“阿波羅”計劃中的科學(xué)實驗

文/從容

對于阿波羅登月計劃，人們至今不會忘記阿波羅11號航天員阿姆斯特朗留在月球上的第一個腳印，雖然它遠在38萬公里之外，卻如同就在眼前一樣清晰；也會清楚記得他那句“一小步”和“一大步”的名言，雖然事隔近半個世紀(jì)，卻依然那么振奮人心。至于除此之外的其他內(nèi)容，許多人可能就說不上什么了。其實，航天員踏上月球僅是一個開場，更多的好戲還在后頭。

阿波羅12號航天員皮特·康拉德拿著剛裝進月球土壤的真空環(huán)境標(biāo)本容器罐

政治夾縫中的探索

可以說，前幾次阿波羅登月的政治意義明顯大于它的科學(xué)意義。特別是阿波羅11號的登月成功標(biāo)志著美國達到了預(yù)期目的：與蘇聯(lián)的太空競賽最終將對手摔倒在月球上。隨后的幾次登月又進一步證明這個決定性的勝利決非偶然，證明了美國是一個想干事一定能成事的國家。然而，到1970年4月阿波羅13號發(fā)射時，公眾已經(jīng)對登月飛行興趣索然，一些人甚至已經(jīng)厭倦到連電視機都懶得打開了，因為飛向月球已經(jīng)不再是新鮮事，對他們來說，人類登上月球一次就夠了，再登就沒什么意義了。

與公眾的這種反應(yīng)相反，科學(xué)家們的探月熱情卻居高不下，他們不像政客那樣把阿波羅計劃當(dāng)作政治籌碼，而是始終當(dāng)成一個廣闊的科學(xué)領(lǐng)域?？茖W(xué)家們一直認(rèn)為，登月的主要科學(xué)目的應(yīng)該是研究月球的形成，以及地質(zhì)特性和化學(xué)結(jié)構(gòu)，所以要拍攝月球的形狀，利用巖石土壤樣品分析月面化學(xué)結(jié)構(gòu)，通過各種儀器研究月球的內(nèi)部性質(zhì)。于是，每次登月飛行都圍繞月面學(xué)、月成學(xué)和月球測量學(xué)這三個現(xiàn)代月球研究領(lǐng)域的主要學(xué)科開展多項探索和實驗，包括月震、熱流、太陽風(fēng)成分、月面大氣成分、月面引力、月球輪廓、月球微隕石、月球磁場測量等。

早在阿波羅11號飛行期間，航天員就在月面安置了早期阿波羅月面實驗站和太陽風(fēng)收集器，完成了無源月震實驗、月球測距實驗和太陽風(fēng)成分實驗。

早期阿波羅月面實驗站包括一個自動月震儀和一個激光反射器。自動月震儀主要用于測量由隕石墜落和火山爆發(fā)造成的震動，它包括日晷儀、無線電發(fā)射機、螺旋天線、傳感器以及電子設(shè)備，靈敏度比地球上用的地震儀高100倍，可以測出航天員從它旁邊經(jīng)過時的腳步。至于榔頭敲東西時的震動就更不用說了，當(dāng)離它幾十米外的航天員奧爾德林敲打鉆孔器時，地球上的人們能清楚地看到每次敲擊的震動波形。月震儀安放后很快監(jiān)測到了一次由一塊1噸左右的隕石落下引起的月震。

激光反射器是一種鏡子一樣的裝置，它能把從地球發(fā)射的激光反射回去，根據(jù)激光往返的時間就能測算出地球和月球之間的距離，誤差不超過15厘米，比用誤差幾十米的其他測量方法得出的結(jié)果精確得多。后來，阿波羅14號和15號又使用了更先進的激光反射器，證明月球在以每年3.8厘米的速度“疏遠”地球。

太陽風(fēng)收集器是開展太陽風(fēng)成分實驗的工具，把它在月球上朝太陽豎起來能捕獲太陽風(fēng)粒子，然后再放進一只真空盒子帶回地球研究。別看它插在月球上的時間不長，測量的數(shù)據(jù)卻很精確，所以除阿波羅17號外，其他五次登月飛行都使用了它，從而使太陽風(fēng)成分實驗和月震實驗一樣成為阿波羅登月計劃中開展次數(shù)最多的實驗項目。

對太陽風(fēng)的其他研究在阿波羅12號和15號上進行。太陽風(fēng)大約95%的物質(zhì)為自由電子和質(zhì)子，用太陽風(fēng)譜儀不僅記錄了它的能量密度和瞬時狀態(tài)，同時還測定了方位。

