，进入月球环绕轨道，我们必须为它配上大约 3 吨的燃料才行。

也就是说，起飞时的登月舱，总重量达到了接近 5 吨。但是，这些燃料仅仅能推动登月舱飞到月球的环绕轨道而已，根本不足以送宇航员们回家。如果要让这枚登月舱能够直接飞回地球，那么，登月舱脱离月球引力的时候，就必须还剩下 13 吨的燃料才行。而为了让这多出来的 13 吨燃料从月球上起飞，就必须再多携 17 吨左右的燃料才能做到。这样的话，登月舱的起飞重量就会达到 35 吨了。

中国有句古话，叫做”兵马未动，粮草先行“。这些燃料，就是宇航员这个 2 人远征军的粮草。不过，与古代打仗时有专门的补寄部队不一样，我们没有办法给宇航员配备补给部队，他们必须把一去一回的全部粮草都带足才能出发。

我们计算还没结束，如果登月舱的起飞重量是 35 吨，那么它在着陆月球之前会有多重呢？为了能让重达 35 吨的登月舱能平稳的在月球上软着陆，我们就需要再多带 35 吨的燃料，用于降落在月球上时给反推火箭使用。也就是说，登月舱在着陆前的重量，至少要有 70 吨重。

这还没完，把这个已经增肥到 70 吨重的登月舱从地球轨道送到月球轨道需要更多的燃料，计算结果是 135 吨。这样的话，登月舱在地球环绕轨道上时，它的体重就重达 205 吨了。但是，这事儿还没完，把这个重达 205 吨的超级肥胖的登月舱送上天的火箭本身也有自重，火箭的燃料其实大部分都消耗在了自身的重量上。

这个大火箭连同携带的登月舱，它的起飞总重量是惊人的 6000 吨！

你没听错，为了把 205 吨的东西送到月球，总起飞重量必须达到 6000 吨，差不多 29 倍。直观一点理解的话，你可以这样想，假如登月舱的重量相当于一个普通的苹果 200 克重的话，那么起飞重量就相当于一个特大号的 12  斤重的大西瓜，就是一般水果店中最大的那种椭圆形的大西瓜。

如果你对这个 6000 吨的庞然大物缺乏直观的理解，我可以给你举个例子。6000 吨的重量，大概就和中国海军的 052D 型驱逐舰的重量差不多，052D 驱逐舰的舰艇的长度是 157 米，舰艇宽度 19 米，舰艇的标准编制，是 300 名海军战士。你想想看，如果要把 052D 型导弹驱逐舰发射到太空中去，是一个什么样的景象吧。然而最讽刺的是，我们做这么多的努力，仅仅是要把 2 名宇航员和几十公斤的月球矿石带回地球而已。

图：中国海军的 052D 型驱逐舰

单程登月和载人返回之间的差别巨大，我们可以用我国的嫦娥三号月球探测器再做个比较。嫦娥三号探测器是由长征三号乙增强型火箭发生升空的。这款火箭的高度是57米，直径 3.35米，起飞重量还不到 46 吨。除了把 2 名宇航员送上月球再带回来，以及几十公斤的月球矿石以外，阿波罗 11 号能做的事情，嫦娥三号全部都能做得更好，而且，嫦娥三号携带的玉兔号月球车，在月球上服役了 972 天，绝对超额的完成了月球的探测任务。而阿波罗 11 号送上月球的两名宇航员，因为各种条件限制，只在月球上工作了短短的 21 个小时。

图：嫦娥三号携带的玉兔号月球车

当年，主导阿波罗 11 号计划的美国火箭科学家当然知道这个巨大的差距意味着什么。他们清楚，登月计划成功的关键，就在于能否找到更经济的方案。他们把这种建造巨大的火箭，全凭携带更多燃料登月的方案起名为直飞方案（Direct）。把这种能以 6000 吨的重量起飞的超级火箭，叫做诺瓦（Nova）。别看直飞方案十分笨拙，但在项目决策的初期，却是深得政治家们的青睐的。大家可以想想看，当时的美国，正在与苏联进行近乎于疯狂的太空竞赛，数百米高的大火箭只要造出来戳在发射场上，即便是外行，也能从火箭的体型上看出谁强谁弱，这绝对是威慑苏联的神器呀。

然而，巨型火箭并不合火箭科学家们的心意，因为巨大的诺瓦必须采用五级火箭模式，这可不是增加几千吨燃料那么简单的事情，这无疑增加了火箭的安全性隐患。

于是，很快的，NASA 兰利研究中心的霍伯特博士就提出了更可行的月球轨道对接方案。霍伯特博士设想，飞船可以在到达月球环绕轨道之后分离成 2 个部分，一个叫做服务舱的部分携带着返航的燃料，留在月球环绕轨道待命，另一个叫做登月舱的部分着陆到月球表面。这样，登月舱就无需携带着返回地球的燃料飞来飞去了。它只要能够平稳降落并且能够把宇航员和矿石带回到月球环绕轨道上来就行。登月舱返回月球轨道之后，与等待在月球轨道上的服务舱对接，再一起返回地球。

