「圍繞月球」的太空競賽 | 星星背後的物理（十三）
?嫦娥飛月圖。來源：任率英，1955。現藏中國美術館
撰文 | 張天蓉（美國德州大學奧斯汀分校理論物理博士） 審校 | 張雙南（中國科學院高能物理研究所研究員） 鄭永春（中國科學院國家天文台副研究員）
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飛到月亮上去！這是人類自古以來的夢想，但要實現這個夢想談何容易。人類被地球的引力牢牢束縛在地面附近，月亮卻高高地掛在天上，離地有遙遙的38萬公里！這是一個難以飛越的高度，古人只能憑想像和神話故事來滿足對月球的好奇。
誰說人不能飛上天呢？據說在14世紀末，有一個叫「萬戶」的中國人，注意到人們節日時當作玩具的煙花禮炮，能夠利用火藥燃燒產生的反衝力將煙花發射到天上。勇敢的萬戶想用同樣的道理將自己送上太空，他將47支煙花（火箭）捆綁在椅子上，當作飛行器。萬事皆備之後，萬戶自己穿戴整齊，手拿兩個風箏，坐上座椅，讓別人把47個煙花同時點燃。不幸的是，隨著一陣劇烈的爆炸，萬戶和他的飛行器灰飛煙滅。
有趣的是，這個「萬戶飛天」的傳說，以多個版本的不同形式，被記載在某些西方的航天史文獻中，月球上的一個環形山也以萬戶的名字命名，但在中國歷史資料中，卻尚未發現關於萬戶的記載【1】。
儘管萬戶的試驗以失敗告終，但基本原理與之相同的現代火箭技術，卻一次又一次地在航天活動中取得了成功。這要歸功於幾位現代火箭專家（見圖1）：被譽為航天之父的俄羅斯科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基（Konstanty Cio?kowski，1857年－1935年）；美國物理學家羅伯特·戈達德（Robert Goddard，1882年－1945年）；德國的馮·布勞恩（von Braun，1912年－1977年）；以及前蘇聯的謝爾蓋·科羅廖夫（Sergei Korolev，1907年－1966年）。其中前兩位是火箭理論的奠基人，而後兩位則將火箭技術付諸實踐並成功地將人類送上了太空。
?圖1：研究火箭的先驅
眾所周知，美國成功研製的原子彈對結束第二次世界大戰起了決定性的作用。但實際上，原子彈最早是由德國軍方開始研製，並且，當年的納粹德國研究開發的致命武器有很多種，V-2火箭便是其中之一。
V-2火箭是質量大約13,000 kg的液態火箭，是世界上最早投入實戰使用的彈道導彈。可負載1,000kg的高能炸藥彈頭並射向300km遠的目標。二次大戰後期，德國納粹的V-2火箭呼嘯飛越英倫海峽轟炸倫敦，使多人喪生，並因為不易攔截而造成英國社會人心惶惶。
1945年5月，戰爭即將結束，德國已經崩潰，盟軍節節勝利，希特勒已在地堡內自盡。開發V-2的馮·布勞恩和他的研究團隊，藏到了阿爾卑斯山上一個偏僻的滑雪村裡。儘管山下就是盟軍的隊伍，藏在山上的數百名火箭專家們，卻在那兒衣食無憂，享受著明媚陽光和冰雪覆蓋的山地美景。
不過，布勞恩並不是一個死命效忠納粹的傻瓜。他知道自己在美國軍方眼中的地位。有一天，布勞恩的弟弟騎著自行車，找上了山腳下一名美國士兵，用結結巴巴的英語告訴士兵他的哥哥是誰，還有關於V-2火箭的故事。不久之後，年僅33歲的布勞恩和他的同行們一起被送到了美國。
除了火箭專家之外，最重要的還有火箭研發基地。那塊地盤原來是劃歸蘇俄託管的，但美國心有不甘，組成了一個突擊隊，將基地近百枚的V-2火箭以及相關設備幾乎搶運一空，當蘇軍在6月1日抵達時，只看到一座座空蕩蕩的工廠。蘇聯只好忍氣吞聲地撿了點「殘渣剩飯」，將一些留守的科學家及家屬，和剩餘的研究設備運往蘇聯本土，進行火箭開發。
由於德國火箭技術及人員的俘獲，蘇美兩國的太空競賽就以導彈為主拉開了帷幕，之後發展到發射人造衛星，以及向月球進軍。
雖然俄國從德國撈到的油水不如美國那麼多，但前蘇聯雄厚的科技實力和俄羅斯民族的大國氣概幫助了他們，使前蘇聯一開始在競賽中就處於領先地位。更重要的是，俄國是宇宙航天之父齊奧爾科夫斯基的故鄉，雖然這位偉人早已於1935年去世，但他弟子無數，影響尚存。
