重返月球

编译 段景颐

阔别月球50多年后，人类再次造访月球。

1969年7 月21 日，美国宇航员尼尔·阿姆斯特朗成为第一个登上月球的人类。迄今登上月球的人类共计24 位。

2022 年3 月17 日，美国宇航局有史以来性能最强的火箭——SLS 从组装厂被运往位于佛罗里达州的肯尼迪航天中心。SLS 火箭推力达3810吨，这个数字甚至超过被誉为“怪物”的“土星5号”重型运载火箭的推力。SLS 火箭负责执行“阿尔忒弥斯1 号”任务，而整个阿尔忒弥斯计划包括一系列由机器人和宇航员执行的探测、登陆月球的任务。美国宇航局预计于2025 年让宇航员登陆月球南极，并在那里开展探测工作。在此之前，执行“阿尔忒弥斯1 号”任务的火箭携带无人探测器飞抵月球轨道。探测器环绕月球飞行14 天，对月球进行全方位测绘和勘测。此次任务的目的是测试SLS火箭性能、“猎户座”（SLS 火箭所运送的载人飞船）是否能正常工作，以及位于地球的地面指挥系统能否正常联系并下达指令，从而为阿尔忒弥斯系列任务的后续任务奠定基础。

执行“阿尔忒弥斯1 号”任务的SLS 火箭原定计划于2022 年8 月29 日利用地月窗口期起飞。但由于种种原因，火箭并没有如期发射，并接连错过了9 月2 日、9 月5 日和9 月27 日的几个后续发射窗口期。2022 年11 月16 日，SLS 火箭在熊熊烈焰下徐徐升空，终于赶上了最后的发射窗口，并顺利完成了预定任务。

其实，除了美国的阿尔忒弥斯计划，不少国家（包括中国、俄罗斯、日本和印度等）也相继宣布了各自的登月计划时间表。中国也计划在2030 年前后派遣航天员登陆月球。

为什么时隔50 多年，人类又再次对月球感兴趣了呢？

“猎户座”载人飞船所用的RL10 发动机

困难重重

执行阿波罗任务的宇航员登上月球

第一次踏上月球的美国宇航员阿姆斯特朗，通过无线电对讲机告诉位于美国休斯敦的指挥中心他看到的景象：（月球）表面是很细的粉末……这里有一种独特的荒凉之美……太漂亮了……

阿波罗登月任务背后的功臣是30 多万名技术人员和14.5 万行程序代码，这些代码已经完全对外公开。为阿波罗登月计划提供计算的计算机，其配置在今天看来实在是弱得不可思议——主频只有2 兆赫，内存仅为2 千字节。目前一台主流智能手机的中央处理器的运算能力是阿波罗登月计划使用的计算机的数万倍。照理说，和第一次登月相比，后来人类的航天实力和计算机运算水平不断提升，登月的难度应该是逐步降低的，但为什么自20 世纪60 年代后，人类就没有再次踏上月球呢？

登月所需的重型火箭是每个航天强国的航天重器，但重型火箭的研发之路可谓困难重重，而且探测器对稳定性和可靠性的要求也颇高，很少有国家能够一一攻克难关。苏联“N1 登月火箭”的4 次试射都以失败告终，后来的苏联“能源号”火箭也仅执行了2 次任务就被弃用；俄罗斯的新一代重型运载火箭“安加拉5 系列”火箭在测试中不断发生问题；美国的“大猎鹰”和 “星舰”在测试过程中也不断发生爆炸等事故……

阿波罗任务所使用的计算机之一

现代智能手机的运算能力是阿波罗任务计算机的数万倍

美国宇航局在测试重型火箭时发生爆炸事故

以色列的月球探测器以失败告终

2019 年4 月，以色列的探测器登月计划以失败告终。这艘探测器出现了技术故障，在登陆月球之前数分钟与地面失去联系，一头撞向月球表面。在这次事故中，探测器的主引擎在距离月球表面还有10 千米时发生故障，导致探测器无法完成刹车动作。

以色列发射的还只是无人探测器，如果是载人飞船，刹车并缓降月表的难度更大。飞机降落过程中，机长会根据跑道情况随时做好拉升高度、再次降落的准备，但飞船登陆舱的燃料有限，着陆过程会消耗大量燃料，因此着陆只能一次成功。在登陆舱的降落过程中，最重要的是选择合适的降落地——必须平坦，不能有巨石。月球的熔岩活动在表面塑造了起伏的山峦，山峦的阴影中是彻底的黑暗（因为没有空气散射阳光），阴影中的任何一块巨石都将成为登陆舱着陆过程中的噩梦。

宇航员的返航过程是最让人提心吊胆的。要回到地球，首先要离开月球。尽管月球的引力相对较弱，仅为地球引力的约1/6，但宇航员乘坐的返回舱所在的火箭还是必须加速至8000 千米/时才能彻底摆脱月球的束缚。返回舱必须按照经过严格计算的飞行路径，才能以最经济的燃料消耗进入地球轨道，并逐渐向地标降落。返回舱进入大气时的角度是一大考验：如果角度太小，返回舱会像打水漂一样在大气层的边界上弹跳，这会让返回舱错过降落区域；如果角度太大，返回舱垂直下降速度过高，其与大气剧烈摩擦产生的高温将葬送返回舱内宇航员的生命。这个角度被称为“再入角”，即航天器再次进入大气的角度，一般不会超过3°。

