登月的科學(xué)研究與展望

摘 要 液體火箭發(fā)明并獲得初步發(fā)展后，科學(xué)家著手依據(jù)當(dāng)時的科技水平，認(rèn)真探討登月的可能性。20世紀(jì)30年代，英國人就開始了科學(xué)的登月可行性分析。20世紀(jì)50年代，美國有多個部門對載人登月進(jìn)行了初步規(guī)劃，但大都局限于理論探討。作者從歷史的角度介紹了早期的登月研究與規(guī)劃，闡述了阿波羅計劃制訂的背景。

關(guān)鍵詞 載人航天 太空飛行 月球登陸

20世紀(jì)30年代，火箭技術(shù)在德國、美國和蘇聯(lián)都得到了不同程度的發(fā)展，于是人們開始討論利用火箭能否到達(dá)月球的問題。1937年，英國星際航行協(xié)會技術(shù)部在愛德華（J. Happian Edwards）的領(lǐng)導(dǎo)下，成員包括數(shù)學(xué)家漢森（Maurice K. Hanson）、電氣工程師羅斯（Harold E. Ross）、渦輪工程師史密斯（Ralph Andrew Smith）、化學(xué)家詹舍爾（Arthur Janser）以及年僅20歲的天文愛好者克拉克（Arthur Charles Clarke）等人，制訂了一項預(yù)測性研究計劃：以現(xiàn)有技術(shù)、材料和設(shè)備，探討載人環(huán)月飛行的可能性。在比較了100多種不同的液體、固體火箭推進(jìn)劑組合后，他們認(rèn)為，在當(dāng)時的條件下，液體火箭具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制困難、事故概率大以及多機(jī)組合不易協(xié)調(diào)等眾多問題，很難保證長距離飛行的安全，因此他們設(shè)想以固體火箭并聯(lián)的方式，設(shè)計月球飛行火箭。為了達(dá)到逃逸速度，登月火箭采用多級結(jié)構(gòu);為了保證推力可控，采取多個小火箭并聯(lián)，同時通過增減火箭點火的個數(shù)來控制推力的大小。

1937—1939年間，英國星際航行協(xié)會技術(shù)部經(jīng)過兩年的工作，設(shè)計了一枚巨大的登月火箭。它全長32 m，直徑6 m，總重約1 000 t，其中固體推進(jìn)劑的重量占900 t?；鸺秊?級結(jié)構(gòu)，一級小火箭按六邊形蜂窩狀排布，噴氣速度達(dá)3.7 km/s。前5級各裝有168枚大火箭，每枚火箭長4.6 m，直徑37 cm，噴氣速度為3.4 km/s。第6級則裝有450枚中火箭。與登月飛船連在一起的還有兩級火箭，類似于今天大型應(yīng)用衛(wèi)星的上面級，每級由600枚小火箭組成。這樣，登月火箭包含的固體火箭總數(shù)達(dá)到2 490枚?；鸺骷夐g有電器控制點火和級間分離。預(yù)計第6級火箭分離時，可使飛船加速到11.2 km/s。火箭第6級與飛船之間有一個結(jié)合部，實際是飛船推進(jìn)艙，安裝有6組液體火箭發(fā)動機(jī)，采用簡單的H2O2推進(jìn)劑，噴管指向后方，用于火箭和飛船的方向和姿態(tài)控制，以及在月球上減速下降。在這個推進(jìn)艙后面，還有6組液體火箭發(fā)動機(jī)，主要用于使飛船旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生人工重力。當(dāng)飛船在月面著陸前，這6組發(fā)動機(jī)還可使飛船停止旋轉(zhuǎn)。由于月球表面引力較小，只用上面級中的一級推動就能將飛船送回地球。

飛船的頭部外殼裝有阻擋微流星、太陽輻射的預(yù)應(yīng)力蒙皮，主要材料是陶瓷。艙壁為雙層，隔熱性良好，可使流星體的危害減到最小。座艙內(nèi)部有3個富有彈性的人體型椅。由于當(dāng)時還不知道失重究竟有什么危害，因此飛船在宇宙空間飛行期間是通過自旋產(chǎn)生人工重力的。它在登月前靠兩排火箭的排氣來制動，在月面著陸時由彈簧支承的4個支腳減緩沖擊力。座艙內(nèi)的環(huán)境盡可能模擬地面，設(shè)有空氣、水和食物處理設(shè)備，所帶的飲料、食物也十分豐富。為了使宇航員在月面上安全活動，還專門設(shè)計了宇航服，它用堅韌的橡膠和皮革制成，內(nèi)部充以空氣并帶有電加熱裝置，寬大的頭盔內(nèi)還有供氧系統(tǒng)以及無線電通信設(shè)備。為了保證飛行順利進(jìn)行，載人飛船還特別設(shè)計了復(fù)雜的飛行程序系統(tǒng)，它由高度計、加速度計、擺穩(wěn)定裝置和陀螺儀等檢測各種飛行和導(dǎo)航參數(shù)，據(jù)此調(diào)整飛船的控制參數(shù)，因此具有自動駕駛飛船的功能。這樣既能保證宇航員安全，又能保證在技術(shù)上可行。

