登月的科学研究与展望

摘 要 液体火箭发明并获得初步发展后，科学家着手依据当时的科技水平，认真探讨登月的可能性。20世纪30年代，英国人就开始了科学的登月可行性分析。20世纪50年代，美国有多个部门对载人登月进行了初步规划，但大都局限于理论探讨。作者从历史的角度介绍了早期的登月研究与规划，阐述了阿波罗计划制订的背景。

关键词 载人航天 太空飞行 月球登陆

20世纪30年代，火箭技术在德国、美国和苏联都得到了不同程度的发展，于是人们开始讨论利用火箭能否到达月球的问题。1937年，英国星际航行协会技术部在爱德华（J. Happian Edwards）的领导下，成员包括数学家汉森（Maurice K. Hanson）、电气工程师罗斯（Harold E. Ross）、涡轮工程师史密斯（Ralph Andrew Smith）、化学家詹舍尔（Arthur Janser）以及年仅20岁的天文爱好者克拉克（Arthur Charles Clarke）等人，制订了一项预测性研究计划：以现有技术、材料和设备，探讨载人环月飞行的可能性。在比较了100多种不同的液体、固体火箭推进剂组合后，他们认为，在当时的条件下，液体火箭具有结构复杂、控制困难、事故概率大以及多机组合不易协调等众多问题，很难保证长距离飞行的安全，因此他们设想以固体火箭并联的方式，设计月球飞行火箭。为了达到逃逸速度，登月火箭采用多级结构;为了保证推力可控，采取多个小火箭并联，同时通过增减火箭点火的个数来控制推力的大小。

1937—1939年间，英国星际航行协会技术部经过两年的工作，设计了一枚巨大的登月火箭。它全长32 m，直径6 m，总重约1 000 t，其中固体推进剂的重量占900 t。火箭为6级结构，一级小火箭按六边形蜂窝状排布，喷气速度达3.7 km/s。前5级各装有168枚大火箭，每枚火箭长4.6 m，直径37 cm，喷气速度为3.4 km/s。第6级则装有450枚中火箭。与登月飞船连在一起的还有两级火箭，类似于今天大型应用卫星的上面级，每级由600枚小火箭组成。这样，登月火箭包含的固体火箭总数达到2 490枚。火箭各级间有电器控制点火和级间分离。预计第6级火箭分离时，可使飞船加速到11.2 km/s。火箭第6级与飞船之间有一个结合部，实际是飞船推进舱，安装有6组液体火箭发动机，采用简单的H2O2推进剂，喷管指向后方，用于火箭和飞船的方向和姿态控制，以及在月球上减速下降。在这个推进舱后面，还有6组液体火箭发动机，主要用于使飞船旋转产生人工重力。当飞船在月面着陆前，这6组发动机还可使飞船停止旋转。由于月球表面引力较小，只用上面级中的一级推动就能将飞船送回地球。

飞船的头部外壳装有阻挡微流星、太阳辐射的预应力蒙皮，主要材料是陶瓷。舱壁为双层，隔热性良好，可使流星体的危害减到最小。座舱内部有3个富有弹性的人体型椅。由于当时还不知道失重究竟有什么危害，因此飞船在宇宙空间飞行期间是通过自旋产生人工重力的。它在登月前靠两排火箭的排气来制动，在月面着陆时由弹簧支承的4个支脚减缓冲击力。座舱内的环境尽可能模拟地面，设有空气、水和食物处理设备，所带的饮料、食物也十分丰富。为了使宇航员在月面上安全活动，还专门设计了宇航服，它用坚韧的橡胶和皮革制成，内部充以空气并带有电加热装置，宽大的头盔内还有供氧系统以及无线电通信设备。为了保证飞行顺利进行，载人飞船还特别设计了复杂的飞行程序系统，它由高度计、加速度计、摆稳定装置和陀螺仪等检测各种飞行和导航参数，据此调整飞船的控制参数，因此具有自动驾驶飞船的功能。这样既能保证宇航员安全，又能保证在技术上可行。

在英国星际航行协会的登月方案中，另一个重要成果是供宇航员在飞行途中观测天空的定天镜。它由旋转镜、回转镜和固定镜等组成。旋转镜的转动刚好是飞船角速度的一半，确保一定天区的景象能够较长时间地落在目镜上。因此，尽管飞船的姿态发生变化，宇航员却可以始终观测某一特定的天区，因而这种仪器真正起到了“定天”的作用。

