重返月球

編譯 段景頤

闊別月球50多年后，人類再次造訪月球。

1969年7 月21 日，美國宇航員尼爾·阿姆斯特朗成為第一個登上月球的人類。迄今登上月球的人類共計(jì)24 位。

2022 年3 月17 日，美國宇航局有史以來性能最強(qiáng)的火箭——SLS 從組裝廠被運(yùn)往位于佛羅里達(dá)州的肯尼迪航天中心。SLS 火箭推力達(dá)3810噸，這個數(shù)字甚至超過被譽(yù)為“怪物”的“土星5號”重型運(yùn)載火箭的推力。SLS 火箭負(fù)責(zé)執(zhí)行“阿爾忒彌斯1 號”任務(wù)，而整個阿爾忒彌斯計(jì)劃包括一系列由機(jī)器人和宇航員執(zhí)行的探測、登陸月球的任務(wù)。美國宇航局預(yù)計(jì)于2025 年讓宇航員登陸月球南極，并在那里開展探測工作。在此之前，執(zhí)行“阿爾忒彌斯1 號”任務(wù)的火箭攜帶無人探測器飛抵月球軌道。探測器環(huán)繞月球飛行14 天，對月球進(jìn)行全方位測繪和勘測。此次任務(wù)的目的是測試SLS火箭性能、“獵戶座”（SLS 火箭所運(yùn)送的載人飛船）是否能正常工作，以及位于地球的地面指揮系統(tǒng)能否正常聯(lián)系并下達(dá)指令，從而為阿爾忒彌斯系列任務(wù)的后續(xù)任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

執(zhí)行“阿爾忒彌斯1 號”任務(wù)的SLS 火箭原定計(jì)劃于2022 年8 月29 日利用地月窗口期起飛。但由于種種原因，火箭并沒有如期發(fā)射，并接連錯過了9 月2 日、9 月5 日和9 月27 日的幾個后續(xù)發(fā)射窗口期。2022 年11 月16 日，SLS 火箭在熊熊烈焰下徐徐升空，終于趕上了最后的發(fā)射窗口，并順利完成了預(yù)定任務(wù)。

其實(shí)，除了美國的阿爾忒彌斯計(jì)劃，不少國家（包括中國、俄羅斯、日本和印度等）也相繼宣布了各自的登月計(jì)劃時間表。中國也計(jì)劃在2030 年前后派遣航天員登陸月球。

為什么時隔50 多年，人類又再次對月球感興趣了呢？

“獵戶座”載人飛船所用的RL10 發(fā)動機(jī)

困難重重

執(zhí)行阿波羅任務(wù)的宇航員登上月球

第一次踏上月球的美國宇航員阿姆斯特朗，通過無線電對講機(jī)告訴位于美國休斯敦的指揮中心他看到的景象：（月球）表面是很細(xì)的粉末……這里有一種獨(dú)特的荒涼之美……太漂亮了……

阿波羅登月任務(wù)背后的功臣是30 多萬名技術(shù)人員和14.5 萬行程序代碼，這些代碼已經(jīng)完全對外公開。為阿波羅登月計(jì)劃提供計(jì)算的計(jì)算機(jī)，其配置在今天看來實(shí)在是弱得不可思議——主頻只有2 兆赫，內(nèi)存僅為2 千字節(jié)。目前一臺主流智能手機(jī)的中央處理器的運(yùn)算能力是阿波羅登月計(jì)劃使用的計(jì)算機(jī)的數(shù)萬倍。照理說，和第一次登月相比，后來人類的航天實(shí)力和計(jì)算機(jī)運(yùn)算水平不斷提升，登月的難度應(yīng)該是逐步降低的，但為什么自20 世紀(jì)60 年代后，人類就沒有再次踏上月球呢？

登月所需的重型火箭是每個航天強(qiáng)國的航天重器，但重型火箭的研發(fā)之路可謂困難重重，而且探測器對穩(wěn)定性和可靠性的要求也頗高，很少有國家能夠一一攻克難關(guān)。蘇聯(lián)“N1 登月火箭”的4 次試射都以失敗告終，后來的蘇聯(lián)“能源號”火箭也僅執(zhí)行了2 次任務(wù)就被棄用；俄羅斯的新一代重型運(yùn)載火箭“安加拉5 系列”火箭在測試中不斷發(fā)生問題；美國的“大獵鷹”和 “星艦”在測試過程中也不斷發(fā)生爆炸等事故……

