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把紅旗插上月球的計(jì)劃已經(jīng)開始！

7月12日，中國(guó)載人航天工程辦公室公布了中國(guó)載人登月初步方案，計(jì)劃在2030年前實(shí)現(xiàn)中國(guó)人登月，并將在后續(xù)建造月球科研試驗(yàn)站。

▲歷史上人類和無人探測(cè)器成功登陸月球的計(jì)劃

這可真是一個(gè)激動(dòng)人心的消息！上一次人類的足跡踏上月球已經(jīng)是在足足51年以前了。1972年12月14日，美國(guó)阿波羅17號(hào)飛船搭載3名宇航員完成了最后一次載人登月后，從此再也沒有人類登上月球。

這一次，如果中國(guó)宇航員成功登上月球，雖然不能像第一個(gè)登上月球的阿姆斯特朗那樣說出“這是個(gè)人的一小步，卻是人類的一大步?！钡^對(duì)是“人類的又一大步”，建造月球科研試驗(yàn)站就意味著我們?nèi)祟惒粌H登上了月球，而且將常駐月球。

▲阿姆斯特朗的“一小步”

美國(guó)當(dāng)年是采用什么方式登上月球的？有幾套方案？與中國(guó)這次公布的方案有什么區(qū)別？我們一一道來。

美國(guó)登月的四個(gè)方案

美蘇進(jìn)入冷戰(zhàn)時(shí)期后，展開了一系列競(jìng)賽，其中規(guī)模最大的就是太空競(jìng)賽。

1945年5月8日德國(guó)戰(zhàn)敗投降，美蘇隨即對(duì)德國(guó)進(jìn)行了技術(shù)搶奪，美國(guó)人搶到了V2導(dǎo)彈的設(shè)計(jì)師馮布勞恩和全部圖紙。馮布勞恩團(tuán)隊(duì)在V2基礎(chǔ)上，于1949年為美國(guó)搞出了紅石火箭。

但美國(guó)沒想到，在1957年蘇聯(lián)人居然先搶用R-7火箭發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星“斯普特尼克一號(hào)”。這次發(fā)射讓美國(guó)人大受震撼，什么都想當(dāng)?shù)谝坏拿绹?guó)人，沒想到蘇聯(lián)搶先把衛(wèi)星送入了太空。

▲現(xiàn)在英語里還專門有個(gè)詞匯“Sputnik Moment”（斯普特尼克時(shí)刻）來形容受到巨大壓力和挑戰(zhàn)。

1957年12月，在蘇聯(lián)成功發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星的2個(gè)月后，美國(guó)緊急嘗試使用“先鋒”火箭發(fā)射人造衛(wèi)星，火箭很不幸在原地發(fā)生了爆炸，發(fā)射任務(wù)失敗。

美國(guó)又在1958年1月31日，將“先鋒”火箭換成了軍用背景的“朱諾”火箭后再次進(jìn)行發(fā)射，成功將衛(wèi)星“探險(xiǎn)家1號(hào)”送入太空，算是追上了蘇聯(lián)人的腳步。

1961年4月12日蘇聯(lián)“東方1號(hào)”飛船將宇航員尤里·加加林送上太空，成為第一位進(jìn)入太空的人類。23天后，美國(guó)使用“自由7號(hào)”飛船也將宇航員阿蘭·謝潑德送上太空，不過并沒有進(jìn)入月球軌道。

▲進(jìn)入太空的第一位美國(guó)人阿蘭·謝潑德

連續(xù)兩次被蘇聯(lián)搶先，加深了美國(guó)對(duì)太空競(jìng)賽中落后的恐懼，也讓美國(guó)總統(tǒng)肯尼迪緊張起來，因?yàn)樗?960年競(jìng)選總統(tǒng)時(shí)承諾要讓美國(guó)在太空探索上全面超過蘇聯(lián)。

肯尼迪在4月20日詢問副總統(tǒng)約翰遜美國(guó)追趕蘇聯(lián)的可能性，約翰遜說“我們還沒有盡最大努力，未來登月計(jì)劃不僅可行，還可以讓美國(guó)在太空競(jìng)賽中翻盤?！?/p>

1961年5月25日肯尼迪便在參、眾議院會(huì)議中宣布，美國(guó)將全力以赴，在1970年以前，人類將乘坐宇宙飛船登陸月球并安全返回。人類歷史上耗資最多、投入資源最大的工程項(xiàng)目“阿波羅計(jì)劃”自此揭開序幕。