謝爾蓋·科羅廖夫從小就痴迷於航天和航空，年輕時受到齊奧爾科夫斯基的影響而參加到火箭技術的尖端研究中。不幸的是，這個對科學滿腔熱情的單純青年卻在斯大林的大清洗中受到迫害，被逮捕後在西伯利亞監獄裡關押了六年，後經專家們強力推薦才被允許進入監獄的工廠繼續研究火箭。
利用從德國獲得的V2火箭部分資料，科羅廖夫和他的同事成功研製出蘇聯的第一枚彈道導彈。之後又設計並成功地發射了第一顆人造地球衛星。1961年初，由科羅廖夫改進的火箭將加加林送上了太空，實現了齊奧爾科夫斯基的名言：「地球是人類的搖籃，但人類不會永遠停留在搖籃里。」滿面笑容的加加林代表人類，第一次離開了「搖籃」！
蘇聯的第一顆人造地球衛星「史普尼克」是由一支三級運載火箭發射的，見圖2a。衛星本體是一隻直徑58厘米，重83.6公斤的鋁合金圓球。圓球外面附有4 根彈簧天線。衛星內部裝兩台無線電發射機，每隔0.3秒向外發射信號。衛星的繞地軌道最遠時離地球964.1公里，最近時為228.5公里，軌道與地球赤道平面的夾角為65度，繞地周期96.2分鐘。這顆人造地球衛星在天空中運行了92天，繞地球約1400圈，行程6000萬公里，於1958年1月4日隕落。
?圖2：前蘇聯和美國的第一顆衛星比較
對此，美國不甘示弱，4個月後，美國成功地發射了人造地球衛星「探險者1號」，見圖2b。
從圖2中的尺寸比較中，我們可以看出，兩方第一顆衛星的本體都不大，史普尼克是球形，探險者1號是長形，但史普尼克的重量大（83.6公斤），差不多是探險者1號重量的6倍。衛星看起來只像是個簡單的玩具，關鍵設備是能夠將它們加速到第一宇宙速度（7.9千米/秒），推上「天」去的運載火箭。推動史普尼克的火箭叫做R-7，推動探險者的叫做「朱諾I火箭」（注意：與NASA在5年前發射的木星探測器重名）。衛星雖然小巧玲瓏，發射它們的火箭卻都是龐然大物。火箭的尺寸（高度和直徑），是衛星的10倍左右，重量達到幾十噸。兩個龐然大物分別由兩方的首席火箭專家科羅廖夫和布勞恩設計。
緊接著，蘇聯又做出了一系列第一名：1957年，人造地球衛星2號帶小狗萊伊卡進入太空；1958年成功地發射了第一顆科學衛星（衛星3號）；1959年發射月球1號探測器，標誌人造物體首次脫離地球軌道；1961年發射世界上第一個載人宇宙飛船，加加林成為首次進入太空的人；1963年，第一名女航員進入太空；1965年，阿.列昂諾夫實現首次人類太空行走……
這些為人類登月進行準備的航天活動中，蘇聯都走在了美國的前面，可惜好景不長，十年河東，十年河西， 1969至1970年代的阿波羅計劃，為美國打了一個翻身仗。
從基本物理原理的角度而言，發射人造地球衛星比較簡單，只要火箭有足夠的推力將衛星加速到第一宇宙速度以上，衛星就可以圍繞地球而轉了。但如果要將人送到月球上，進行科學考察活動，然後還要安全地返回到地球，就需要更多的精密策劃和細緻考慮。
一般認為登陸月球有三種方案。一是直接登月，即用大型火箭把載有宇航員的航天器直接發射到月球表面，完成任務之後，航天器又從月球返回地球。第二種叫做「地球軌道交會」，意思是用較小型的火箭將登月航天器的不同部分送入地球軌道，在地球軌道上進行交會對接後再往月球，然後返回。
?圖3：阿波羅的月球交會軌道（圖片資料來自NASA）
直接登月的方案是一步到位，似乎簡單但不太保險，聽起來像是「發射炮彈」，並需要巨型運載火箭。第二種的優越性是可以使用推力較小的火箭，但在地球軌道上「交會」並沒有經驗，不知道成功的幾率有多大。
阿波羅計劃最後採用的是第三種，叫做「月球軌道交會」的方案，見圖3。在這種方案中，航天器分為「母船」和「登月艙」兩部分，由大型火箭將整個航天器發射到繞月軌道上，之後，在月球軌道上兩名航天員進入登月艙，駕駛登月艙與母船分離，並降落在月球上。然後，母船繼續環繞月球飛行，在繞月軌道上等待登月艙返回。登月航天員完成任務後，返回登月艙，駕駛登月艙飛離月球並返回月球軌道，與繞月飛船對接後返回地球。
1969年7月20日，阿波羅11號的登月艙成功著陸月球，美國宇航員尼爾·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）在月球表面留下了人類的第一個腳印，他幽默地說：「這是我個人的一小步，卻是人類的一大步。」第二位宇航員奧爾德林也隨後跟上，登陸了月球。另一位宇航員邁克爾·科林斯則留守在繞月環行的「母船」哥倫比亞號上。
