出品：科普中國
制作：川陀太空
監制：中國科學院計算機網絡信息中心
1969年7月16日，隨著土星五號的發射，美國宇航局阿波羅計劃中的第五次載人任務成功開啟，即阿波羅11號，在燒掉2000多噸燃料后完成了人類第一次登月任務。阿波羅11號上搭載3名宇航員，其中阿姆斯特朗與奧爾德林分別踏上月球表面，指令艙飛行員柯林斯則成為世界上最孤獨的人，在登月期間，他一個人留守指令艙，繞著月球飛了數十圈，看了一遍又一遍的月球背面，也算是體驗了一回置身世外。
阿波羅11號三名宇航員（圖片來源NASA）
第一個登月腳印，圖片來源：NASA
美蘇太空競賽加速了登月探索
阿波羅登月的背景是在美蘇太空競賽時期，1957年蘇聯發射了第一顆人造衛星斯普特尼克1號，震撼了整個西方，強勢打擊了美國在航空航天領域夜郎自大的心態。美國國內將其稱為斯普特尼克危機，直接導致了美蘇正式進入太空競賽。針對斯普特尼克1號衛星的領先優勢，美國成立了國防部高級研究計劃局的前身，啟動水星計劃并且獲得大量科研經費支持。從蘇聯第一顆人造衛星到1969年實現登月，人類只用了12年的時間。在這12年的時間內，美蘇對月球進行了全面勘探，基本上掌握了月球的基本參數，包括月球表面到底能不能站人。我們如今當然明白月球上可以站人，但在1960年代還不清楚，需要無人探測器軟著陸進行驗證。據初步統計，在1950年代末到1970年代中期，美蘇各發射了20多個月球探測器、載人飛船，完成了人類第一次對月球的大規模科研活動。
登月的難度不小 NASA求助于德國制造
登月無疑是太空競賽最巔峰的動作，誰第一個完成，誰就是勝利者。阿波羅11號登月期間，蘇聯月球15號自動采樣返回探測器在危海墜毀，不僅未能完成任務，還與阿波羅11號成功實現載人登月形成了鮮明的對比。對NASA而言，要在短短12年內實現登月，技術上的飛躍是必然的。登月首先需要一款大推力火箭，由德國科學家馮布勞恩主導研發的土星五號火箭在阿波羅4號任務期間測試成功，其設計起源甚至可追溯到德軍V-2火箭。二戰結束后，馮布勞恩和多名曾經的德軍火箭專家在白沙導彈靶場重新打造了一枚從德國運回的V-2火箭，由此開啟了美國運載火箭高速發展的時期。
轉運中的土星五號第一級，圖片來源：Daily Mail
歷次阿波羅任務中發射的土星系列運載火箭圖片來源：Daily Mail
相比之下，蘇聯N-1火箭4連炸失敗直接導致了蘇聯登月計劃的失敗。許多人認為N-1火箭的失敗是30臺NK-15發動機并聯數量太多，但SpaceX的重型獵鷹第一級也采用了27臺默林1D發動機并聯，因此第一級發動機并聯數量太多并非設計問題，而是蘇聯在當時的技術條件下無法實現這個設計。土星五號將第一級演化成5臺F-1發動機，在土星C-5配置中火箭方案實現了最優，NASA決定繼續按照馮布勞恩的設計方案研發土星火箭，這是登月成功的一個關鍵轉折點。
30臺NK-15發動機并聯的蘇聯N-1火箭，圖片來源：reddit.com
27臺默林1D發動機并聯的重型獵鷹火箭，圖片來源：spaceX
重型獵鷹第一級的27臺發動機特寫，圖片來源：spacex
△1964年5月在馬歇爾空間飛行中心辦公室內的馮-布勞恩，身后為土星系列火箭模型清晰可見，一手奠定了美國運載火箭的基石。