▲1961年5月25日，肯尼迪在國(guó)會(huì)發(fā)表登月計(jì)劃演講

在登月成為主要目標(biāo)后，阿波羅計(jì)劃的科研團(tuán)隊(duì)開始討論如何才能盡可能安全、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單地將宇航員送上月球并返回。當(dāng)時(shí)一共有四個(gè)方案：

第一套方案：直接起飛。此計(jì)劃使用一個(gè)巨大的新型火箭攜帶一艘航天器，從地球表面直接飛往月球?；鸺谠虑蚪德洌蝿?wù)完成后再次從月球表面起飛，飛回地球。（這套方案要求的技術(shù)極高，根本難以實(shí)現(xiàn)，和現(xiàn)代馬斯克的設(shè)想很像）

第二套方案：地球軌道集合。此計(jì)劃需要兩艘只有土星5號(hào)一半大小的小型火箭，將登月航天器的不同部分送入地球軌道，在軌道上集合并對(duì)接。然后整個(gè)航天器降落在月球表面。（當(dāng)時(shí)還不具備類似空間站對(duì)接的拼裝技術(shù)，對(duì)地球軌道拼接可行性保持懷疑態(tài)度，此計(jì)劃首先被排除。）

▲直接起飛或者地球軌道集合的設(shè)想圖

第三套方案：月球表面集合。先用火箭發(fā)射一艘?guī)в型七M(jìn)系統(tǒng)的航天器降落在月球表面，然后再用第二枚火箭發(fā)射一艘載人的航天器降落月球。由宇航員在月球上將推進(jìn)系統(tǒng)安裝在載人航天器上，然后返回地球。

第四套方案：月球軌道集合。由巨型火箭發(fā)射一艘較大的航天器，稱為指揮艙，同時(shí)攜帶一艘載人的小型登月航天器，稱為登月艙。三名宇航員抵達(dá)月球軌道后，其中兩名宇航員乘坐登月艙與指揮艙分離，并降落在月球表面，一名宇航員在指揮艙中留在月球軌道。

另外，登月艙分為降落部分和起飛部分，任務(wù)完成后，宇航員乘坐登月艙起飛部分在月球軌道與指揮艙集合，然后返回地球。（此計(jì)劃的難度同樣是多次對(duì)接和分離的技術(shù)考驗(yàn)）

最終，美國(guó)選擇了月球軌道集合方案。并對(duì)這項(xiàng)登月計(jì)劃進(jìn)行逐步測(cè)試。

▲阿波羅1號(hào)指揮艙在地面突發(fā)大火，因?yàn)槎虝r(shí)間內(nèi)打不開艙門，在工作人員的注視下，三名宇航員被活活燒死。

除了阿波羅1號(hào)在地面突發(fā)大火燒死三名宇航員外，1967年9月至1968年4月，在8個(gè)月時(shí)間里，美國(guó)先后又進(jìn)行了阿波羅4、5、6號(hào)任務(wù)，分別在無人狀態(tài)下成功測(cè)試了土星5火箭、登月艙和指令艙。

在完成硬件測(cè)試后，1968年10月至1969年5月，又進(jìn)行了載人飛行的阿波羅7、8、9、10號(hào)任務(wù)，對(duì)登月程序進(jìn)行了檢驗(yàn)，并檢查了月球表面預(yù)定登陸地點(diǎn)。在阿波羅10號(hào)任務(wù)中，登月艙距離月球表面只有不到16km。

▲1969年7月16日運(yùn)載阿波羅11號(hào)的土星五號(hào)發(fā)射

1969年7月21日，人類終于迎來了歷史性時(shí)刻，阿波羅11號(hào)宇航員阿姆斯特朗從登月艙中緩緩走出，把人類的足跡印在了月球表面，并在月面上插了一面美國(guó)國(guó)旗。

返回地球后，參加此次任務(wù)的3名宇航員都受到了國(guó)家英雄般的接待，總統(tǒng)尼克松帶著44位州長(zhǎng)和首席大法官為他們舉行了國(guó)宴，并安排這3位宇航員到英國(guó)等25個(gè)國(guó)家進(jìn)行訪問，展示“美國(guó)英雄”的形象。

