人类历史上最伟大的航天探索—阿波罗登月计划

阿波罗计划徽章

"……在1970年以前,我们的宇航员将乘坐宇宙飞船登陆月球并且安全返回,人类历史上没有任何一个航天项目能够超越它对人类的影响,超越它对宇宙深层空间探索的重大作用。我坚信全体国民一定能够齐聚一心、全力以赴实现这个目标……"。这是1961年5月25日,时任美国总统约翰.肯尼迪在参、众两院特别会议中宣布阿波罗计划时的讲话。

从这一天起,登月从人类的梦想开始变为现实。阿波罗计划历时十年,从1961年一直延续至1972年,其间进行了一系列航天发射任务,包括11次载人飞行和6次登月任务。距今五十年的阿波罗计划创造的很多记录,至今无人打破。

一、太空竞赛苏联占先机促成美国下注阿波罗登月计划

美苏柏林对峙

二战结束后,美苏之间进入冷战阶段。双方的竞争从政治、军事一直延伸到经济、技术等各个方面。而太空竞赛也成为双方以导弹为主的核军备竞赛的衍生品。争夺航天实力的最高地位,既是为了向对方炫耀自己的导弹技术优势,也成为宣扬意识形态先进性的手段。

斯普特尼克1号

太空竞争开始于1957年。那一年10月4日,苏联发射了人类历史上第一颗人造卫星——斯普特尼克1号。虽然美国在四个月后的1958年1月31日发射了探索者一号人造卫星。但是美国在太空竞争的第一回合失败了。

尤里·加加林

1961年4月12日,尤里·加加林乘坐东方1号宇宙飞船成为世界第一个进入太空的宇航员,苏联再次在航天领域打败美国。这让竞选时承诺要使美国在航天探索和导弹防御上全面超越苏联的美国总统约翰·肯尼迪倍感压力。

肯尼迪总统在白宫

4月20日,肯尼迪给副总统林登·约翰逊发去信件,询问对美国航天计划的意见,以及美国追赶苏联的可能性。约翰逊在第二天给出了回复,"我们没有尽最大努力,所以我们没有实现在太空竞赛中让美国保持领先。"回复中约翰逊建议启动登月计划,因为登月的计划不仅可行,也绝对可以使美国在太空竞赛中获得领先地位

1961年5月25日肯尼迪在国会发表演讲

肯尼迪决定启动阿波罗登月计划,1961年5月25日肯尼迪在国会发表演讲,请求国会对登月计划的支持。演讲中肯尼迪强调了登月计划对国家安全的重要性以及对其他科学和社会领域的积极影响。

1962年9月12日,德州休斯顿的莱斯大学体育馆中,肯尼迪发表著名的"我们选择去月球"的演讲,获得了大众的支持。

"自由7号"返回地球

然而不是所有人都支持阿波罗计划,因为登月技术难度太大,当时航空航天局的工作人员对登月计划也感觉不乐观。就在启动阿波罗计划十几天前,1961年5月15日美国刚刚将第一个宇航员送入太空,然而这次发射没有取得完全成功。飞船"自由7号"未能进入预设轨道,仅在亚轨道飞行了15分钟28秒。

二、阿波罗计划成功的关键——土星5号重型火箭

阿波罗计划启动后,美国国家航空航天局需要解决的第一个问题,就是研发一款推力足够强劲的火箭。好在重型火箭的研制不需从头开始,1960年7月1日陆军弹道导弹署被移交给了航空航天局,同时美国国防部将土星级重型运载火箭研制方案也转交给美国国家航空航天局。美国国防部认为土星火箭运载军事任务太大太昂贵,而且它们没有急迫的军事用途。

冯·布劳恩

土星级重型运载火箭研制负责人就是大名鼎鼎的火箭专家——冯·布劳恩,他曾是纳粹德国V2火箭的总设计师。

V-2导弹模型

冯·布劳恩和他的团队来到美国后,在V-2基础上研制了木星系列火箭。其中木星C火箭在1958年1月成功的将美国的第一颗人造卫星送入太空。开发木星系列火箭过程中,冯·布劳恩开始抛弃V-2火箭中的单发动机的设计思路,转而设计多级火箭增加推力,并设法减少操作系统复杂度和设计更好的力学系统。这些想法在土星级重型火箭的研制过程中得到了应用。

