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阿波罗11号:超越竞争的奇迹

撰文 | 马 超 责编 | 夏志坚
50年前的今天,1969年7月16日,一艘载有三名宇航员的飞船从地球出发了,目的地是38万公里之外的月球。这艘飞船从诞生以来就注定会吸引来自全世界的密切关注,因为它将去执行一项具有划时代意义的任务——载人登月。它就是美国著名的阿波罗11号飞船。
 
任务的圆满完成,标志着人类航天事业向前迈出了历史性的一步,从此征服宇宙的星辰大海不再是遥不可及的梦想。
 
即使过去了半个世纪,今天的人们依旧会惊叹于这项任务的伟大、梦幻与唯一。那么,这一堪称奇迹的任务是如何发端又如何完成的呢?
 
冷战产物
 
第二次世界大战结束后,当时同为超级大国的美国与苏联,为了争夺霸权地位,在各个领域展开了激烈的较量。太空探索能力是国家高端科技、经济水平的体现,所取得的成就又有助于宣传国家的科研实力和军事潜力,于是从上世纪50年代后期开始,美苏之间正式开启了举世瞩目的太空竞赛。
 
1957年10月4日,苏联成功发射首颗人造地球卫星—斯普特尼克1号(Sputnik 1,又称为人造地球卫星1号),在全世界引起了巨大的轰动,当时国际上甚至流传着苏联已具备了发射洲际核弹的能力,引发诸多西方国家的恐慌。
 
 
为了应对苏联的压力,艾森豪威尔总统与国会商议后,决定成立一个全新的政府机构,以领导美国所有的非军事太空行动。1958年7月,艾森豪威尔总统签署了《美国国家航空暨太空法案》,组建成立了后来大名鼎鼎的美国国家航空航天局(简称NASA),并开启了一系列的航天计划。水星计划(Project Mercury)是被通过的首个太空项目,目标是把搭载有宇航员的航天器送入太空,使其环绕地球飞行,并安全返回地面,而且最好要先于苏联完成。
 
然而,苏联再一次跑在了美国的前头。1961年4月12日,苏联利用东方一号宇宙飞船,首次将宇航员尤里·加加林送入太空,并安全返航,苏联的成功再次震惊世界。这无疑是给美国的又一记重锤,更被新上任不久的肯尼迪总统称为美国的又一次奇耻大辱。
 
 
虽然仅在一个月后,美国宇航员阿兰·谢帕德便乘坐“自由7号”水星飞船顺利进入太空,实现了美国的首次载人航天飞行,但此次飞行从各技术层面来说,均无法与苏联的东方一号飞船相提并论,因此遭到苏联专家的嘲讽,还被苏联领导人赫鲁晓夫戏称为“跳蚤的一跃”。
 
为了改变美国在太空竞赛初期屡屡败北的情况,不再紧追苏联而是在其他领域成为第一,NASA在1960年7月29日发布了一项全新的太空计划,准备将美国宇航员送上月球,这就是著名的“阿波罗计划”。
 
1961年5月25日,肯尼迪总统在国会演讲中雄心勃勃地表示“我们的国家应尽一切力量在本世纪60年代结束前把宇航员送上月球,并安全返回地球(this nation should commit itself toachieving the goal, before this decade is out, of landing a man on the moon and returning him safely to the Earth)”。这标志着美国乃至全世界登月征程的开端,也开启了人类探索月球的新时代。
 
登月之旅
 
尽管历经波折,阿波罗计划仍然一步步挺进月球,最终由阿波罗11号首先抵达了人类梦寐了数千年的终点。
 
1969年7月16日,在土星5号巨型火箭的助推下,阿波罗11号飞船从位于佛罗里达肯尼迪航天中心的发射场起飞,前往38万公里之遥的月球。飞船由指令舱、服务舱、登月舱三部分组成,共载有三名美国宇航员,即指令长阿姆斯特朗、指令舱驾驶员迈克尔·科林斯和登月舱驾驶员巴兹·奥尔德林。
 
7月20日,阿波罗11号终于迎来了创造历史的一幕。这一天,飞船首先进入预定的环月轨道,阿姆斯特朗与奥尔德林随后进入登月舱,操控登月舱与飞船主体分离,进而实施月面着陆。另一位宇航员科林斯则独自一人留在飞船内继续绕月飞行,等待与返回的登月舱对接。
 
 
在降落过程中,由于飞行速度过快,登月舱提前飞过预定路线2-3秒,这意味着他们无法在预选登月点着陆,将会偏西若干公里。由于新降落地点的地面情况未知,接下来的着陆过程可能会充满风险,即便着陆成功,也可能在地形的干扰下,造成登月舱无法起飞。这一计算失误差点让地面控制中心终止整个飞行计划。在燃料告急的情况下,前路未知,然而两名宇航员沉着而冷静地操控着飞船,阿姆斯特朗透过窗外,选择了一个合适的着陆地点,最后成功降落。地面控制中心的工作人员着实为他们捏了一把冷汗,在收到阿姆斯特朗着陆成功的喜讯后,控制室顿时爆发出强烈的欢呼声。
阿波罗11号任务官方徽章。图片源自:NASA
 