有趣的是，在登月艙出發之前，休斯敦地面指揮中心的通訊員與幾個宇航員間有一段極有意思的對話。通訊員說：「請注意一位名叫嫦娥的可愛的中國姑娘，她帶著一隻大兔子，已經在那裡住了4000年！」宇航員隨口回答：「好的，我們會密切關注這位中國兔女郎。」
前蘇聯為登月設計的方案基本上與阿波羅計劃的一樣，也是採取「月球軌道交會」的辦法。
為了達到送人登月的目的，需要大型的運載火箭，美國人使用的是布勞恩等人設計的「土星5號」三級火箭，這是航天史上最大的火箭，高達110.6米，質量3,039噸，有效載荷45噸，至今為止，仍然保持著最高、最重、推力最強的運載火箭的記錄。
科羅廖夫為前蘇聯設計的對應物是「N1運載火箭」 ，其尺寸比土星5號稍小，但運載能力更大。N1的研發工作比土星五號晚，之後由於資金短缺、未經過嚴格測試便進行發射試驗。美國「土星5號」的13次發射試驗次次成功，而n1的四次發射試驗全部失敗，其中3次是在發射後爆炸，最嚴重的一次是尚未發射就爆炸了。在1969年的第3次發射試驗之前，因為一顆鬆動的螺柱被吸入了燃料泵，導致30台發動機中的29台停止工作而造成爆炸，將發射台都炸毀了，造成火箭應用歷史上最大規模的爆炸。
有人認為N1的設計上也有毛病，比如，它使用了30台發動機，而土星五號只有5台發動機。如此多台的發動機可能也是造成爆炸的潛在原因。30台發動機！不由得使人聯想到「萬戶飛天」時綁在椅子下面的47隻衝天炮。不過，N1火箭的設計者科羅廖夫還來不及看到運載火箭的失敗就先它而去了。科羅廖夫得了癌症，又勞累過度、心力衰竭，於1966年1月14日與世長辭，終年才59歲。由於種種原因，蘇聯在1976年正式取消了N1運載火箭這項工程，也給蘇聯的登月計劃以致命的打擊，因為沒有足夠運載能力的大型火箭，載人登月並安全返回是不可能的。
?圖4：美國和前蘇聯的登月運載火箭（圖片資料來自NASA）
美國電影「阿波羅13號」描寫了阿波羅計劃中第3次載人登月的真實事件。阿波羅13號發射兩天之後，服務艙的氧氣罐爆炸，太空船嚴重毀損，失去大量氧氣和電力。在太空中發生如此大的爆炸事故，人們以為再也見不到執行這次任務的三位年輕人了。然而，三位太空人克服困難，與地面控制團隊緊密配合，使用航天器的登月艙作為救生艇，成功地返回到地球，創造航天史上的奇蹟，被稱為一次「勝利的失敗」。
當年參與救援的一位工程師後來在「今日宇宙」網站上發文總結說，阿波羅13號獲救是因為存在13個條件【2】。
阿波羅13號是在去月球的半途發生事故的。按常理來說，發生了爆炸應該儘快掉頭返回地球。但是，直接掉頭必須首先迫使飛船速度反向，這需要很大的推力。供給推力的服務推進系統正好位於發生事故的服務艙尾部，如果點火燃燒推進系統，很有可能再次引起爆炸。因此，指揮中心決定利用「自由返航軌道」返回地球。
所謂「自由返回軌道」的方法，指的是「借月球一臂之力」，充分利用月球引力的自然助推作用，來使得航天器轉向返回。
在正常發射月球探測器時，也可以使用這種方法來節約燃料。月球探測器發射之後只需要在地月轉移軌道時進行一次變軌，飛抵月球軌道後便能在月球的引力作用下繞過月球，再自動地返回地球，如圖5b所示。
?圖5：阿波羅13號返迴路徑
阿波羅13號的情況與正常發射稍有不同，是一種應急處理。總之，三名宇航員與地面控制人員緊密配合，最後選擇了利用月球引力返航的方法。阿波羅13號使用登月艙的降落火箭，稍作機動變軌進入到「自由返回軌道」。然後，待登月艙繞過月球背面後，降落火箭被點燃，以加速登月艙返回地球的速度，最後順利地進入地球軌道並安全返回地面。
參考文獻：
【1】維基百科：萬戶，https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%87%E6%88%B7
【2】http://www.universetoday.com/62339/13-things-that-saved-apollo-13/
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