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人类探月史话——嫦娥奔月梦想成真

在古代,人类渴望到达月球的愿望,只能通过嫦娥奔月之类的想象来抒发。然而现如今,登月已经不再只是梦想。图片来源:googleusercontent.com

2013年12月14日,携带着“玉兔”月球车的“嫦娥3号”即将降落在月球虹湾地区,实现37年以来人类的首次月面软着陆。此时此刻,让我们一起来回顾这段不算太长,却包含有太多故事和情感的人类探月史吧!

飞掠与撞月:“炮弹”们的月球初航

在科幻祖师儒勒·凡尔纳的小说《从地球到月球》里,探险家们飞往月球的工具是一枚足够容纳3人的巨型空心炮弹。由于早期火箭运载能力和航天器设计水平的限制,第一代月球探测器基本上都是些形状各异的“炮弹”。这些愣头青们对月亮的想法只有两个:要么从她身边飞过,远远看上一眼;要么就一头撞上去。

说来难以置信,人类渴望到达月球的愿望竟是那么强烈。就在苏美两国相继成功发射人造卫星后不久,一枚枚火箭就开始携带简陋原始的“炮弹”向月球进发。不过,这一时期火箭发射的失败率高得惊人。从1958年开始,美国一共发射了8枚“先锋”号探测器,只有“先锋4号”从月球“近旁”60000千米处飞过,勉强算是成功。苏联的做法更绝,只有到达月球附近的探测器才被收进“月球”系列的正式名册,在地球附近兜圈子的loser则被打入另册“宇宙”系列,没发射成功的干脆连编号都没有。

不过,这段日子里志得意满的显然是苏联。1959年1月4日,拖着4根天线的金属球“月球1号”从月球附近5995千米处飞过,比“先锋4号”早了两个多月。9月13日,同样的“月球2号”带着刻有镰刀锤子的五边形徽章第一个命中月球。半个月后的“月球3号”又创造了另一项纪录——首次拍摄到月球背面。为了瞄准月球拍照,“月球3号”被设计成史上第一个3轴稳定的航天器。照片是用相机拍摄后现场冲洗,再用摄像机一线一线扫描传回来的。虽然极其模糊,但毕竟让人类第一次看到了月球背面的真面目,也让苏联抢到了一个环形山和两个月海的命名权——那差不多是照片上能辨认的仅有特征。美国显然大为震惊,当“月球3号”的复制品赴墨西哥展出时,守在半道上的中情局特工们趁夜把它劫进小黑屋里拆了又装,然后抢时间开快车再送去展馆。

“月球3号”拍摄的第一张月球背面照片。图片来源:mentallandscape.com

落月与绕月:“我们选择去月球”

“我们选择去月球,不是因为它很容易,而是因为它很难。”在苏联接连取得人造卫星、月球探测和载人飞船“三连冠”之后,美国总统肯尼迪于1961年5月表态:美国将在10年内把人送上月球。这时候,美国的载人飞船才刚刚完成一次弹道飞行,被赫鲁晓夫讥讽为“跳蚤的一跃”。

从这句话说出的那一刻起,美国举国上下都投入到名为“阿波罗”的载人登月计划中。原有的无人探月项目被调整为登月前的探路计划,分3个部分:“徘徊者”尝试在撞月之前近距离拍照,“勘测者”在月面实施软着陆,“月球轨道器”进入绕月轨道,为未来的登月任务拍照选址。配有钢丝勺天线和两条太阳翼的“徘徊者”一共发射了9个,直到1964年7月31日的“徘徊者7号”才取得成功,3个探测器在撞月前共发回17259张高清照片。

正当美国人小有得意之时,1966年2月3日,英国焦德雷尔班克天文台意外收到了来自月球的神秘讯息,让所有人面面相觑。有人听出那是传真机的信号音,于是急忙从附近报社取来一台传真机。结果,他们看到了另一个星球的地平线。原来,在几度失败后,那是苏联的“月球9号”,使用气囊首度实现了月面软着陆。它像花瓣一样分裂展开,伸出几支长长的鞭状天线和探头探脑的相机,像极了科幻小说里降临地球的外星飞船。首张月面全景照片被英国报纸抢先刊登,苏联表示自己很生气,后果很严重。不过,照片正确的长宽比,只有苏联人自己知道。

首个实现月面软着陆的“月球9号”探测器的模型。图片来源:huffpost.com

1966年4月3日,又一个探月新纪录——首次绕月飞行,落到苏联手中。为了抢在美国之前实现绕月,苏联首个绕月卫星“月球10号”简陋到连照相机都没装,却能从月球附近发回《国际歌》信号,并在苏共党代会上播放——事实上,会场播放的是地面录制好的版本。接下来,苏联又发射了一个携带机械臂和测力计的花瓣式着陆器“月球13号”,以及另外3颗绕月卫星“月球11号”、“月球12号”和“月球14号”。不过,与美国举国上下的齐心协力不同,对是否实施载人登月,苏联一直摇摆不定。1964年跟风作出决定后,国力只及美国一半的苏联,又同时上马了载人绕月和载人登月两个项目,并且自始至终都伴随着几个设计局无休止的争吵与反复。苏联载人探月计划的命运,从一开始就注定了。