返回舱进入大气层的角度很难掌握，稍有差错，返回舱就会被大气层弹回太空

由此可见，把人安全送到月球并让宇航员安全返回真的不是一桩易事。

月球基地

在月球表面修建月球基地难度极大（假想图）

随着人类对深空探索的需求不断增长，人们开始构想以月球基地为跳板的深空探索方案。各国相继开始制订月球探测任务和载人登月任务时间表，其中一部分原因也是为后续的深空探测做准备。如果从地球直接前往火星，出发时必须携带大量推进剂，而其中绝大部分推进剂会被消耗在离开地球的阶段；但如果把所需推进剂和设备运到月球基地或空间站，从那里出发前往火星将是更节约成本的方案。

虽然一些国家提出在月球表面修建月球基地，但这样做存在不小风险和巨大挑战。月球赤道区域白天最高温度可达116℃，而夜晚又会降至-173℃，将近300℃的温差是在修建月球基地前必须克服的难题。月球每天会承受数吨小行星撞击，因为没有大气层，所以这些小行星会直接撞击月球表面，未来的月球基地也要做好应对小行星撞击的准备。

熔岩管道月球基地示意图

其实，与其把月球基地修建在月球表面，费大力气保持月球基地的恒温，同时忙不迭地应对随时可能飞来的小行星，不如把月球基地修建在月球的地下。2009年，人类首次在月球上发现了熔岩管道，这是过去月壳下方的熔岩流动所留下的空心隧道。如果熔岩管道距离月壳表面较近，月壳可能在小行星撞击下崩塌，从而打开一个通向熔岩管道深处的坑口。目前，科学家已经陆续发现了十多个这样的坑口，其中最大的月球熔岩管道最宽处直径达304.8 米，长度超过40 千米，足够修建一座大型月球基地。这些熔岩管道内的温度有的长期稳定在17℃，住在里面不用担心小行星袭击、太阳辐射和宇宙射线，可谓既舒适又安全。

月球资源

月球上有丰富的可开采资源。苏联和美国带回了共计约382千克的月球矿物样本，使得人类能够了解月球上的矿物。这些矿物可以分为三大类：一是富含铁、钛的月海玄武岩；二是富含钾、磷和稀土元素的斜长岩；三是不同大小的岩屑经胶合作用形成的角砾岩。月球上还有丰富的铁资源，仅月球表面5 厘米厚的砂土层中就含有数亿吨铁，并且这些铁非常便于开采和冶炼。月球表面金、铂等贵金属比例比地球地壳中的更高。如果人类日后掌握了可控核聚变技术，那么月壤中丰富的氦－3 将为月球基地提供取之不尽的能源。

显微镜下的月球岩石切片，其内部富含多种矿物

月球采矿（假想图）

如果宇航员在月球的生活必需品、基地的建筑材料和实验室设备都需要从地球获取，就需要频繁地进行地月航天运输，这其中的成本是常人难以想象的。据计算，要将1 千克的材料从地球运送到月球，需要35 万～60万元的费用。如果能在月球就地取材，至少让建筑材料、水和氧气能够完全从月球获取，就能大大降低月球基地的建造和维护成本。

月球上也有水。月球上的一些陨石坑有阴影区域，它们自陨石坑形成以来就没有见过太阳。这些超冷且黑暗的陨石坑阴影区被称为永久阴影区，也是科学家发现水冰存在证据的地方，即除了月球的背阴面，在月球两极的一些陨石坑中可能也有水冰。阳光无法触及这些较深的撞击坑底部，那里的温度会永远保持在冰点以下。事实上，科学家也在这些撞击坑中发现了水冰存在的证据。虽然坑里可能有水，但谁也不能保证有多少，以及这些水是否足够干净……但只要有水，再配合太阳能和专门的处理设备，从月球基地就可以获取饮用水和燃料（电解水制氢、氧）。

阿波罗系列任务总共耗资约250 亿美元，其购买力相当于2018 年的1500 亿～ 2000 亿美元。对外太空的探索真的只是烧钱吗？当我们回望几十年前的登月黄金年代，我们会看到许多我们今天熟悉的科技，比如食品真空包装袋、全球定位系统，以及我们最熟悉的电脑和手机等微型电子设备。我们享受着登月计划带来的科技福利，却很少意识到这些成果来自人类登月的那段年代。

宇宙诞生于138 亿年前，直到20 万年前，我们的祖先——晚期智人才第一次出现在地球上，而现代宇宙学的创立时间不超过100 年。可见，人类这个“新”物种面对浩瀚而悠长的宇宙历史，所了解的知识是非常有限的。月球是离我们最近的天体，我们对它的身世、构成和未来命运还知之甚少。月球应该是人类优先探索的天体。重返月球不仅有助于科学家解答整个太阳系的历史，还将为人类开启行星际探索时代奠定基础。