阿波羅12號以及14號、15號都進行了月面大氣成分實驗，即采用質(zhì)譜儀測量月球大氣層成分和氣體分子密度。實驗證明，月球的微量氣體中含有氬、氨、硫化氫、水蒸氣、一氧化碳、二氧化硫等成分，它們主要來自火山、太陽和人類。在人類產(chǎn)生的氣體中，飛船發(fā)動機噴出的氣體最多，阿波羅飛船的一次降落就要排放出8噸廢氣，而月球上的全部大氣估計不過200噸。其他的人為氣體包括登月艙在月球上逗留時排放的廢氣，月球車電池、科學(xué)實驗站排出的氣體以及航天員的排泄等。

另一項實驗是用冷陰極（電離）真空計測量大氣壓力，結(jié)果這種異常靈敏的儀器證明，月球雖然存在大氣卻異常稀薄，壓力比地球低14個數(shù)量級，總量不比登月艙下降過程中發(fā)動機噴出的物質(zhì)多。

▲阿波羅11號航天員放置的月震儀

▲阿波羅11號航天員放置的激光反射器

▲阿波羅12號航天員放置的超熱離子探測器

“飛船的任務(wù)就是科學(xué)”

阿波羅計劃在執(zhí)行過程中分為若干階段，分別用英文字母A至J（其中缺少I）代表。G代表阿波羅11號首次登月任務(wù)，H代表阿波羅12至14號任務(wù)，J代表阿波羅15號至17號任務(wù)。G和H兩個階段的三次飛行屬于純粹探險，而J階段的三次飛行則重在以科學(xué)發(fā)現(xiàn)和研究為目的，正如阿波羅15號登月艙駕駛員吉姆·歐文所說，“我們這次飛行被認(rèn)為是首次在月球進行長時間的科學(xué)探測。這個飛船的任務(wù)就是科學(xué)?！?/p>

似乎是為了強調(diào)阿波羅計劃進入了純科學(xué)研究階段，J階段的每次飛行都使用了改進的登月艙，使航天員的逗留時間更長，攜帶的科學(xué)儀器也比前幾次大得多，而且還攜帶了月球車，使航天員的雙腿伸得更長。阿波羅15號不僅第一次把月球車帶上月球，指令長斯科特還表演了一個絕妙的趣味實驗：他讓一根羽毛和一把錘子一起落下，結(jié)果它們同時掉到月面，證明了伽利略的真空狀態(tài)下兩個質(zhì)量不同的物體降落速度一樣這個著名理論。

既然重在科學(xué)研究，那么科學(xué)實驗站就是必不可少的。這是一套從阿波羅12號開始就帶到月球上的科學(xué)實驗裝置， J階段用的科學(xué)實驗站是它的擴大型。整個登月期間，共有5座這樣的實驗站被放置到月球上。

科學(xué)實驗站最大的用途是控制各種科學(xué)實驗儀器，把它們的電信號變換成無線電信號傳回地球，起到實驗站與地球聯(lián)絡(luò)站的一種橋梁作用。航天員離開月球后，它將繼續(xù)通過微波中繼把各種實驗數(shù)據(jù)發(fā)回地球。

▲為科學(xué)實驗站提供電能的放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機

▲超熱離子探測器與遠處的科學(xué)實驗站相連

科學(xué)實驗站是核動力的，電能來自放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機，通過扁形帶狀電纜提供給周圍的實驗儀器。核燃料事先裝在登月艙內(nèi)一只瓶形容器里，到達月球后再把它加入發(fā)電機燃料盒。發(fā)電機的功率為70瓦，恰好滿足所有實驗儀器以及向地球傳送數(shù)據(jù)的需要。

實驗站的核心設(shè)備是中心站，是一個箱型裝置，頂部裝有指向地球的高增益螺旋天線，里面裝有太陽風(fēng)譜儀、月球表面磁強儀，以及無源月震實驗設(shè)備和有源月震實驗設(shè)備等。由中心站控制進行的實驗有熱流實驗、月震輪廓實驗、月面引力實驗、月球大氣成分實驗、月球微隕石實驗等。

熱流實驗是測量某一地區(qū)從月球內(nèi)部流到月面的熱量以及月球內(nèi)部的熱損耗率，以此分析月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，掌握月球的溫度歷史。這項實驗最先在阿波羅15號的降落區(qū)進行，測得的熱流數(shù)據(jù)出人意料，比大部分科學(xué)家的分析大一倍。阿波羅16號也安排了這項實驗，可是由于航天員跌了一跤，弄斷了連接中心站的電纜而告失敗。阿波羅17號不負(fù)眾望，順利完成了實驗。