在英國星際航行協(xié)會的登月方案中，另一個重要成果是供宇航員在飛行途中觀測天空的定天鏡。它由旋轉(zhuǎn)鏡、回轉(zhuǎn)鏡和固定鏡等組成。旋轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)動剛好是飛船角速度的一半，確保一定天區(qū)的景象能夠較長時間地落在目鏡上。因此，盡管飛船的姿態(tài)發(fā)生變化，宇航員卻可以始終觀測某一特定的天區(qū)，因而這種儀器真正起到了“定天”的作用。

飛船的發(fā)射地點設(shè)想在遙遠(yuǎn)的玻利維亞與秘魯交界的海拔3 800 m的安迪恩湖附近，該地位于南緯16°。這種選擇有以下考慮：最大限度地利用地球自轉(zhuǎn)的力量，減少空氣阻力的損失，減輕發(fā)射重量，而且一旦發(fā)生爆炸事故，在這個地廣人稀的地區(qū)不會造成很大破壞。1939年，英國星際航行協(xié)會會員羅斯發(fā)表了《月球飛船》和《月球飛船的控制問題》兩篇文章，進(jìn)一步對登月飛行進(jìn)行探討，包括登月方案。他還提出了月球飛船的載荷建議，認(rèn)為到達(dá)月球的重要任務(wù)是進(jìn)行天文觀測，另外也可進(jìn)行月球?qū)嵉乜疾欤虼酥饕d荷應(yīng)是各種天文望遠(yuǎn)鏡和科學(xué)考察儀器。

英國星際航行協(xié)會所進(jìn)行的登月飛行研究與設(shè)計，完全按照科學(xué)的態(tài)度和方法來開展，憑借的是當(dāng)時已經(jīng)掌握的技術(shù)、材料與設(shè)備，因而成為人類有史以來第一項登月飛行的研究計劃，受到后人的稱贊。該計劃對工程細(xì)節(jié)進(jìn)行了深入分析，找到了解決的辦法。例如，飛船裝有兩級上面級，很像后來阿波羅飛船登月艙的下降發(fā)動機(jī)和上升發(fā)動機(jī)，而且在飛船離開月球時，下面的火箭級用作飛船上升的發(fā)射平臺。飛行采用的慣性平臺也有很強的預(yù)見性。飛船在返回地球再入時，由于采用的火箭制動和再入防熱技術(shù)過于復(fù)雜，因此計劃運用橢圓軌道經(jīng)稀薄空氣緩慢減速、下降，最后在適當(dāng)?shù)母叨群退俣认掠媒德鋫慊厥铡＿@些方法在理論和實踐上都具有很大的可行性。第二次世界大戰(zhàn)后，英國星際航行協(xié)會的會員們?nèi)栽谔接戄d人航天及登月問題，甚至開展了艙外宇航服的設(shè)計。

在大力改進(jìn)液體火箭的同時，一些人把太空飛行作為主要目標(biāo)，一時間大量的探索性著作接連問世。從當(dāng)時的情況看，人們更加重視富有戲劇性的載人太空飛行特別是登月飛行，對人造衛(wèi)星等比較實際的目標(biāo)則關(guān)注不夠。所以，到月球旅行的可能性、所需要的技術(shù)、旅行的步驟以及在月球上建立基地等，就成了研究的熱點話題。

