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24 位。

2022 年3 月17 日，美國宇航局有史以來性能最強的火箭——SLS 從組裝廠被運往位于佛羅里達州的肯尼迪航天中心。SLS 火箭推力達3810噸，這個數字甚至超過被譽為“怪物”的“土星5號”重型運載火箭的推力。SLS 火箭負責執行“阿爾忒彌斯1 號”任務，而整個阿爾忒彌斯計劃包括一系列由機器人和宇航員執行的探測、登陸月球的任務。美國宇航局預計于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，執行“阿爾忒彌斯1 號”任務的火箭攜帶無人探測器飛抵月球軌道。探測器環繞月球飛行14 天，對月球進行全方位測繪和勘測。此次任務的目的是測試SLS火箭性能、“獵戶座”（SLS 火箭所運送的載人飛船）是否能正常工作，以及位于地球的地面指揮系統能否正常聯系并下達指令，從而為阿爾忒彌斯系列任務的后續任務奠定基礎。

執行“阿爾忒彌斯1 號”任務的SLS 火箭原定計劃于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 日的幾個后續發射窗口期。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射窗口，并順利完成了預定任務。

其實，除了美國的阿爾忒彌斯計劃，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劃時間表。中國也計劃在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 發動機

困難重重

執行阿波羅任務的宇航員登上月球

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）表面是很細的粉末……這里有一種獨特的荒涼之美……太漂亮了……

阿波羅登月任務背后的功臣是30 多萬名技術人員和14.5 萬行程序代碼，這些代碼已經完全對外公開。為阿波羅登月計劃提供計算的計算機，其配置在今天看來實在是弱得不可思議——主頻只有2 兆赫，內存僅為2 千字節。目前一臺主流智能手機的中央處理器的運算能力是阿波羅登月計劃使用的計算機的數萬倍。照理說，和第一次登月相比，后來人類的航天實力和計算機運算水平不斷提升，登月的難度應該是逐步降低的，但為什么自20 世紀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國的航天重器，但重型火箭的研發之路可謂困難重重，而且探測器對穩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。蘇聯“N1 登月火箭”的4 次試射都以失敗告終，后來的蘇聯“能源號”火箭也僅執行了2 次任務就被棄用；俄羅斯的新一代重型運載火箭“安加拉5 系列”火箭在測試中不斷發生問題；美國的“大獵鷹”和 “星艦”在測試過程中也不斷發生爆炸等事故……

阿波羅任務所使用的計算機之一

現代智能手機的運算能力是阿波羅任務計算機的數萬倍

美國宇航局在測試重型火箭時發生爆炸事故

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劃以失敗告終。這艘探測器出現了技術故障，在登陸月球之前數分鐘與地面失去聯系，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 千米時發生故障，導致探測器無法完成剎車動作。

以色列發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。飛機降落過程中，機長會根據跑道情況隨時做好拉升高度、再次降落的準備，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（因為沒有空氣散射陽光），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。返回艙必須按照經過嚴格計算的飛行路徑，才能以最經濟的燃料消耗進入地球軌道，并逐漸向地標降落。返回艙進入大氣時的角度是一大考驗：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生的高溫將葬送返回艙內宇航員的生命。這個角度被稱為“再入角”，即航天器再次進入大氣的角度，一般不會超過3°。

返回艙進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和載人登月任務時間表，其中一部分原因也是為后續的深空探測做準備。如果從地球直接前往火星，出發時必須攜帶大量推進劑，而其中絕大部分推進劑會被消耗在離開地球的階段；但如果把所需推進劑和設備運到月球基地或空間站，從那里出發前往火星將是更節約成本的方案。

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險和巨大挑戰。月球赤道區域白天最高溫度可達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。月球每天會承受數噸小行星撞擊，因為沒有大氣層，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對小行星撞擊的準備。

熔巖管道月球基地示意圖

其實，與其把月球基地修建在月球表面，費大力氣保持月球基地的恒溫，同時忙不迭地應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現了熔巖管道，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，科學家已經陸續發現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。這些熔巖管道內的溫度有的長期穩定在17℃，住在里面不用擔心小行星襲擊、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。蘇聯和美國帶回了共計約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，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驗室設備都需要從地球獲取，就需要頻繁地進行地月航天運輸，這其中的成本是常人難以想象的。據計算，要將1 千克的材料從地球運送到月球，需要35 萬～60萬元的費用。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成本。

月球上也有水。月球上的一些隕石坑有陰影區域，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被稱為永久陰影區，也是科學家發現水冰存在證據的地方，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，那里的溫度會永遠保持在冰點以下。事實上，科學家也在這些撞擊坑中發現了水冰存在的證據。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）。

阿波羅系列任務總共耗資約250 億美元，其購買力相當于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，以及我們最熟悉的電腦和手機等微型電子設備。我們享受著登月計劃帶來的科技福利，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在地球上，而現代宇宙學的創立時間不超過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、構成和未來命運還知之甚少。月球應該是人類優先探索的天體。重返月球不僅有助于科學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。