月震輪廓實驗的原理有些像月震實驗，只是方法不同，它用傳音器檢測月球內(nèi)部聲波，就好像醫(yī)生用聽診器檢查病人的心跳一樣。令人吃驚的是，這種實驗為了制造月震竟使用了“炮仗”和“定時炸彈”。先是阿波羅16號的航天員投擲了一個“雷管”，月震檢波器檢測到傳入地下的爆炸后再把它傳送到地球。航天員還在月面設(shè)置了一個裝有4種爆炸物的槍榴彈筒，3個月后由地球發(fā)出的信號引爆?！岸〞r炸彈”是由阿波羅17號航天員安放在8個選定地點上的，裝藥少的0.06千克，多的2.7千克，安放90多個小時后由發(fā)自地球的信號引爆，那時航天員已經(jīng)在返回地球的途中，所以爆炸不會危及他們的安全。這次實驗數(shù)據(jù)顯示該地區(qū)的下面有至少1000米厚的玄武巖石板。

更劇烈的爆炸來自火箭和飛船?！巴列?號”的第三級火箭與飛船分離后以9000公里的時速和11噸TNT當(dāng)量的威力撞擊月球，引起3小時20分鐘的震動；阿波羅飛船登月艙的上升段拋棄后也以6920公里的時速和0.68噸TNT的爆炸力撞擊月球，引起了一個多小時的震動。這些現(xiàn)象使科學(xué)家認(rèn)識到，月震波在月球內(nèi)部會發(fā)生持續(xù)一小時以上的多次回波反射，而地震波的回波反射次數(shù)卻很少，震動時間僅有幾秒鐘，這是月震同地震在震動次數(shù)和釋放能量上極為懸殊之外的又一個顯著區(qū)別。由于對月震的測量有助于分析月球下面深藏著什么，月殼有多厚，于是科學(xué)家們決定把后續(xù)飛行中廢棄的三級火箭和登月艙上升段都拋棄到月球上，繼續(xù)用這種人工月震的方法探測月球構(gòu)造。

▲阿波羅17號的月面引力計（左）、月面質(zhì)譜儀（中）和月球微隕石實驗儀（右）

▲阿波羅16號航天員放置的月震被動實驗儀，防熱罩可使敏感儀器經(jīng)受月面極端溫度變化

在J階段任務(wù)中，隨著阿波羅18號和19號兩次飛行任務(wù)被取消，兩艘飛船原計劃攜帶的科學(xué)儀器都轉(zhuǎn)移到最后一次任務(wù)中，所以阿波羅17號攜帶了26種最新最好的實驗儀器，完成了10項新的科學(xué)實驗（7項在月球上進行，3項在月球軌道上進行），是歷次登月飛行中實驗項目最多的一次。阿波羅17號的另一個亮點是地質(zhì)學(xué)家哈里森·施密特隨航天員一起登上月球，采集了最有研究價值的巖石標(biāo)本。

除了前面提到的實驗外，阿波羅17號還完成了表面電性能實驗、月球通廊重力實驗、月球中子探測實驗、宇宙射線探測實驗等。

阿波羅15號至17號的航天員還在月球軌道上開展了多項遙感實驗。飛船的服務(wù)艙上專門開辟了一個隔間，里面裝備了全景攝像機、測繪攝像機、激光高度儀、γ射線攝譜儀、α粒子攝譜儀、X射線熒光攝譜儀等儀器，用于月球表面研究。攝像機用的是鎖眼偵察衛(wèi)星的光學(xué)儀器，拍攝的膠卷由航天員太空行走時取出帶回地球。

在離開月球軌道之前，阿波羅15號和16號還分別從服務(wù)艙施放了一顆月球衛(wèi)星，用于測量月球的輻射和太陽風(fēng)等數(shù)據(jù)，以及月球背面的磁場，繪制月球電場和弱磁場輻射圖。

對6次登月獲得的科學(xué)探索結(jié)果，以及航天員采集回來的月球巖石和土壤標(biāo)本，科學(xué)家們進行了長期的分析和研究，初步弄清了月球的起源和演化，以及著陸點附近巖石的年齡、物理和化學(xué)性質(zhì)等科學(xué)問題。大量的實驗表明，月球由巖石構(gòu)成，內(nèi)部分區(qū)與地球的內(nèi)部分區(qū)相似，是一個由地球演化的行星，它無論是過去還是現(xiàn)在都不存在任何生命的跡象。