阿波羅任務(wù)所使用的計(jì)算機(jī)之一

現(xiàn)代智能手機(jī)的運(yùn)算能力是阿波羅任務(wù)計(jì)算機(jī)的數(shù)萬倍

美國宇航局在測試重型火箭時發(fā)生爆炸事故

以色列的月球探測器以失敗告終

2019 年4 月，以色列的探測器登月計(jì)劃以失敗告終。這艘探測器出現(xiàn)了技術(shù)故障，在登陸月球之前數(shù)分鐘與地面失去聯(lián)系，一頭撞向月球表面。在這次事故中，探測器的主引擎在距離月球表面還有10 千米時發(fā)生故障，導(dǎo)致探測器無法完成剎車動作。

以色列發(fā)射的還只是無人探測器，如果是載人飛船，剎車并緩降月表的難度更大。飛機(jī)降落過程中，機(jī)長會根據(jù)跑道情況隨時做好拉升高度、再次降落的準(zhǔn)備，但飛船登陸艙的燃料有限，著陸過程會消耗大量燃料，因此著陸只能一次成功。在登陸艙的降落過程中，最重要的是選擇合適的降落地——必須平坦，不能有巨石。月球的熔巖活動在表面塑造了起伏的山巒，山巒的陰影中是徹底的黑暗（因?yàn)闆]有空氣散射陽光），陰影中的任何一塊巨石都將成為登陸艙著陸過程中的噩夢。

宇航員的返航過程是最讓人提心吊膽的。要回到地球，首先要離開月球。盡管月球的引力相對較弱，僅為地球引力的約1/6，但宇航員乘坐的返回艙所在的火箭還是必須加速至8000 千米/時才能徹底擺脫月球的束縛。返回艙必須按照經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算的飛行路徑，才能以最經(jīng)濟(jì)的燃料消耗進(jìn)入地球軌道，并逐漸向地標(biāo)降落。返回艙進(jìn)入大氣時的角度是一大考驗(yàn)：如果角度太小，返回艙會像打水漂一樣在大氣層的邊界上彈跳，這會讓返回艙錯過降落區(qū)域；如果角度太大，返回艙垂直下降速度過高，其與大氣劇烈摩擦產(chǎn)生的高溫將葬送返回艙內(nèi)宇航員的生命。這個角度被稱為“再入角”，即航天器再次進(jìn)入大氣的角度，一般不會超過3°。

返回艙進(jìn)入大氣層的角度很難掌握，稍有差錯，返回艙就會被大氣層彈回太空

由此可見，把人安全送到月球并讓宇航員安全返回真的不是一樁易事。

月球基地

在月球表面修建月球基地難度極大（假想圖）

隨著人類對深空探索的需求不斷增長，人們開始構(gòu)想以月球基地為跳板的深空探索方案。各國相繼開始制訂月球探測任務(wù)和載人登月任務(wù)時間表，其中一部分原因也是為后續(xù)的深空探測做準(zhǔn)備。如果從地球直接前往火星，出發(fā)時必須攜帶大量推進(jìn)劑，而其中絕大部分推進(jìn)劑會被消耗在離開地球的階段；但如果把所需推進(jìn)劑和設(shè)備運(yùn)到月球基地或空間站，從那里出發(fā)前往火星將是更節(jié)約成本的方案。

雖然一些國家提出在月球表面修建月球基地，但這樣做存在不小風(fēng)險和巨大挑戰(zhàn)。月球赤道區(qū)域白天最高溫度可達(dá)116℃，而夜晚又會降至-173℃，將近300℃的溫差是在修建月球基地前必須克服的難題。月球每天會承受數(shù)噸小行星撞擊，因?yàn)闆]有大氣層，所以這些小行星會直接撞擊月球表面，未來的月球基地也要做好應(yīng)對小行星撞擊的準(zhǔn)備。