F-1火箭发动机

为了满足登月不同任务需求,冯·布劳恩的团队推出C-1到C-4四款火箭。其中C1后来成为土星-1号的原型,C-2在项目早期因为技术原因被中止。C-3火箭使用两个F-1火箭发动机作为第一级,四个J-2火箭发动机作为第二级,而第三级使用六个RL10火箭发动机。以C-3的性能,完成一次登月任务需要四到五次C-3发射。但美国国家航空航天局想推力更大一些,冯·布劳恩又设计了C-4火箭。C-4火箭使用四个F-1火箭发动机作为第一级,扩大了C-3火箭的第二级,而第三级使用一个J-2发动机。如果使用C-4的话,可通过两次发射利用地球轨道集合方式(将登月航天器的不同部分送入地球轨道,集合并对接后航天器降落在月球表面)完成登月的任务。对于地球轨道集合方式,美国国家航空航天局认为不是最优选择,当时没有在轨集合对接多艘航天器的经验,所以这种登月方式最终未被采纳。

土星5号

随后冯·布劳恩又推出了C-5火箭设计方案,这种方案为了获得更大的推力,第一级采用了五个F-1发动机,第二级5个J-2发动机,而第三级是一个J-2发动机。这个研制方案得到美国国家航空航天局的认可,并正式命名为土星5号。

冯·布劳恩在土星-5火箭发动机前留影

土星5号是一个体积、重量和推力超过以往任何火箭的庞然大物。箭体高度为85.6米,将阿波罗宇宙飞船放置在其顶端后,其总高度达到111米,直径达10米。加满燃料以后,土星5号总重量近3000吨,可以将118吨重的物体送到近地轨道。至今土星5重型火箭仍然是史上成功使用过的最高、最重、推力最强的运载火箭(前苏联曾研制一种N-1巨型火箭,推力超过土星5,但四次实验失败后停用)。

1967年至1973年期间美国国家航空航天局在佛罗里达州的肯尼迪航天中心共发射了13枚土星5号火箭,从来没有过发射失败发生(阿波罗6号和阿波罗13号曾出现过推进器失灵的问题,但箭载电脑通过延长剩余推进器燃烧时间的办法以保持飞行)

三、确定具体登月方案

除了火箭,阿波罗计划初期还需要确定登月方式。登月方式共有四种:直接起飞、地球轨道集合、月球表面集合和月球轨道集合

阿波罗指挥/服务舱

美国国家航空航天局经过技术分析,最终选择了月球轨道集合方案。根据该方案航天器将包括三个主要部分:指挥舱、服务舱和登月舱

指挥舱返回地球

指挥舱:载有航天器的主要控制设备,包括控制推进器、对接口、导航系统以及阿波罗导航计算机。指挥舱需要搭载航天员返回地球,所以指挥舱外层有隔热板,能够抵挡进入大气层时的高温。指挥舱配有降落伞,进入大气层后降落伞打开,指挥舱逐渐减速并降落在海面等待救援。

服务舱:储存宇航员执行任务时需要的燃料和生活必需品,包括推动系统、氧气罐、通讯天线等。航天器返回大气层时,服务舱会被丢弃。

登月舱

登月舱:登月时真正使用的部分,能够搭载两名宇航员。登月舱包括一个下降段和一个上升段。在登月任务完成后,上升段下降段作为发射平台,起飞进入月球轨道与指挥/服务舱对接,返回地球。下降段里装载有阿波罗科学实验设备,在阿波罗计划最后三次任务中还搭载了月球车。为了尽可能减轻重量,登月舱没有隔热板,动力很小,只能在月球表面飞行。

登月过程:进入月球轨道之后,登月舱与指挥/服务分离,并降落在月球表面;指挥/服务留在月球轨道。3名宇航员中的1名留在指挥/服务中。登月完成之后,登月舱重新起飞,与指挥/服务在月球轨道集合,并返回地球。

四、出师不利-阿波罗1号任务失败

阿波罗1号徽章

按计划1967年2月21日将利用土星IB火箭执行阿波罗1号发射任务,此次发射任务是载人近地轨道指挥/服务舱飞行,也是美国第一次由三名宇航员执行航天任务。

阿波罗1号成员左起:格里森、怀特、查菲

1967年1月27日悲剧发生了,阿波罗1号在地面进行例行测试时指令舱突然发生大火,舱内三名宇航员:维吉尔·格里森、爱德华·怀特和罗杰·查菲15秒内全部不幸遇难。

事故发生后的阿波罗1号指挥舱

事后鉴定起火原因是指挥舱内的导线发生短路,阿波罗指挥舱内使用的纯氧又使火势加剧。另外指挥舱的舱门需要九十秒钟才能打开,也延误了宝贵时间。

出师不利,阿波罗1号大火对美国航天事业是一个沉重的打击。火灾后美国国家航空航天局重新评估阿波罗航天器舱内所使用的材料,并对指挥舱设计进行了大规模的修改。

五、逆风飞扬,阿波罗计划继续进行

阿波罗1号的失败并没有停止登月计划的继续推进,阿波罗4号(没有阿波罗2号和阿波罗3号)于1967年11月9日进行了土星5号火箭的首次发射实验,并且首次使用专门为这种世界上最大的运载火箭建造的39号发射台。其后又连续进行了阿波罗5号阿波罗6号测试发射,这几次都是无人测试发射 。