美国虽然与多项纪录失之交臂,取得的成果却比苏联像样得多。带有3条腿支架,头上耷拉着太阳能电池和板状天线的“勘测者”着陆器共发射了7枚,有5枚降落成功。它们在各自的着陆点现场拍照,伸出长长的折叠臂测定月壤的承受力和元素成分,其中“勘测者6号”还尝试了落月后重新起飞。5颗形似风车的“月球轨道器”先是详细拍摄了预定的登月着陆区,随后又加拍了99%月球表面的高分辨率照片。相比之下,苏联只有一颗绕月卫星“月球12号”拍摄到照片,并且照片质量不敢恭维。

苏联已经觉察到处境不妙了。美国为“阿波罗”计划积累经验的“双子座”飞船任务进展十分顺利,但在1967年1月的“阿波罗1号”地面演练中,3名宇航员不幸被大火吞噬,美国宇航局只能放慢脚步,对飞船设计进行彻底整改。相比之下,苏联新研发的“联盟”飞船屡遭挫败,第一次载人飞行就把宇航员科马洛夫活活摔死。一向胆大的苏联人开始缩手缩脚,认为载人绕月任务必须在无人飞船接连成功4次之后才能成行。

1968年9月21日,苏联的无人绕月飞船“探测器”5号携带着两只海龟,在绕月之后成功溅落印度洋。然而一个月后的“探测器6号”,却在尝试降落苏联本土时坠毁。没过多久,从美国传来的消息让他们大吃一惊:“阿波罗8号”已于当年12月25日抢先实现了首次载人绕月飞行。3名宇航员面对着从月球背面缓缓升起的蓝色地球,情不自禁诵读起了《创世纪》的章句。苏联人的阵脚被彻底打乱。尽管后续的无人绕月飞船“探测器7号”和“探测器8号”都取得了成功,拍到了和“阿波罗8号”一样的“地出”照片,但这已经太迟了。“探测器”飞船终于没能把苏联人送去月球。

美国“阿波罗8号”飞船拍摄的彩色“地出”照片。图片来源:wikimedia.org

月面漫游与采样返回:人和机器人的一小步

“阿波罗8号”的大胆举动让美国第一次抢到了先机。接下来的“阿波罗9号”和“阿波罗10号”又分别在地球和月球附近,对登月的各个环节进行了演练。此时的苏联已经急火攻心,匆忙赶制的N1登月火箭,在第一级未做整体试车的情况下,就被推上发射台,4次试射全部爆炸。而美国的登月火箭“土星5号”只在发射“阿波罗6号”时出现一些问题,13次发射没有一次失败。

1969年7月20日,也许是人类历史上最重要的日子。在历经两次计算机报警和长时间的悬停避障之后,下降级仅剩30秒燃料的“阿波罗”11号登月舱,在月球静海着陆。3小时后,第一个人类脚印落在月面上。登月舱上带有一块小小的纪念牌:“公元1969年7月,来自行星地球的人类首次踏上月球。我们代表全人类和平来此。”两位宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林在月面安置了月震仪、激光反射镜和太阳风收集装置,采集了月球样本。不过,他们在起飞时眼睁睁看着美国国旗被上升级喷出的气流吹倒。后来的登月宇航员都学会了把国旗插远一点。

从“阿波罗12号”开始,每次登月任务都严格标记采样位置,并放置了用核电池供电、名为ALSEP的自动仪器站。这些仪器包括月震仪、磁强计、太阳风光谱仪和离子探测器,以及3块用于测量地月距离的激光反射镜。“阿波罗”12号宇航员走访了距离登月点163米远的“勘测者”3号着陆器,带回了它的照相机,发现上面竟有微生物存活,可惜最终被证实是来自回收后的地面污染。

“阿波罗14号”宇航员探访“勘测者3号”。图片来源:wikimedia.org

“阿波罗14号”用上了备有全套工具的手推车,15号、16号和17号更是配备了可供双人乘坐的电动月球车,登月宇航员们享受着驾车的惬意,在月面上四处巡游,去更多更有趣的地方考察。后期的“阿波罗”飞船还在绕月飞船上加装照相机,并在离开月球前释放小卫星。“阿波罗17号”搭载了最有价值的载荷——地质学家哈里森·施密特,他在月面上发现了橙红色的月壤。“阿波罗13号”则书写了一次失败的传奇,3名宇航员在历经磨难后平安返回地球。

苏联已经被打败了,但他们并未彻底认输。苏联科学家设计了新一代的探测器——精巧的自动月球车、自动取样器和重型绕月卫星。“月球15号”自动取样器抢在“阿波罗11号”之前出发,打算抢先得到月球样本,可惜在落月时坠毁。后续的“月球”16、20、24号取样器获得了成功,共取回月球样本326克。