飞船的发射地点设想在遥远的玻利维亚与秘鲁交界的海拔3 800 m的安迪恩湖附近，该地位于南纬16°。这种选择有以下考虑：最大限度地利用地球自转的力量，减少空气阻力的损失，减轻发射重量，而且一旦发生爆炸事故，在这个地广人稀的地区不会造成很大破坏。1939年，英国星际航行协会会员罗斯发表了《月球飞船》和《月球飞船的控制问题》两篇文章，进一步对登月飞行进行探讨，包括登月方案。他还提出了月球飞船的载荷建议，认为到达月球的重要任务是进行天文观测，另外也可进行月球实地考察，因此主要载荷应是各种天文望远镜和科学考察仪器。

英国星际航行协会所进行的登月飞行研究与设计，完全按照科学的態度和方法来开展，凭借的是当时已经掌握的技术、材料与设备，因而成为人类有史以来第一项登月飞行的研究计划，受到后人的称赞。该计划对工程细节进行了深入分析，找到了解决的办法。例如，飞船装有两级上面级，很像后来阿波罗飞船登月舱的下降发动机和上升发动机，而且在飞船离开月球时，下面的火箭级用作飞船上升的发射平台。飞行采用的惯性平台也有很强的预见性。飞船在返回地球再入时，由于采用的火箭制动和再入防热技术过于复杂，因此计划运用椭圆轨道经稀薄空气缓慢减速、下降，最后在适当的高度和速度下用降落伞回收。这些方法在理论和实践上都具有很大的可行性。第二次世界大战后，英国星际航行协会的会员们仍在探讨载人航天及登月问题，甚至开展了舱外宇航服的设计。

在大力改进液体火箭的同时，一些人把太空飞行作为主要目标，一时间大量的探索性著作接连问世。从当时的情况看，人们更加重视富有戏剧性的载人太空飞行特别是登月飞行，对人造卫星等比较实际的目标则关注不够。所以，到月球旅行的可能性、所需要的技术、旅行的步骤以及在月球上建立基地等，就成了研究的热点话题。

克罗地亚人波托切尼克（Herman Potocnik）第一次世界大战时曾在奥匈帝国军队服兵役，战后进入维也纳技术大学学习电气工程，后获得工程学博士学位。从1925年起，他的主要精力就放在火箭研究上。1928年底在他去世前不久，出版了《太空飞行问题——火箭发动机》一书，探讨在轨道上建设空间站的可能性;对反作用原理做了简要介绍，分析火箭喷气效率以及飞行速度、飞船返回制动、有翼飞船气动减速滑翔着陆、火箭飞机等一系列技术问题，并给出不少建议。这些内容与前述先驱者的研究大同小异。在谈到空间站时，波托切尼克提出了许多非常有创新性的思想：（1）大型空间站应分段发射;（2）所处轨道应为地球静止轨道，以便于对地通信;（3）讨论了失重和真空效应;（4）提出太空太阳能电站的概念;（5）提出从空间站进出开放太空的气闸舱概念;（6）提出微流星和太阳辐射防护的问题;（7）思考水和空气循环使用的问题;（8）探讨空间站姿态和轨道控制的问题;（9）描绘舱外宇航服的设计思路;（10）思考利用飞船实现天地往返运输的问题。

波托切尼克强调空间站应当主要用于科学和经济目的的对地观测，同时还可用于在太空进行科学实验。这本书在德国、苏联和美国都产生了很大影响，不少航天史学家把波托切尼克设计的空间站看作轨道上的第一座建筑。1947年，受其启发，英国星际航行协会的罗斯和史密斯也设计了一座空间站。1948年，罗斯在英国星际航行协会的会议上宣读了论文《轨道基地》。鉴于当时液体火箭已经取得重大进展，罗斯在文中将发射空间站的火箭由以往设计的固体火箭改为液体火箭。文章还着重讨论了载人登月问题。根据当时火箭技术发展和使用的实际，罗斯指出，现有的火箭还做不到一次性地把整个飞船送上月球并返回，因此必须采取“轨道加油”的方式。在地球—月球—地球的旅行中，他提出了如下飞行步骤：同时发射3艘起飞质量为442 t的宇宙飞船A、B、C，每艘飞船各载8名宇航员，到达约800 km高的地球轨道。在轨道上，通过遥控或自动控制将3艘飞船对接在一起，宇航员都转移到飞船A上，并将另外两艘飞船的推进剂转注到飞船A中，其中飞船C全部转注，飞船B留下部分推进剂。此时飞船A的总质量约为65.2 t。在绕地球轨道运行并完成检查后，飞船A开始向月球进发。飞船到达月球后通过控制进入800 km高的月球轨道，然后将飞船的推进剂贮箱分离并留在月球轨道上，飞船乘员舱降低轨道在月球着陆。这时推进剂贮箱的质量约3.9 t，载人飞船的质量为10 t。在月球考察完毕后，飞船上升进入月球轨道，通过雷达等系统与轨道上的贮箱会合对接，并將贮箱内的推进剂加注到乘员舱中。载人乘员舱离开月球朝地球方向返回。飞船A返回地球轨道后，通过探测装置找到飞船B，并将宇航员转移过去，最后飞船B再进入大气层。飞船的再入返回主要靠降落伞减速。