这个方案后来还进行了一项优化，就是当登月舱与服务舱对接，宇航员回到服务仓中之后，把劳苦功高的登月舱也抛弃掉。这样我们就可以再少带不少燃料，轻装返程了。

就是这们一个看似简单的方案优化，就直接让火箭的起飞重量从 6000 吨降低为 3000 吨。现在，只需要一枚土星5号运载火箭就能胜任这次登月任务了。这个方案非常吸引人，所以在经过几次评估和论证之后，很快就确定下来，成为阿波罗 11 号实际采用的登月方式。

从 1961 年到 1972 年之间，阿波罗载人登月计划累计 6 次成功登月，将 12 名宇航员送上了月球。这一庞大的计划耗费了高达 245 亿美元的资金。如果按照购买力折算一下，这相当于现在的将近 2000 亿美元。这笔巨款的四分之一都花费在超级火箭土星 5 号上了。这也让全球的航天人充分的认识到，我们很可能已经触及了化学火箭时代的天花板。想要载人飞往更加遥远的太空，可能还需要新一代火箭技术的支撑才行。

关于载人登月，每隔一段时间我就会听到有人问，为什么时隔 40 多年了，我们的通讯、电子、计算机技术已经超越阿波罗时代无数倍，人类却再也没能登上过月球呢？

没错，我们的计算机技术与 50 年前确实有了飞跃式的进步。我们口袋里的手机，运算能力足以支撑 1000 个阿波罗 11 号同时登月，而不会发生卡顿现象。我们的探月机器人，能够比宇航员们做得更好，还不会思念家乡……

但是，有了这些我们就能再次登上月球了吗？其实这些都不是登月的关键。一个载人航天任务，最最重要的环节，永远是如何克服巨大的地心引力，进入太空。阿波罗计划结束之后，价格昂贵土星 5 号运载火箭随之宣布退役。现在，即使美国决定重启登月计划，也没有合适的运载火箭能完成这项任务了。现役运载能力最强的火箭，是美国的猎鹰重型运载火箭，但它的运力，连土星 5 号的一半还都达不到呢。

有一次，阿波罗 11 号的宇航员巴斯·奥尔德林在一次电视采访中笑称，燃料短缺是我们飞往太空唯一的障碍。如果我真的能拥有巴斯光年一样用不完的能量，那根本用不着什么火箭，我一个人穿着宇航服就能飞上月球了。迪斯尼的经典动画《玩具总动员》中的巴斯光年，就是照着宇航员巴斯·奥尔德林设计的。

► 阿波罗 11 号是载人登月的里程碑，很可能也是化学火箭时代载人登月的永久丰碑。

图：阿波罗11号指挥舱，哥伦比亚号

这个结果听起来确实有点儿伤感，不过也没必要过于悲观。至少，在进入太空之后的下一代发动机在理论上已经成熟了，这种新一代的火箭发动机，就是等离子发动机。

等离子火箭发动机的工作原理其实很简单。首先用高压电将惰性气体电离并加热到一百万摄氏度。然后用电磁线圈加速电离后的气体从火箭喷口高速喷出。我们平时看到的闪电，就是这一过程的自然版本。

图：等离子发动机

不过，由于喷出的等离子体相当稀薄，等离子火箭能提供的推力也非常有限。现在卫星上调整飞行姿态用的等离子发动机，只能提供几个毫牛的推力。这和雨滴打在身上的力量相差不多。

要提升推力的方法之一是提高发动机电源的功率。电源功率增大，同时电离的气体分子就会增加，推力也就提升上来了。目前唯一可行的方向就是依靠小型核电站来大幅度提高功率。核电站的小型化研究现在也已经有了一些突破。NASA 与美国能源部共同开发的千瓦动力就是一个很有希望的项目。千瓦动力项目的小型核电站有 134 公斤重，可以稳定输出 10 千瓦的电力。关于这个项目的情况，大家可以听我的《第 35 期听众问答节目：宇航技术中的难点》。

讲到这里，“我的征途是星辰大海”这句田中芳树的名言又回荡在我的耳边，现在的太空对于人类，就像几百年前的大海对于人类。

就跟我们现在津津乐道于大航海时代的辉煌岁月一样，几百年后的人类，也会津津乐道于人类即将到来的大航天时代。我们每一个人的好奇和关注，都有可能让这个伟大时代早一秒钟到来。

结尾一嗑

科小羽

让我们听听本文的作者——董轶强同学的“结尾废话”：

学习科普写作是一件既有实际意义，又能极大地满足好奇心的事情。在这个训练营里有获得知识的满足，也有被作业难住后抓耳挠腮的痛苦，不过更多的是与同学们一起成长的快乐。科普写作训练营还会一直开下去。汪老师说，只要他还没老到讲不动，那就会一直讲下去，把职业科普人这个接力棒一直往下传。我是董轶强。（如果对种植多肉有兴趣，可以关注我的公号“呜莎花园”）

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