克羅地亞人波托切尼克（Herman Potocnik）第一次世界大戰(zhàn)時曾在奧匈帝國軍隊服兵役，戰(zhàn)后進(jìn)入維也納技術(shù)大學(xué)學(xué)習(xí)電氣工程，后獲得工程學(xué)博士學(xué)位。從1925年起，他的主要精力就放在火箭研究上。1928年底在他去世前不久，出版了《太空飛行問題——火箭發(fā)動機(jī)》一書，探討在軌道上建設(shè)空間站的可能性;對反作用原理做了簡要介紹，分析火箭噴氣效率以及飛行速度、飛船返回制動、有翼飛船氣動減速滑翔著陸、火箭飛機(jī)等一系列技術(shù)問題，并給出不少建議。這些內(nèi)容與前述先驅(qū)者的研究大同小異。在談到空間站時，波托切尼克提出了許多非常有創(chuàng)新性的思想：（1）大型空間站應(yīng)分段發(fā)射;（2）所處軌道應(yīng)為地球靜止軌道，以便于對地通信;（3）討論了失重和真空效應(yīng);（4）提出太空太陽能電站的概念;（5）提出從空間站進(jìn)出開放太空的氣閘艙概念;（6）提出微流星和太陽輻射防護(hù)的問題;（7）思考水和空氣循環(huán)使用的問題;（8）探討空間站姿態(tài)和軌道控制的問題;（9）描繪艙外宇航服的設(shè)計思路;（10）思考利用飛船實現(xiàn)天地往返運輸?shù)膯栴}。

波托切尼克強調(diào)空間站應(yīng)當(dāng)主要用于科學(xué)和經(jīng)濟(jì)目的的對地觀測，同時還可用于在太空進(jìn)行科學(xué)實驗。這本書在德國、蘇聯(lián)和美國都產(chǎn)生了很大影響，不少航天史學(xué)家把波托切尼克設(shè)計的空間站看作軌道上的第一座建筑。1947年，受其啟發(fā)，英國星際航行協(xié)會的羅斯和史密斯也設(shè)計了一座空間站。1948年，羅斯在英國星際航行協(xié)會的會議上宣讀了論文《軌道基地》。鑒于當(dāng)時液體火箭已經(jīng)取得重大進(jìn)展，羅斯在文中將發(fā)射空間站的火箭由以往設(shè)計的固體火箭改為液體火箭。文章還著重討論了載人登月問題。根據(jù)當(dāng)時火箭技術(shù)發(fā)展和使用的實際，羅斯指出，現(xiàn)有的火箭還做不到一次性地把整個飛船送上月球并返回，因此必須采取“軌道加油”的方式。在地球—月球—地球的旅行中，他提出了如下飛行步驟：同時發(fā)射3艘起飛質(zhì)量為442 t的宇宙飛船A、B、C，每艘飛船各載8名宇航員，到達(dá)約800 km高的地球軌道。在軌道上，通過遙控或自動控制將3艘飛船對接在一起，宇航員都轉(zhuǎn)移到飛船A上，并將另外兩艘飛船的推進(jìn)劑轉(zhuǎn)注到飛船A中，其中飛船C全部轉(zhuǎn)注，飛船B留下部分推進(jìn)劑。此時飛船A的總質(zhì)量約為65.2 t。在繞地球軌道運行并完成檢查后，飛船A開始向月球進(jìn)發(fā)。飛船到達(dá)月球后通過控制進(jìn)入800 km高的月球軌道，然后將飛船的推進(jìn)劑貯箱分離并留在月球軌道上，飛船乘員艙降低軌道在月球著陸。這時推進(jìn)劑貯箱的質(zhì)量約3.9 t，載人飛船的質(zhì)量為10 t。在月球考察完畢后，飛船上升進(jìn)入月球軌道，通過雷達(dá)等系統(tǒng)與軌道上的貯箱會合對接，并將貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑加注到乘員艙中。載人乘員艙離開月球朝地球方向返回。飛船A返回地球軌道后，通過探測裝置找到飛船B，并將宇航員轉(zhuǎn)移過去，最后飛船B再進(jìn)入大氣層。飛船的再入返回主要靠降落傘減速。

另一個簡化的飛行步驟是3名宇航員都乘飛船A進(jìn)入地球軌道，而飛船B和飛船C則單純用作加油飛船。羅斯認(rèn)為，在登月飛行中，關(guān)鍵在于飛船軌道對接技術(shù)，而這個技術(shù)借助先進(jìn)的控制系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)是可以實現(xiàn)的。同時，羅斯還研究了空間站問題，包括空間站的規(guī)模、發(fā)射和用途等。難能可貴的是，羅斯的登月步驟與日后阿波羅計劃的月球軌道交會法十分相似。英國人之所以選擇這種飛行方式，是經(jīng)過認(rèn)真思考和初步計算的。月球引力較小，在月球軌道上分離較小的乘員艙下降，制動減速會相對容易，推進(jìn)劑消耗也比較少，因而整體上可以減輕飛船的總質(zhì)量，并降低對運載火箭的要求。利用“軌道加油”（地球軌道交會或月球軌道交會）進(jìn)行登月是許多研究者的首選。英國星際航行協(xié)會會員博格斯（Eric Burgess）就提出過類似建議。他認(rèn)為，直接登月的飛船起飛質(zhì)量至少要上萬噸，不妨將10多個600～1 000 t級的飛船發(fā)射到地球軌道上，然后在地球軌道上組裝，再飛向月球軌道。這個方法實際上就是地球軌道對接。