▲1972年阿波羅17號(hào)，人類第六次登月也是迄今為止最后一次。

不過，在幾乎所有西方國(guó)家都在慶祝美國(guó)完成登月壯舉的同時(shí)，蘇聯(lián)人的登月計(jì)劃卻遇到了問題。

蘇聯(lián)失敗的登月計(jì)劃

蘇聯(lián)人的火箭技術(shù)同樣起源于V2。美國(guó)人帶走了V2的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和圖紙，蘇聯(lián)人則拖走了V2導(dǎo)彈的實(shí)物。依靠手里的V2導(dǎo)彈，科羅廖夫的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了逆向工程，先后搞出了P-1（復(fù)刻V2）、P-2（V2的放大版）。

1957年5月，世界上第一款真正意義上的洲際彈道導(dǎo)彈R-7被研制出來，并在10月以火箭形態(tài)將“斯普特尼克一號(hào)”送入太空。在此之后，在1961年用“東方1號(hào)”火箭（還是基于R-7火箭的改型）將加加林送入太空，實(shí)現(xiàn)人類第一次載人航天飛行。

但是，讓蘇聯(lián)人沒有想到的是，自己一路領(lǐng)先，卻在1969年被美國(guó)反超，實(shí)現(xiàn)載人登月。阿姆斯特朗的豪言壯語和“飄”在月球上的星條旗，都極大刺激了蘇聯(lián)領(lǐng)導(dǎo)人的決心。

于是蘇聯(lián)人很快決定繼續(xù)跟牌，盡快把人送上月球。事實(shí)上，蘇聯(lián)很早就開始了探月計(jì)劃。只不過受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，在1959年之前，蘇聯(lián)登月計(jì)劃連續(xù)5次發(fā)射失敗，不是空中爆炸，就是與月球擦肩而過。

1959年9月12日，蘇聯(lián)在經(jīng)歷多次發(fā)射登月探測(cè)器失敗后，終于成功發(fā)射月球2號(hào)探測(cè)器，并在月球表面實(shí)現(xiàn)硬著陸。

接下來？接下來蘇聯(lián)的登月計(jì)劃也依然很不順利。與發(fā)射衛(wèi)星、載人飛船一帆風(fēng)順相比，蘇聯(lián)人在登月過程中，似乎把好運(yùn)氣用完了，火箭發(fā)射失敗伴隨了蘇聯(lián)登月計(jì)劃的始終。

▲蘇聯(lián)人始終未用上的登月艙

登月成功的核心是火箭，要有足夠強(qiáng)大的火箭才能把登月艙、指令艙、返回艙等龐大的載荷送到月球。為了達(dá)到這個(gè)目的，美國(guó)人搞出了人類目前為止，運(yùn)載能力最強(qiáng)大的火箭“土星5”。這個(gè)110米高、近3000噸的龐然大物，能把47噸有效載荷送上月球，或者把139噸有效載荷送上近地軌道。

▲強(qiáng)大且龐大的土星5

作為對(duì)比，我國(guó)目前正在使用的最大載荷的火箭“長(zhǎng)征5B”只能把25噸有效載荷送入近地軌道。因此，目前我國(guó)的火箭是無法實(shí)現(xiàn)登陸月球的，必須研制全新的大型火箭。

▲長(zhǎng)征5的高度為53米，只有土星5的一半

蘇聯(lián)人為了完成登月計(jì)劃，也需要制造這樣一款強(qiáng)大無比的超級(jí)火箭。在火箭專家科羅廖夫的領(lǐng)導(dǎo)下，蘇聯(lián)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了N-1火箭，一款比“土星5”稍矮、稍輕，但推力更加驚人的超級(jí)火箭。

▲土星5和N-1的比較

為了達(dá)到史無前例的性能，N-1繼續(xù)延續(xù)了R-7火箭的技術(shù)特性，采取火箭發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)的方式來增加推力。只不過，相對(duì)于R-7的5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)，N-1火箭在第一級(jí)上直接并聯(lián)了30臺(tái)NK-33發(fā)動(dòng)機(jī)、第二級(jí)上并聯(lián)了8臺(tái)NK-43，第三級(jí)也并聯(lián)了4臺(tái)NK-21。

▲N-1第一級(jí)上密密麻麻的并聯(lián)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

NK-33一臺(tái)的推力是1510千牛，30臺(tái)并聯(lián)在一起自然就是“力大磚飛”，N-1也達(dá)到了4500噸的驚人推力。

但是，如果簡(jiǎn)單并聯(lián)就能有效解決火箭運(yùn)載問題，那人類也不會(huì)現(xiàn)在還在太陽系里面徘徊了。并聯(lián)發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)致命缺陷，并聯(lián)的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量越大，發(fā)生故障的概率也就越大。假設(shè)一臺(tái)NK-33故障率為0.1%，那么30臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)并聯(lián)工作時(shí)故障率最低也有3%，這已經(jīng)是航天領(lǐng)域無法接受的故障率了。

