飛出地球，登上其他星球不算厲害，還能回來(lái)才是“高手”！美國(guó)登月已經(jīng)是上世紀(jì)的事情了，隨著科學(xué)認(rèn)知與科技水平的不斷提高，質(zhì)疑的聲音反而越來(lái)越多。其中飛船登陸之后，如何返航就是一個(gè)很大的技術(shù)難題，特別還是在上個(gè)世紀(jì)。

要知道阿波羅號(hào)是土衛(wèi)五號(hào)運(yùn)載火箭給帶上天的，該火箭的推力至今都穩(wěn)坐世界第二，而月球上并沒(méi)有如此強(qiáng)大的火箭與發(fā)射塔。

返航的問(wèn)題關(guān)鍵在與引力，因?yàn)槭录谋尘笆?strong>地月系統(tǒng)，舉個(gè)不太恰當(dāng)?shù)睦樱?strong>從地球到月球像是在爬坡，而從月球返回地球則是下坡的順風(fēng)路。返航方案只限于月球，火星、金星都不適用。下面我們就來(lái)破除一下外界對(duì)人類第一次登月的質(zhì)疑。

登月

從地球到月球分為：

• 火箭加速，克服地球引力升空進(jìn)入環(huán)地球軌道
• 火箭再次加速脫離地球軌道進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，飛向38萬(wàn)公里之外的月球
• 切入環(huán)月球軌道，具備一定速度，克服月球引力，繞月球運(yùn)行，
• 緩慢減速，讓月球引力稍占上風(fēng)，利用引力繞月緩緩降落。

登陸過(guò)程沒(méi)有什么瑕疵可挑，一切順理成章，但是這個(gè)過(guò)程中存在一些細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)為阿波羅號(hào)返航埋下了伏筆。

返回的準(zhǔn)備

在飛出地球的過(guò)程中，隨著燃料耗盡，土衛(wèi)五一節(jié)節(jié)脫離，當(dāng)它們進(jìn)入地月軌道時(shí)，火箭最前端的部分，也就是那個(gè)尖尖的部分為指令艙和中間的服務(wù)艙，脫離了火箭，來(lái)了一個(gè)180度大旋轉(zhuǎn)。

圖：調(diào)過(guò)頭來(lái)的指令艙，準(zhǔn)備與登月艙“接吻”

“頭”和“腳”調(diào)了個(gè)個(gè)之后，又回來(lái)了與處于中間的登月艙進(jìn)行對(duì)接，看看服務(wù)艙“腳”上那個(gè)大噴氣孔，用腳想也知道服務(wù)艙攜帶著燃料。緊接著指令艙與服務(wù)艙帶著登月艙與土衛(wèi)五最后一節(jié)推進(jìn)器分離進(jìn)入地月軌道。

當(dāng)阿波羅號(hào)登入月球后，人類下來(lái)溜達(dá)了“一大步”，插上了小旗，撿了石頭，就準(zhǔn)備往回走了。眼尖的小朋友，可能發(fā)現(xiàn)了，剛才那個(gè)調(diào)了個(gè)的“尖尖”指令艙和服務(wù)艙哪去了？還有登月計(jì)劃一共派出去3個(gè)宇航員，為什么下船的只有兩人？

其實(shí)船上沒(méi)人了，因?yàn)榱硪粋€(gè)宇航員壓根就沒(méi)在月球上，在組合狀態(tài)下環(huán)月軌道運(yùn)行時(shí)，阿姆斯特朗與奧爾德林躲進(jìn)了登月艙，然后與指令艙脫離，減速降落月球。而邁克爾·柯林斯繼續(xù)留在了指令艙中，圍著月球轉(zhuǎn)圈圈，指令艙才是返程車，他在等待下一個(gè)任務(wù)——帶大家回家。

火箭的逃逸速度

阿波羅號(hào)起飛的關(guān)鍵因素在于月球的引力。在操場(chǎng)上，扔個(gè)球，能扔出30米開(kāi)外，如果在珠穆朗瑪峰上，你能扔更遠(yuǎn)，因?yàn)樯脚c地面有一個(gè)坡度。地球并不是平的，而是圓的，如果球離手時(shí)擁有足夠的初速度，使得球都已經(jīng)離開(kāi)地球了還沒(méi)有落地，那么會(huì)發(fā)生下面的情況：

球環(huán)地球運(yùn)行，要達(dá)到環(huán)地球運(yùn)行的初始速度，稱之為第一宇宙速度，7.9 km/s。如果勁再大點(diǎn)，地球的引力也無(wú)法讓它回心轉(zhuǎn)意，它就會(huì)發(fā)生下面的情況：

這種情況叫逃逸，地球的逃逸速度也叫第二宇宙速度，11.2km/s。逃逸速度只有天體的質(zhì)量與半徑有關(guān)，而質(zhì)量與半徑又決定了天體的引力，因此科學(xué)家也經(jīng)常用逃逸速度來(lái)描繪天體的引力強(qiáng)弱，例如黑洞，宇宙至高速度的光都無(wú)法逃逸，所以黑洞引力極強(qiáng)。

從月球返航

月球引力很小，它的逃逸速度為2.4km/s，阿姆斯特朗穿著厚重的宇航服，小心翼翼的走起來(lái)都一蹦一跳的，如果它使勁一跳，估計(jì)能秒了地球上的撐桿跳記錄。這意味著月球上根本不需要土衛(wèi)五這么強(qiáng)勁的推進(jìn)器，只需要配備一個(gè)“迷你火箭”和“迷你發(fā)射臺(tái)”。