1949年，德國火箭專家威利·李（Willy Ley）發(fā)表著作《征服太空》，對載人登月飛行進(jìn)行了詳細(xì)討論，包括飛船起飛、中途飛行和著陸。1950年，由美國導(dǎo)演皮切爾（Irving Pichel）執(zhí)導(dǎo)的科幻電影《月球安家》拍攝完畢，在紐約放映時引發(fā)巨大轟動。這部電影突出了登月的困難，并談到登月計劃純粹是私人企業(yè)掌握了登月新技術(shù)，而政府必須購買這項技術(shù)以使美國在未來競爭中保持優(yōu)勢。

1951年，為紀(jì)念哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸459周年，由威利·李召集，在紐約海登天文館舉行了一次會議。與會者宣讀了有關(guān)太空飛行的論文，參加會議的人有美國陸軍彈道導(dǎo)彈發(fā)展局技術(shù)主任馮·布勞恩（Wernher von Braun）、物理學(xué)和天文學(xué)家凡·艾倫（James Alfred Van Allen）、哈佛大學(xué)天文學(xué)教授威普爾（Fred Lawrence Whipple）、國際地球物理年委員會主席卡普蘭（Joseph Kaplan）和美國空軍醫(yī)學(xué)部醫(yī)生哈伯（Heinz Habe）。會議報告的技術(shù)性并不強，其主要目的是喚起美國民眾對太空飛行的興趣。會議論文集于1952年發(fā)表在《科利爾》雜志?？希}為《人類將立即征服月球》，涉及軌道空間站、太空生活、環(huán)月飛行以及月球登陸的種種問題。在編者按《我們還在等什么？》中，指出蘇聯(lián)的火箭技術(shù)已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，一批杰出的火箭專家正將蘇聯(lián)的火箭技術(shù)推向新的高峰，而且有可能搶先發(fā)射衛(wèi)星和空間站。同時警告說，誰先控制太空，誰就將控制地球。極力呼吁美國必須正視目前火箭技術(shù)的發(fā)展，著手制定人造衛(wèi)星和載人空間站計劃。

馮·布勞恩在《人在月球：一次旅行》一文中，提出可以派由50名科學(xué)家和工程師組成的“先鋒探險隊”分乘3艘火箭飛船從空間站軌道上起飛，到月球進(jìn)行探險之旅。主要設(shè)想是：建造并發(fā)射3艘飛船，一艘用于地球軌道的運輸，一艘擔(dān)任軌道組裝任務(wù)的地球空間站，一艘用于登月。其中，運輸飛船是三級結(jié)構(gòu)，總長81 m，底部最大直徑19.8 m，起飛質(zhì)量為6 350 t。第一級并聯(lián)安裝15臺液體發(fā)動機(jī)，最大起飛推力達(dá)12 700 t。第三級是有翼飛船，它進(jìn)入軌道并完成工作后，可載宇航員像飛機(jī)一樣返回地球并著陸?？臻g站是輪胎形，直徑76.2 m，主要任務(wù)是在近地空間完成登月飛船的組裝，也可作為科學(xué)研究和觀測平臺。值得注意的是，它本身也是在空間組裝成的。登月飛船的布局并不規(guī)則，高49 m，底部寬度33.5 m，總質(zhì)量約3 965 t。在最初進(jìn)行月球探險中，共發(fā)射3艘這樣的飛船，兩艘各裝20人，另一艘裝10人和20 t貨物。在地球軌道上組裝后，它們同時向月球進(jìn)發(fā)，5天內(nèi)到達(dá)月球，所帶物資可供50人維持6周時間。工作完成后，50人再乘兩艘飛船返回地球。飛船的電能來自于太陽光加熱工質(zhì)產(chǎn)生的蒸汽以驅(qū)動渦輪發(fā)動機(jī)。他所依據(jù)的也是當(dāng)時的技術(shù)水平，因為那時的火箭發(fā)動機(jī)推力只有數(shù)十噸。馮·布勞恩在文章中還討論了防止微流星撞擊、飛行過程用餐、創(chuàng)造人工重力、月球著陸制動等問題。他預(yù)計，建造大型空間站的總花費大約為40億美元;月球旅行可望在25年內(nèi)實現(xiàn)，需要動用10億美元。這樣的旅行并不存在技術(shù)上的難題，關(guān)鍵是能否下此決心。