另一个简化的飞行步骤是3名宇航员都乘飞船A进入地球轨道，而飞船B和飞船C则单纯用作加油飞船。罗斯认为，在登月飞行中，关键在于飞船轨道对接技术，而这个技术借助先进的控制系统和雷达系统是可以实现的。同时，罗斯还研究了空间站问题，包括空间站的规模、发射和用途等。难能可贵的是，罗斯的登月步骤与日后阿波罗计划的月球轨道交会法十分相似。英国人之所以选择这种飞行方式，是经过认真思考和初步计算的。月球引力较小，在月球轨道上分离较小的乘员舱下降，制动减速会相对容易，推进剂消耗也比较少，因而整体上可以减轻飞船的总质量，并降低对运载火箭的要求。利用“轨道加油”（地球轨道交会或月球轨道交会）进行登月是许多研究者的首选。英国星际航行协会会员博格斯（Eric Burgess）就提出过类似建议。他认为，直接登月的飞船起飞质量至少要上万吨，不妨将10多个600～1 000 t级的飞船发射到地球轨道上，然后在地球轨道上组装，再飞向月球轨道。这个方法实际上就是地球轨道对接。

1949年，德国火箭专家威利·李（Willy Ley）发表著作《征服太空》，对载人登月飞行进行了详细讨论，包括飞船起飞、中途飞行和着陆。1950年，由美国导演皮切尔（Irving Pichel）执导的科幻电影《月球安家》拍摄完毕，在纽约放映时引发巨大轰动。这部电影突出了登月的困难，并谈到登月计划纯粹是私人企业掌握了登月新技术，而政府必须购买这项技术以使美国在未来竞争中保持优势。

1951年，为纪念哥伦布发现新大陆459周年，由威利·李召集，在纽约海登天文馆举行了一次会议。与会者宣读了有关太空飞行的论文，参加会议的人有美国陆军弹道导弹发展局技术主任冯·布劳恩（Wernher von Braun）、物理学和天文学家凡·艾伦（James Alfred Van Allen）、哈佛大学天文学教授威普尔（Fred Lawrence Whipple）、国际地球物理年委员会主席卡普兰（Joseph Kaplan）和美国空军医学部医生哈伯（Heinz Habe）。会议报告的技术性并不强，其主要目的是唤起美国民众对太空飞行的兴趣。会议论文集于1952年发表在《科利尔》杂志专刊上，题为《人类将立即征服月球》，涉及轨道空间站、太空生活、环月飞行以及月球登陆的种种问题。在编者按《我们还在等什么？》中，指出苏联的火箭技术已经取得了很大进展，一批杰出的火箭专家正将苏联的火箭技术推向新的高峰，而且有可能抢先发射卫星和空间站。同时警告说，谁先控制太空，谁就将控制地球。极力呼吁美国必须正视目前火箭技术的发展，着手制定人造卫星和载人空间站计划。