登月舱降落后,经过6个多小时的准备,指令长阿姆斯特朗首先打开舱门,小心翼翼地走下扶梯,将自己的脚印深深地印在了月球的土壤上,成为人类历史上首位踏上月球的人,同时说出了后来令大家耳熟能详的名言: “这仅仅是我个人迈出的一小步,但对全人类而言,却是一次巨大飞跃(That’s one small step for man,one giant leap for mankind)”。奥尔德林随后也走出了舱门,他被眼前月面荒凉的景象所震撼,将其描述为 “壮丽的荒凉(magnificent desolation)”。此刻站在月面上的这两位宇航员,实现了人类数千年来踏上月球的夙愿。他们所取得的成就是人类智慧、力量的结晶,也标志着历史的进步。
 
阿姆斯特朗迈出的这一小步实际上也结束了美苏长达10多年的太空竞赛,宣示美国最终胜出。不过,值得指出的是,在阿波罗11号升空的前三天,苏联发射了月球15号无人探测器,提前进入绕月轨道。阿波罗11号升空后,苏联联系 NASA,向他们公布了月球15号的轨道信息,表示阿波罗11号不会有与其相撞的危险,可以安心进行月面着陆。这是苏联首次向竞争对手公布自己月球探测器的轨道信息。阿波罗计划虽因冷战而起,但在美国登月的关键时间点,苏联却摒弃与美国之间由来已久的隔阂,主动提供援助。这一小小的举动足以说明阿波罗计划,已经超越了国家之间的竞争,是全人类的事情。
 
宇航员出舱的过程向地球同步直播,全球有超过6亿观众共同见证了这一历史性时刻。在将一面美国国旗插在月面上后,总统尼克松在白宫亲自与宇航员进行电话交谈,表示祝贺。
图中的宇航员为巴兹·奥尔德林,拍摄工作主要由阿姆斯特朗负责。图片源自:NASA
 
接着阿姆斯特朗和奥尔德林在登陆地点附近布置了三台科学实验仪器:一台激光发射器用以精确测定地月之间的距离变化;一台被动式地震仪用来测量月球上的地震活动,进而推断月球内部的物理性质;一架太阳风粒子收集装置,目的是为了研究太阳风的化学物质组成。他们同时拍摄了大量周围地形的照片。
放置在月面上的激光测距反射器,科学家利用它可以精确测量地月之间的距离,而且还发现月球正在以每年3.8cm的速度远离地球。图片源自:NASA
 
他们还收集了一批月球岩石和土壤样本,主要是由阿姆斯特朗负责。阿波罗11号任务总共带回来了约22千克的样本,包括50块岩石(主要为玄武岩和角砾岩)和一些月壤。经过测定,样本中没有任何水成分和生物有机体存在过的证据。后续的阿波罗任务采集到了更多岩石样本,整个阿波罗计划共从月球带回382千克的岩石样本。
阿波罗11号任务带回来的古老的月球玄武岩,年龄约为36亿年。图片源自:Wikimedia Commons
 
两位宇航员在月球表面共停留了21小时36分,之后便启动登月舱返航,与正在环月轨道上飞行的飞船主体对接,接着登月舱被抛离,坠向月球,三名宇航员则乘坐母船返回地球。
 
7月24日,飞船安全降落于夏威夷东南812海里外的太平洋海域。总统尼克松亲自登上打捞舰“黄蜂号”迎接三位航天英雄的凯旋,这在以前的航天活动中是从未有过的。
右边救生筏中的四名救生员正在营救降落成功的阿波罗11号宇航员。图片来源:NASA
 
在接下来的三年里,美国又相继发射了阿波罗12号、13、14、15、16和17号飞船,除了13号因航行中途发生故障而被迫中止外,其余飞船均成功登陆月球,共有12名宇航员登上过月球。1972年12月19日,阿波罗17号成功返回地球,这标志着阿波罗计划的结束。从那以后直到今天,再也没有人登上月球。
阿波罗计划着陆点,六次登月任务均着陆于月球正面,即面向地球的一面。图片来源:NASA
 
阿波罗计划是迄今为止规模最大的太空探索活动,动员了美国包括工业、科研、政治和经济在内的各种力量,历时约11年,耗资255亿美元。在工程实施的高峰期,有2万家企业、200多所大学和80多个科研机构参与,总人数超过40万,堪称20世纪人类最宏伟的工程之一。
 
阿波罗计划的科学影响
 
阿波罗计划带回的岩石和土壤样本,是对后世最重要的科学遗产,直到今天仍在行星科学研究领域发挥着重要作用。
 
这些岩石样本对于研究太阳系演化历史亦具有重要意义。通过分析这些岩石,科学家能够推算出水星和火星表面的年龄范围,并且推断在太阳系早期,气态巨行星(如木星、土星等)的轨道更加靠近太阳,后来在行星动力学的影响下,它们的公转轨道逐渐向外迁移,从而形成了如今的太阳系行星格局。
 