不过,真正为苏联赢得喝彩的还是自动月球车“月行者”1号和2号。1970年11月17日,“月行者1号”缓缓驶下着陆架的斜坡,第一次在月球上留下了车轮的印迹。它像一台装有8个轮子的澡盆,行走时盖子会打开,露出内侧的太阳能电池。月夜来临时盖子又会关上,依靠车体内部的同位素热源保温。月球车控制中心位于克里米亚,那里有5名驾驶员全神贯注盯着摄像机传回的画面,小心翼翼地操纵着这辆38万千米外的梦幻之车。每走一段距离,月球车就会利用仪器测定月壤的强度和化学成分。“月行者1号”足足工作了10个月,后来更先进的“月行者2号”也工作了5个多月,两辆车分别巡游了10.5千米和37千米。

苏联的自动月球车“月行者2号”。图片来源:balsas.lt

1976年8月22日,苏联最后一台自动取样器“月球24号”成功返回,为长达18年的美苏探月竞赛画上了休止符。竞赛结果终于揭晓,美国和苏联分别实现了人和机器人的月面漫游和采样返回,让他们各自迈出了一小步。而这,都是人类迈出的一大步。

重返月球:新生代的曙光

狂热的探月竞赛落下了帷幕。巨大的“土星5号”火箭和N1火箭如同中生代的恐龙一般,走入历史一去不返,只留下那些曾经或未曾登月的美苏宇航员们,用余生遥望天际那轮承载着记忆和梦想的月球。

终于,人类再一次出发。1994年,地面站收到了美国“克莱门汀”探测器雷达向月球南极发射的强烈回波,暗示月球南极可能存在水冰。这一发现让人们重新燃起探索月球的热情。随后,美国“月球勘探者”、欧空局“智能1号”在任务末期相继撞月,试图寻找水冰。2007年前后,日本、中国和印度先后发射了“辉夜姬”、“嫦娥1号”和“月船1号”,掀起了“亚洲探月竞赛”小高潮。美国则在2009年发射了“月球侦察轨道器”,现已拍摄到月面上所有阿波罗登月舱下降级和部分苏联探测器,是迄今为止成像清晰度最优的月球轨道器。

和“前辈”们比起来,新生代的探测器更加精巧灵敏,成果也更加出色。“辉夜姬”利用两颗子卫星对月球引力场进行了测绘,这一成果后来被2011年发射的美国“圣杯”月球引力场双子星任务所超越。“嫦娥1号”利用微波测定了全球月壤厚度,估算出了月球上的氦3总量。“月船一号”则确证了月球南极水冰的存在。2010年发射的“嫦娥2号”不仅拍摄了更为清晰的全月图,还对第二拉格朗日点和4179号小行星实施了扩展任务。

2013年9月,美国发射了考察月球稀薄大气尘埃层的LADEE轨道器。3个月后的12月2日,中国“嫦娥3号”着陆器携带“玉兔”月球车飞向太空,即将于12月14日实施软着陆。着陆器本身装备有近紫外天文望远镜和极紫外地球等离子层相机,“玉兔”则带有测月雷达、粒子激发X射线谱仪和红外成像光谱仪。着陆器和月球车都安装有数台照相机,月球车可直接与地面联络,也可依靠着陆器中转通信。两台探测器都带有同位素热源,可用于月夜休眠期间的保温。“玉兔”月球车可在着陆器四周5千米的范围内进行巡视考察。

“玉兔”月球车1:1模型。图片来源:actifforum.com 

未来,中国还将发射作为“嫦娥3号”备份的“嫦娥4号”,并在2018年前后实现“嫦娥5号”取样返回任务。印度和日本也都有发射着陆器和月球车的计划。2015年前后,还将有两辆私人月球车分别搭乘中国“长征二号丙”火箭及SpaceX公司“猎鹰9号”火箭发射升空,去冲击谷歌设立的“月球X大奖”。只是,和探月竞赛时期相比,新生代的探月活动无疑显得有些冷清。随着美国“星座计划”被废止,人类重返月球的时间,又一次,变得遥遥无期了。

要等到什么时候,人类才会再一次登上月球呢?月球上真会有建成天文台、考察站和月球基地的那天吗?奥尔德林和其他曾经登月的宇航员们还能看到那一天吗?

让我们拭目以待吧。

 

参考文献

  1. 《奔向月球》,吴伟仁主编。中国宇航出版社,2007.10
  2. 《苏联/俄罗斯探月历程》,哈维著;邓宁丰译。中国宇航出版社,2008.10
  3. 《阿波罗登月计划研究》,李成智,李建华编著。北京航空航天大学出版社,2009.12
  4. 《阿波罗是如何飞到月球的》,W.David Woods编著;李平等译。清华大学出版社,2012.2
  5. 《探月的故事》,刘林宗等编著。中国宇航出版社,2008.4
  6. Exploration of the Moon, Wikipedia.org
  7. Apollo program, Wikipedia.org
  8. Luna programme, Wikipedia.org
  9. Robotic Lunar Probes, Historicspacecraft.com
  10. Soviet Moon Images, Mentallandscape.com

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The End

发布于2013-12-14, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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广林星云

无机化学研究生,天文爱好者

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