阿波罗7号成员左起:埃斯利、施艾拉、康尼翰

1968年10月11日,阿波罗7号执行第一次载人发射任务,也是美国首次成功进行搭载三名宇航员的航天任务,任务全长十一天。本次任务因为没有搭载登月舱,所以发射没有采用土星5号,而是采用土星IB火箭作为运载火箭。

阿波罗7号在轨照片

阿波罗7号还完成了美国航天史上首次电视直播,本次任务的成功使美国国家航空航天局走出了阿波罗1号失败的阴影,对载人航天发射以及在1970年之前实现登月恢复了信心。

阿波罗8号成员左起:洛威尔、安德斯、博尔曼

1968年12月21日阿波罗8号发射成功,这是阿波罗计划中第二次载人飞行。阿波罗8号完成了人类第一次绕月飞行,也是土星5号的第一次载人发射。阿波罗8号原订1969年2月发射,但中央情报局的消息说苏联可能于12月进行载人环绕月球飞行,为避免美国在航天竞赛中再次落后,阿波罗8号发射任务被提前。

阿波罗8号拍摄月面

阿波罗8号发射后,经过三天的飞行到达月球轨道。飞船围绕月球飞行了20小时,拍摄了大量的月球照片。在三位宇航员眼里,月球是"广阔,寂寞,又有些难以接近的星体,或者说是广阔的空虚"。在平安夜时他们在月球轨道中向地球作了电视直播,这次直播创造了当时的收视纪录,也是历史上观众最多的电视直播之一。

阿波罗9号成员左起:麦克迪维特、斯科特、施威卡特

1969年3月3日阿波罗9号发射。在十天的任务中阿波罗9号验证登月舱独自飞行的能力以及与指挥/服务舱对接。

阿波罗9号航天漫步

阿波罗9号任务期间斯科特和施威卡特进行了第一次双人舱外活动;施威卡特试验了宇航服独立的生命支持系统(之前的宇航服都有系绳与航天舱连接)。指令长麦克迪维特和施威卡特一道驾驶登月舱与指挥舱分离,在分离和重新对接时测试了登月舱下降段和上升段的推进器。

阿波罗10号月球轨道

1969年5月18日阿波罗10号发射成功,这是登月前最后一次测试。阿波罗10号将登月舱带到了月球轨道,完成了所有登月舱和指令舱测试,并验证检查整个飞行细节,为阿波罗11号成功登月铺平了道路。

六、我的一小步,人类的一大步

阿波罗11号成员,左起:阿姆斯特朗、科林斯、奥尔德林

1969年7月16日,迎来了登月计划最关键的一次任务——阿波罗11号,这也是阿波罗计划中的第五次载人任务。发射非常成功,全世界的人们都在期待宇航员登月的那一刻。

1969年7月20日,阿波罗11号降落在月表“静海”附近,登月舱中搭载着尼尔·阿姆斯特朗与巴兹·奥尔德林。在登月舱降落后,阿姆斯特朗向指挥中心报告"休斯顿,这里是静海基地。'鹰'着陆成功。"阿波罗11号登月的准确时间是1969年7月20日下午4时17分43秒(休斯顿时间)。

人类历史上第一次在月球上留下足迹

1969年7月21日凌晨2点56分(UTC),阿姆斯特朗的左脚踏上了月球,"这是一个人的一小步,却是人类的一大步。(That's one small step for a man, one giant leap for mankind.)"。人类历史上第一次在月球上留下足迹。

阿姆斯特朗与奥尔德林在月球表面活动了两个半小时,采集了22千克的月表岩石标本。阿波罗11号的成功实现了肯尼迪总统1961年5月25日宣布的1970年之前将宇航员送上月球并成功返回的承诺,也标志着美国在太空竞赛中取得关键的胜利

七、阿波罗计划后续任务

除了阿波罗11号,后续计划中还进行了六次登月任务,成功了五次。

阿波罗12号成员左起:康拉德、高尔登、宾

阿波罗12号在阿波罗11号登月后不到四个月,再次踏上了登月的旅程。发射后,阿波罗12号两次被闪电击中,航天器一度很不稳定。经过地面指挥中心和三位宇航员(尤其是艾伦·宾)的冷静处理一切恢复正常。1969年11月19日阿波罗12号成功登月。