在月球岩石样本的帮助下,争论已久的月球起源问题得以解决,如今科学界已普遍接受“撞击假说”,即月球形成于一次远古的天体撞击:大约45亿年前,地球受到一个火星大小天体的侧向撞击,撞击时该天体彻底粉碎,同时一部分地壳物质被剥离,产生的碎片继续围绕地球运转,最终形成了原始月球。“撞击说”不仅有利于理解地月系统的形成与演化,更为天文学家研究太阳系早期行星们如何形成与发育提供了重要理论参考。
月球形成示意图。图片源自:supernova.eso.org
 
阿波罗计划带回的样本也有助于科学家研究月球的地质演化历史。由于月球的质量较小,仅为地球的1/81,在它形成后不久,内部的热量很快就散失殆尽,因此从那时候起,月球内部几乎已经停止活动。今天的月球,无论是表面还是内部,呈现出的都是它很久之前就已定格的状态,因而记录了行星早期地质演化的重要过程,包括内核形成、熔岩海洋的演化、原生月壳和次生月壳的形成等等。这些地质过程同样也是早期地球和太阳系其它类地行星(包括水星、金星、火星)必经的阶段。因此,对于研究类地行星的地质演化,离我们最近的月球是最理想的目标,而阿波罗任务带回的样本,不断加深着我们对于星球内部结构变迁的理解。
 
此外,由于月球没有大气层,因此月面的岩石不会受到类似地球上风化侵蚀的影响,但另一方面,失去大气层的保护,月球表面会直接受到太阳风粒子、高能宇宙射线以及陨石撞击的无情轰击。因此月面的岩石是天然的粒子收集装置,通过分析岩石样本,有助于科学家研究太阳风和宇宙射线的物质组成。同时提取月岩中的陨石成分,对于研究内太阳系小天体的物质成分和数量统计意义重大。
 
除了那些被宇航员带回地球的样本之外,借助于登月宇航员们在月球上布置的各种实验仪器,阿波罗计划也带来了其他重要科学发现。例如,科学家利用地震仪,发现月球依然存在地震现象(简称“月震”, 尽管月球的板块活动已极端微弱),并利用仪器记录的地震波来研究月壳、更深层月幔以及中心处月核的物理性质。
 
尽管大部分数据已有将近40年的历史,但随着计算机运算性能的提升和分析方法的革新,直到今天,新的科学发现仍不断从这些历史数据中被挖掘出来。阿波罗计划使人类对于太阳系行星的认识有了革命性的飞跃,可以说它奠定了现代行星科学的基石。
 
NEXT GIANT LEAP
 
把月球放到宇宙的浩淼星辰中,它只是一粒极为普通的微尘。但对于人类来说,它的地位至关重要。它是地球唯一的天然卫星,40多亿年来,地月之间存在着紧密的演化关联,对地球上的生命有着极其深远的影响。可以说如果没有月球,地球上很可能就不会有生命存在,更不用说今天高度发达的人类文明了。
地月同框照,由伽利略号木星探测在620万公里外的太空摄得。图片来源:NASA
 
随着人类科技水平的不断进步,向外太空发展是我们未来生存的必由之路。月球是离我们最近的天体,于是月球之于现代人类,又有了全新的意义,它将成为人类未来开辟地球之外生存空间的前哨站,50年前的阿波罗计划正是为此揭开了序章。
 
自去年10月直到2022年12月,都是美国庆祝阿波罗计划50周年的时期,而本月正值阿波罗11号任务50周年(从1969年7月16日升空、20日登陆,到24日返回地球),NASA将参与一系列面向公众的纪念活动。
 
 
从 NASA 公布的阿波罗50周年纪念 logo 中可以看出,NASA 已明确表明了对于未来太空探索的雄心。英文单词“APOLLO”的最后一个字母 O 中的星球正是火星。火星图标之下是一句展望未来的英文标语 “NEXT GIANT LEAP”, 改编自当年宇航员阿姆斯特朗登月时说出的名言。如今,NASA 正在为重返月球做准备,而在未来登月过程中所进行的科技探索与创新,其目的是为了助力实现人类的下一个巨大飞跃——登陆火星甚至更遥远的行星。
 
参考资料
 
https://airandspace.si.edu/exhibitions/apollo-to-the-moon/online/science/scientific-experiments.cfm
 
https://arxiv.org/pdf/1211.6768.pdf(The Scientific Legacy ofApollo,Ian A. Crawford)
 
https://www.nasa.gov/mission_pages/apollo/missions/apollo11.html
 
https://user.guancha.cn/main/content?id=136137&s=fwzwyzzwzbt
 
https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1969-059C
 
https://www.nasa.gov/specials/apollo50th/img/Poster3.pdf
 
 
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