登月另一個難點在于登月方案，NASA采用了月球軌道交會對接的方案，節省了大量的燃料和工程開發時間。該方案利用地球軌道離心力將登月航天器送入月球軌道，登月艙分離，主航天器留在軌道上，從月面返回時在月球軌道上完成對接后前往地球。在確定登月方案之后，格魯曼飛機公司開始研發登月艙，正式有了土星五號的強大推力，登月艙總質量達到了14噸，還能攜帶一輛月球車。由于月球上幾乎沒有大氣，從月球軌道下降到月球表面無需隔熱控制，大大簡化了登月流程。事實上載人登月集合了美國當時最先進的科研生產力，涉及科學家、工程師、技術人員等400多萬人，任何一個環節都可能因為技術問題而致命。
登月艙，宇航員和月球車的合影，圖片來源：spacenews
險象環生
在阿波羅11號登月起降，阿姆斯特朗和奧爾德林在控制登月艙下降時也出現各種警報響起、錯過著陸點數千米等潛在危機，在鷹號登月艙距離月面還有9米時，燃料只剩30秒，萬一著陸艙下方是個碎石坑，那么登月艙就可能出現傾覆，導致阿姆斯特朗和奧爾德林無法返回。在月球軌道調整時，奧爾德林的背包意外將登月艙上升段發動機保險開關給接觸了，休斯敦地面控制中心一度擔心上升段發動機無法啟動。阿姆斯特朗和奧爾德林駕駛登月艙與指令艙分離時，留在月球軌道上的柯林斯也只能希望登月的兩位同仁多保重，任何一個小問題都可能導致阿姆斯特朗和奧爾德林無法從月面起飛，那么最終只有柯林斯一人返回地球。位于休斯敦航天中心內的飛行控制指揮官貝爾斯在登月抉擇上甚至依靠直覺要求阿姆斯特朗不要理會鷹號登月艙的各種故障報警，尼克森總統也準備了一份宇航員無法返回地球的演講稿。由此看出，登月不僅靠的是400多萬科研人員創造出過硬的硬件，還要有足夠的運氣。
阿波羅13號則是一個非常典型的小問題導致大事故的案例。有了阿波羅11號登月為基礎，還有12號登月成功，因此阿波羅13號應該說是四平八穩才對。但阿波羅13號在抵達月球之前發生了氧氣罐爆炸這樣的事故，電力損失、氧氣含量下降，原本登月計劃變成了軌道逃生實戰。氧氣罐爆炸發生在前往月球的途中，當時阿波羅13號計劃地球已經有32萬公里，都快到月球了，氧氣罐爆炸導致氧氣含量大大降低，三名宇航員進入到登月艙中避難。至于氧氣罐爆炸的原因，推測可能是微流星體撞擊導致，可見在深空任務中各種問題都可能導致任務中斷，防不勝防。好在三名宇航員最終安全返回，沒有提前上演科馬洛夫式災難。
繼阿波羅登月計劃后，為何沒有人登上月球
1972年阿波羅17號之后，人類就再也沒有登月。通過阿波羅登月任務，NASA獲得了381.7公斤的月球巖石樣本，部署了月震儀等科研儀器，為1970年代探月奠定了基礎。進入1980年代后，美國轉向研發和運營航天飛機，而蘇聯則致力于空間站運行。
阿波羅11號運行軌道，圖片來源：NASA
美蘇都從登月龐大的耗損中抽身出來，投入到更實際一些的近地軌道技術競賽。因為近地軌道涉及偵察衛星、空天飛機等軍事化平臺，比登月更符合實際一些。1990年代時蘇聯已經解體，美國重返月球的愿望就更低了。進入21世紀，美國再次提出星座計劃，試圖重返月球，但重返月球的目的并不明確，最大的原因是缺乏競爭，同時高昂的成本也使得重返月球變得更加艱難。
一直到2019年，美副總統彭斯宣布2024年重返月球，比2028年要提早4年完成。與此同時，美國民間私人航空航天企業也打算登月，因此在2020年至2030年，人類有望重返月球。這次重返月球實現的可能性較大，月球有望作為登陸火星的跳板，同時中國、印度等新興探月力量已經涌現，這讓美國感到了危機，也迫使其重返月球。