阿波羅號(hào)登月艙分為兩部分，下部分為下降級(jí)，攜帶少量的燃料可以穩(wěn)穩(wěn)的把飛船降落在月球表面。當(dāng)飛船要離開(kāi)時(shí)則與上半部分解鎖，變身成發(fā)射臺(tái)。而上半部分為上升級(jí)，也攜帶了少量燃料和發(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)迷你構(gòu)造足以支撐它克服引力飛離月球表面。當(dāng)?shù)窃屡撋仙?jí)返回月球軌道，和指令艙對(duì)接，回家的事就傳遞給“大容量噴氣口”（服務(wù)艙）了。

實(shí)際上，在整個(gè)過(guò)程中，除了人和石頭，整個(gè)登入月球的部分都被拋棄在了月球上。下降級(jí)作為發(fā)射架永遠(yuǎn)停留在月球表面。而上級(jí)部分在于指令艙對(duì)接之后，登月艙的兩位宇航員帶著“石頭”進(jìn)入指令艙，隨后上升段的登月艙就與指令艙分離，被拋棄在月球的軌道上，隨著它慢慢減速最終也會(huì)墜入月球表面。那么好好一個(gè)登月為什么要分分合合的？

多種方案的選擇

登月的方案當(dāng)時(shí)設(shè)想了幾種：

• 直接起飛

由火箭帶著飛船起飛到達(dá)月球登入，拿完石頭，火箭再次起飛，回到地球。

• 在地球軌道會(huì)合

火箭可以小一點(diǎn)，但用兩艘，分別把登月艙和指令艙送到地球軌道進(jìn)行對(duì)接，再飛往月球，再整體返回。

圖：直接起飛或者地球軌道集合的設(shè)想圖

• 月球表面會(huì)合

也是用兩艘，一艘無(wú)人駕駛，帶著推進(jìn)器登入月球，然后載人的登月艙到達(dá)月球，宇航員拿完石頭進(jìn)入到之前先到的航天器中，然后推進(jìn)上升返回地球。

圖：月球軌道會(huì)合方案全過(guò)程

• 月球軌道會(huì)合

這個(gè)方案就是阿波羅號(hào)登月所用的方案，一個(gè)大型火箭帶著兩個(gè)航天器，較大的裝載著返回地球的燃料和生活必需品，以及裝配進(jìn)入地球大氣所需的隔熱板，這部分不登月，只環(huán)月。另外一個(gè)，輕裝上陣，質(zhì)量較小的只載人，還有少量登入月球以及從月球表面返回月球軌道所需的燃料。耗盡了服務(wù)艙所有燃料，最終只剩下個(gè)小圓錐的指令艙進(jìn)入大氣層掉入海中。

能量

選擇最后一種方案是出于對(duì)能量的考慮。航天器所需能量的地方主要在克服引力起飛與變軌。飛向月球時(shí)并不需要考慮能量問(wèn)題，因?yàn)槲覀冇型晟频陌l(fā)射臺(tái)與強(qiáng)大的火箭。

而在月球上升空就捉襟見(jiàn)肘了。雖然月球引力較小，但也需要達(dá)到一定初速度才能起飛上升到月球軌道，質(zhì)量越大，起飛加速所需要的能量就越大，所以登月部分的質(zhì)量需要盡可能壓縮到最小。

阿波羅11號(hào)的徽章為一只老鷹降落在月球上，從側(cè)面看這是一個(gè)非常形象的比喻，登月艙就像一只老鷹，它看似體型很大，實(shí)際上并不重，主要的質(zhì)量都濃縮在羽毛之下。鷹爪代表著登月艙的下降段，著陸時(shí)兩爪可以分開(kāi)，穩(wěn)穩(wěn)的鎖住地面。

翅膀代表著起飛，完成任務(wù)之后，鷹爪變?yōu)楣潭ㄔ诘孛娴陌l(fā)射架，留在月球，上升段攜帶的燃料與推進(jìn)器就像老鷹的扇起翅膀帶著它們起飛。最后老鷹完成了任務(wù)，留在了月球上。較大的航天器（服務(wù)號(hào)）擁有充足的燃料，可以進(jìn)行幾次變軌，加上地月系統(tǒng)中作為主導(dǎo)的地球引力牽引，最終石頭與宇航員回家。

火星回不來(lái)

登月整個(gè)過(guò)程非常流暢，完美，并沒(méi)有什么好質(zhì)疑的?，F(xiàn)在的他們已經(jīng)瞄了火星好久，火星的單程路程需要至少39天，而月球來(lái)回只用8天，距離預(yù)示著燃料。而火星比月球大得多得多，逃逸速度約為5km/s。往火星送個(gè)探測(cè)器，登陸車對(duì)于人類來(lái)說(shuō)問(wèn)題不大。

如果想要從火星起飛，并且攜帶大量燃料以及生活物資返回地球就是難事了，迷你發(fā)射架與發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法使龐然大物達(dá)到逃逸的速度。我們需要在火星有發(fā)射基地，并且能利用并開(kāi)采火星上的燃料才能返航，因此至今為止美國(guó)人都還沒(méi)有把人送到火星上。

阿波羅計(jì)劃結(jié)束

從阿波羅11號(hào)，阿姆斯特朗打了個(gè)頭后，阿波羅計(jì)劃多次成功登月，在月球各處插了不少旗子，最后也插累了，石頭該撿的也撿了，沒(méi)有什么新鮮感了，關(guān)鍵超級(jí)費(fèi)錢(qián)。于是在阿波羅17號(hào)之后，美國(guó)人終止了阿波羅計(jì)劃。能邁出一大步，再邁回來(lái)，這是高手的操作！