熔巖管道月球基地示意圖

其實(shí)，與其把月球基地修建在月球表面，費(fèi)大力氣保持月球基地的恒溫，同時忙不迭地應(yīng)對隨時可能飛來的小行星，不如把月球基地修建在月球的地下。2009年，人類首次在月球上發(fā)現(xiàn)了熔巖管道，這是過去月殼下方的熔巖流動所留下的空心隧道。如果熔巖管道距離月殼表面較近，月殼可能在小行星撞擊下崩塌，從而打開一個通向熔巖管道深處的坑口。目前，科學(xué)家已經(jīng)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了十多個這樣的坑口，其中最大的月球熔巖管道最寬處直徑達(dá)304.8 米，長度超過40 千米，足夠修建一座大型月球基地。這些熔巖管道內(nèi)的溫度有的長期穩(wěn)定在17℃，住在里面不用擔(dān)心小行星襲擊、太陽輻射和宇宙射線，可謂既舒適又安全。

月球資源

月球上有豐富的可開采資源。蘇聯(lián)和美國帶回了共計(jì)約382千克的月球礦物樣本，使得人類能夠了解月球上的礦物。這些礦物可以分為三大類：一是富含鐵、鈦的月海玄武巖；二是富含鉀、磷和稀土元素的斜長巖；三是不同大小的巖屑經(jīng)膠合作用形成的角礫巖。月球上還有豐富的鐵資源，僅月球表面5 厘米厚的砂土層中就含有數(shù)億噸鐵，并且這些鐵非常便于開采和冶煉。月球表面金、鉑等貴金屬比例比地球地殼中的更高。如果人類日后掌握了可控核聚變技術(shù)，那么月壤中豐富的氦－3 將為月球基地提供取之不盡的能源。

顯微鏡下的月球巖石切片，其內(nèi)部富含多種礦物

月球采礦（假想圖）

如果宇航員在月球的生活必需品、基地的建筑材料和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備都需要從地球獲取，就需要頻繁地進(jìn)行地月航天運(yùn)輸，這其中的成本是常人難以想象的。據(jù)計(jì)算，要將1 千克的材料從地球運(yùn)送到月球，需要35 萬～60萬元的費(fèi)用。如果能在月球就地取材，至少讓建筑材料、水和氧氣能夠完全從月球獲取，就能大大降低月球基地的建造和維護(hù)成本。

月球上也有水。月球上的一些隕石坑有陰影區(qū)域，它們自隕石坑形成以來就沒有見過太陽。這些超冷且黑暗的隕石坑陰影區(qū)被稱為永久陰影區(qū)，也是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)水冰存在證據(jù)的地方，即除了月球的背陰面，在月球兩極的一些隕石坑中可能也有水冰。陽光無法觸及這些較深的撞擊坑底部，那里的溫度會永遠(yuǎn)保持在冰點(diǎn)以下。事實(shí)上，科學(xué)家也在這些撞擊坑中發(fā)現(xiàn)了水冰存在的證據(jù)。雖然坑里可能有水，但誰也不能保證有多少，以及這些水是否足夠干凈……但只要有水，再配合太陽能和專門的處理設(shè)備，從月球基地就可以獲取飲用水和燃料（電解水制氫、氧）。

阿波羅系列任務(wù)總共耗資約250 億美元，其購買力相當(dāng)于2018 年的1500 億～ 2000 億美元。對外太空的探索真的只是燒錢嗎？當(dāng)我們回望幾十年前的登月黃金年代，我們會看到許多我們今天熟悉的科技，比如食品真空包裝袋、全球定位系統(tǒng)，以及我們最熟悉的電腦和手機(jī)等微型電子設(shè)備。我們享受著登月計(jì)劃帶來的科技福利，卻很少意識到這些成果來自人類登月的那段年代。

宇宙誕生于138 億年前，直到20 萬年前，我們的祖先——晚期智人才第一次出現(xiàn)在地球上，而現(xiàn)代宇宙學(xué)的創(chuàng)立時間不超過100 年。可見，人類這個“新”物種面對浩瀚而悠長的宇宙歷史，所了解的知識是非常有限的。月球是離我們最近的天體，我們對它的身世、構(gòu)成和未來命運(yùn)還知之甚少。月球應(yīng)該是人類優(yōu)先探索的天體。重返月球不僅有助于科學(xué)家解答整個太陽系的歷史，還將為人類開啟行星際探索時代奠定基礎(chǔ)。