冯·布劳恩在《人在月球：一次旅行》一文中，提出可以派由50名科学家和工程师组成的“先锋探险队”分乘3艘火箭飞船从空间站轨道上起飞，到月球进行探险之旅。主要设想是：建造并发射3艘飞船，一艘用于地球轨道的运输，一艘担任轨道组装任务的地球空间站，一艘用于登月。其中，运输飞船是三级结构，总长81 m，底部最大直径19.8 m，起飞质量为6 350 t。第一级并联安装15台液体发动机，最大起飞推力达12 700 t。第三级是有翼飞船，它进入轨道并完成工作后，可载宇航员像飞机一样返回地球并着陆。空间站是轮胎形，直径76.2 m，主要任务是在近地空间完成登月飞船的组装，也可作为科学研究和观测平台。值得注意的是，它本身也是在空间组装成的。登月飞船的布局并不规则，高49 m，底部宽度33.5 m，总质量约3 965 t。在最初进行月球探险中，共发射3艘这样的飞船，两艘各装20人，另一艘装10人和20 t货物。在地球轨道上组装后，它们同时向月球进发，5天内到达月球，所带物资可供50人维持6周时间。工作完成后，50人再乘两艘飞船返回地球。飞船的电能来自于太阳光加热工质产生的蒸汽以驱动涡轮发动机。他所依据的也是当时的技术水平，因为那时的火箭发动机推力只有数十吨。冯·布劳恩在文章中还讨论了防止微流星撞击、飞行过程用餐、创造人工重力、月球着陆制动等问题。他预计，建造大型空间站的总花费大约为40亿美元;月球旅行可望在25年内实现，需要动用10亿美元。这样的旅行并不存在技术上的难题，关键是能否下此决心。

这部文集的出版在美国引起强烈反响，极大地激发了载人航天热。1952—1954年间，这类科普文章如雨后春笋般涌现。华特迪士尼公司正是在此背景下投资拍摄了一系列相关科幻影片，进一步扩大了太空飞行的影响力，其中1954年放映的《人在太空》竟吸引了多达4 200万名观众。

此后，探讨月球飞行的科学作品越来越多：克拉克出版了科幻小说《月球探险》，冯·布劳恩与威普尔联合主编了论文集《征服月球》……这些前瞻性的著作均产生了深远影响。苏联航天先驱吉洪拉沃夫（Mikhael Kladievich Tikhonravov）于1951年在《真理报》上发表《飞向月球》一文，介紹了载人实现月球旅行的飞船设计以及所需的各项技术。他认为，这一登月理想将在10～15年内得以实现，现在的年轻人都能目睹这一伟大时刻的到来。可以说当时的航天研究与展望的焦点之一就是载人登月。不少著作甚至对月球基地的建设也进行了详细的讲述，还有人将月球作为一个中转站，用作进入更遥远的外太空。

由于当时对月球飞行的研究形成了高潮，一些报纸便刊登了带有逗趣性质的文章。例如，有一篇文章的标题是《可口可乐公司向月球发射火箭》。文中写道：“在人类历史上发生了一件令人震惊的事件，也是一次空前绝后的广告策划，一枚火箭从太平洋中间射向月球。但与许多类似的计划不同，这次并不是政府行为，事实上连华盛顿当局也感到万分诧异。这枚月球火箭由可口可乐公司资助研制并发射，计划用2天的时间完成一次长达38万 km的旅行，火箭携带的载荷是15 kg带有红色标志的炸药。希望它能落到月球上的某个地方，让我们在地球上仅用天文爱好者的望远镜就能看得到。”文中提及的火箭是五级结构，由一枚巨大的氢气球带到24 km高度后释放，然后火箭启动飞向月球。不载人月球飞行取得了成功，地面上用高倍望远镜便可观察火箭降落到月面的情景。文章还说，这次行动没有军事威胁，具有很高的科学价值，从公众的热情和广告的收益上看花这么多钱是值得的。作为一项私人投资项目，其没有事先向美国政府透露，但现在已经受到了美国政府的高度关注。

20世纪50年代末以前关于登月飞行的探讨基本属于民间，困于各种技术条件的限制，这些研究尚未做到很细致。不过，这些活动连同一系列著作营造了良好的社会氛围，也引起了政府部门的注意。可以说正是由于这样广泛的讨论，促使政府部门终于加入登月计划的制订之中，进而促成美国阿波罗计划的执行。

文章来源

李成智.阿波罗登月计划全史[M].北京：北京航空航天大学出版社，2019：84-88.

Abstract After the invention and preliminary development of liquid rocket， scientists began to explore the possibility of landing on the moon according to the scientific and technological level at that time. In the 1930s， the British began a scientific feasibility analysis of landing on the moon. In the 1950s， many departments in the United States made the preliminary plans for manned lunar landing， but most of them were limited to theoretical discussions. The author introduces the early research and planning of lunar landing from a historical point of view， and expounds the background of the Apollo program.

Keywords manned spaceship， space flight， lunar landing