何況發(fā)動(dòng)機(jī)越多，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)要求也越高，出現(xiàn)故障的概率也越大。N-1火箭最后下馬的關(guān)鍵因素就是故障頻發(fā)。N-1火箭一共造了10發(fā)，除開地面測(cè)試之外，實(shí)際發(fā)射了4發(fā)，4次發(fā)射全部失敗，而且都是在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)數(shù)量最多的第一級(jí)出問題。

▲馬斯克的星艦火箭也是這種并聯(lián)方式，今年4月發(fā)射2分鐘后就有8臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，最終在空中爆炸

1969年7月3日，在蘇聯(lián)拜科努爾發(fā)射場(chǎng)，N-1進(jìn)行第2次發(fā)射試驗(yàn)時(shí)，火箭在原地發(fā)生了劇烈爆炸，不僅毀掉了火箭，上千噸燃料的爆炸還摧毀了整個(gè)發(fā)射場(chǎng)。

所以當(dāng)18天后美國(guó)人登上月球，蘇聯(lián)人的內(nèi)心一定是充滿了挫敗感。到1972年，N-1火箭第4次“放煙花”后，連續(xù)的失敗讓整個(gè)計(jì)劃已經(jīng)嚴(yán)重滯后，而且誰也不知道還會(huì)失敗幾次，蘇聯(lián)人最終放棄了N-1，也放棄了登月。

人類重返月球？

2019年，美國(guó)副總統(tǒng)彭斯雄心勃勃地表示，美國(guó)將在未來五年內(nèi)重返月球，并宣稱“登上月球的第一位女性和下一位男性都必須是美國(guó)宇航員，從美國(guó)的土地上，由美國(guó)的火箭送入太空?！?/p>

按照彭斯宣布的計(jì)劃，美國(guó)將于2020年進(jìn)行名為“Exploration Mission-1”的無人飛行試驗(yàn)，用火箭將飛船發(fā)射到月球軌道，然后在2022年把宇航員送到已在月球附近的飛船中，最后在2024年讓宇航員在月球南極登陸，實(shí)現(xiàn)重返月球的目標(biāo)。

當(dāng)然，作為在2023年7月的我們，再來看這個(gè)美國(guó)人的計(jì)劃就會(huì)發(fā)現(xiàn)，今天的美國(guó)人計(jì)劃執(zhí)行能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于計(jì)劃發(fā)布能力。說的直白一點(diǎn)就是，美國(guó)人說了未必能做到。2022年就應(yīng)該發(fā)射到月球附近的宇航員，現(xiàn)在應(yīng)該還在地球上。

▲2022年珠海航展上展示的新一代載人運(yùn)載火箭“長(zhǎng)征十號(hào)”

我們還是看看自己的登月計(jì)劃吧。中國(guó)載人登月初步方案和美國(guó)人成功實(shí)現(xiàn)登月的第四套方案很相似，但是因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在沒有“土星5”那樣的超級(jí)火箭，就由“一輛車運(yùn)貨”改為“兩輛車運(yùn)貨”。

首先，使用兩枚新型長(zhǎng)征十號(hào)運(yùn)載火箭分別將登月艙和載人飛船送至月球軌道。

第二步，載人飛船與登月艙在月球軌道對(duì)接，航天員從飛船進(jìn)入登月艙。

第三步，登月艙與飛船分離，降落在月球表面，航天員登月采集樣品。

第四步，航天員乘坐登月艙起飛，在月球軌道與飛船對(duì)接，航天員進(jìn)入飛船后與登月艙分離，乘坐飛船返回地球。

因?yàn)槲覀冎袊?guó)擁有非常成熟的空間站對(duì)接技術(shù)，這個(gè)方案可以充分發(fā)揮我們?cè)诳臻g交會(huì)對(duì)接方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)火箭運(yùn)載能力的不足。

▲2023年展出的中國(guó)新一代載人飛船和載人登月器模型

如果一切順利，這次代表人類前往月球的將是我們中國(guó)人，人類的第一個(gè)月球常駐基地將是插著五星紅旗的月球科研試驗(yàn)站。蘇聯(lián)人用人造衛(wèi)星，給美國(guó)人記住了“Sputnik Moment”。我們這次爭(zhēng)取讓美國(guó)人感受到“Moon Palace Moment”。

努力吧！我們的征途是星辰大海！

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