阿波罗13号成员左起:洛威尔、斯威格特、海斯

1970年4月11日,阿波罗13号发射,这是阿波罗计划中的第七次载人任务,也是第3次登月的任务。但任务执行过程中发生氧气罐爆炸,造成电力和氧气大量损失,登月计划被放弃,但三名宇航员最终成功返回地球。阿波罗13号在发生爆炸的时候曾经对休斯顿指挥中心说了一句非常有名的话:"休斯顿,我们出问题了(Houston, we have a problem)"。

1971年1月31日,阿波罗14号成功发射,本来阿波罗13号的事故之后,美国国家航空航天局对登月计划的信心被产生了动摇,但最终还是决定按计划发射阿波罗14号。

1971年7月31日,艾尔文在使用月球车

1971年7月26日,阿波罗计划第九次载人任务——阿波罗15号发射成功。与前几次登月相比阿波罗15号在月球上停留更久,进行三次较长的月表行走,科学研究的比例也更大。阿波罗15号还首次使用月球车,并在月球轨道投放子卫星。

宇航员杨在16号登陆点

阿波罗16号于1972年4月16日发射成功。4月20日,航天器进入月球轨道,登月舱与指令舱分离过程中,指挥舱的服务推进系统出现问题,指挥中心曾想到取消登月计划,但考虑到分离的登月舱已经在降低高度准备登月,并且指挥舱的问题不大,登月得以继续进行。

阿波罗16号是第二次使用了月球车;杨和·杜克曾驾驶它达到了18千米/小时的速度,这是月球车的速度记录,被收入了《吉尼斯世界纪录大全》。

1972年12月7日阿波罗17号发射成功,这是人类第六次也是最后一次成功登月的航天任务。阿波罗17号创造了阿波罗计划中的很多记录,包括最长月表行走时间,收集了最多月球标本,在月球轨道中航行了最长时间等。

阿波罗17号成员左起:施密特、塞尔南(坐)、埃万斯

在即将结束最后一次登月任务时,阿波罗17号指令长尤金·塞尔南在登月舱前说道:"在我们即将离开月球的陶拉斯-利特罗山谷时,我想说我们来过这里,现在就要离开;如果情况允许的话,我们还会带着全人类的和平与希望回到这里的。在我迈出离开月球的脚步时,我想说美国今日对航天的挑战将铸造人类明天的命运。愿阿波罗17号一路平安"。

阿波罗-联盟

太空竞赛的高投资,高消耗,高技术型对美苏都形成了巨大的压力,所以阿波罗17号任务完成后,由于资金问题以及人们对登月热情的消退,阿波罗计划于1972年底结束。后来的美国天空实验室计划(使用土星5号发射)和美国、苏联联合的阿波罗-联盟计划(使用土星1B火箭和阿波罗指令/服务舱)都大量使用了阿波罗计划技术成果和设备,也可以看做是阿波罗计划的延续。

八、阿波罗计划推动了美国科技、经济和社会快速发展

阿波罗计划是人类历史上最庞大的月球探测计划,计划总共耗资约240亿美元,登月计划极大地推动了美国科技、经济和社会快速发展。在高峰时期,有2万家企业、200多所大学和80多个科研机构,总人数超过30万人参与计划的执行。

美国GDP1958年的为4062亿美元,1968年则达到8640亿美元,1970年又增至9046亿美元,在阿波罗计划执行的10年间GDP翻了一番,阿波罗计划在里边起到了很大的推动作用。

通过阿波罗计划美国建立和完善了庞大的航天工业和技术体系,有力地带动和促进了一系列高新技术的快速发展,包括数据传输与通信、光学通信、高性能计算机、电子技术、自动控制、人工智能、遥科学、自动化加工、超高强度和耐高温材料、生物工程、医药与医学、深空测控、大推力运载火箭等。

九、期待人类重返月球,并开启新的太空探索之旅

阿波罗计划虽然是美苏太空争霸的产物,但它是人类太空探索的一次伟大尝试。五十年前,人类在经济、物质、技术远不如现在的情况下,阿波罗计划创造如此大的成就,不能不让我们现代人感到汗颜。

阿波罗计划不是人类太空探索的终点,人类也不会停下继续探索的脚步。美国副总统迈克·彭斯2017年10月在重组后的美国国家空间委员会的首次会议上发表了演讲,正式宣布美国将重启登月计划,"我们将使美国宇航员重返月球,我们这样做不仅仅是为了在月球上插上旗子和留下脚印,也是为美国宇航员前往火星和深空奠定基础。"

在太空探索领域,中国的发展相对较晚,中国在把宇航员送入太空后也开始探索载人登月的可能。当前正在进行的探月工程,即嫦娥工程,就是为中国载人登月的长期目标所做的准备。期待有一天我们的宇航员可以把国旗插到月球表面

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