這部文集的出版在美國引起強烈反響，極大地激發(fā)了載人航天熱。1952—1954年間，這類科普文章如雨后春筍般涌現(xiàn)。華特迪士尼公司正是在此背景下投資拍攝了一系列相關(guān)科幻影片，進(jìn)一步擴(kuò)大了太空飛行的影響力，其中1954年放映的《人在太空》竟吸引了多達(dá)4 200萬名觀眾。

此后，探討月球飛行的科學(xué)作品越來越多：克拉克出版了科幻小說《月球探險》，馮·布勞恩與威普爾聯(lián)合主編了論文集《征服月球》……這些前瞻性的著作均產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。蘇聯(lián)航天先驅(qū)吉洪拉沃夫（Mikhael Kladievich Tikhonravov）于1951年在《真理報》上發(fā)表《飛向月球》一文，介紹了載人實現(xiàn)月球旅行的飛船設(shè)計以及所需的各項技術(shù)。他認(rèn)為，這一登月理想將在10～15年內(nèi)得以實現(xiàn)，現(xiàn)在的年輕人都能目睹這一偉大時刻的到來。可以說當(dāng)時的航天研究與展望的焦點之一就是載人登月。不少著作甚至對月球基地的建設(shè)也進(jìn)行了詳細(xì)的講述，還有人將月球作為一個中轉(zhuǎn)站，用作進(jìn)入更遙遠(yuǎn)的外太空。

由于當(dāng)時對月球飛行的研究形成了高潮，一些報紙便刊登了帶有逗趣性質(zhì)的文章。例如，有一篇文章的標(biāo)題是《可口可樂公司向月球發(fā)射火箭》。文中寫道：“在人類歷史上發(fā)生了一件令人震驚的事件，也是一次空前絕后的廣告策劃，一枚火箭從太平洋中間射向月球。但與許多類似的計劃不同，這次并不是政府行為，事實上連華盛頓當(dāng)局也感到萬分詫異。這枚月球火箭由可口可樂公司資助研制并發(fā)射，計劃用2天的時間完成一次長達(dá)38萬 km的旅行，火箭攜帶的載荷是15 kg帶有紅色標(biāo)志的炸藥。希望它能落到月球上的某個地方，讓我們在地球上僅用天文愛好者的望遠(yuǎn)鏡就能看得到。”文中提及的火箭是五級結(jié)構(gòu)，由一枚巨大的氫氣球帶到24 km高度后釋放，然后火箭啟動飛向月球。不載人月球飛行取得了成功，地面上用高倍望遠(yuǎn)鏡便可觀察火箭降落到月面的情景。文章還說，這次行動沒有軍事威脅，具有很高的科學(xué)價值，從公眾的熱情和廣告的收益上看花這么多錢是值得的。作為一項私人投資項目，其沒有事先向美國政府透露，但現(xiàn)在已經(jīng)受到了美國政府的高度關(guān)注。

20世紀(jì)50年代末以前關(guān)于登月飛行的探討基本屬于民間，困于各種技術(shù)條件的限制，這些研究尚未做到很細(xì)致。不過，這些活動連同一系列著作營造了良好的社會氛圍，也引起了政府部門的注意?？梢哉f正是由于這樣廣泛的討論，促使政府部門終于加入登月計劃的制訂之中，進(jìn)而促成美國阿波羅計劃的執(zhí)行。

文章來源

李成智.阿波羅登月計劃全史[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2019：84-88.

Abstract After the invention and preliminary development of liquid rocket， scientists began to explore the possibility of landing on the moon according to the scientific and technological level at that time. In the 1930s， the British began a scientific feasibility analysis of landing on the moon. In the 1950s， many departments in the United States made the preliminary plans for manned lunar landing， but most of them were limited to theoretical discussions. The author introduces the early research and planning of lunar landing from a historical point of view， and expounds the background of the Apollo program.

Keywords manned spaceship， space flight， lunar landing