本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
飛出地球，登上其他星球不算厲害，還能回來才是「高手」！美國登月已經是上世紀的事情了，隨著科學認知與科技水平的不斷提高，質疑的聲音反而越來越多。其中飛船登陸之後，如何返航就是一個很大的技術難題，特別還是在上個世紀。
要知道阿波羅號是土衛五號運載火箭給帶上天的，該火箭的推力至今都穩坐世界第二，而月球上並沒有如此強大的火箭與發射塔。
返航的問題關鍵在於引力，因為事件的背景是地月系統，舉個不太恰當的例子，從地球到月球像是在爬坡，而從月球返回地球則是下坡的順風路。返航方案只限於月球，火星、金星都不適用。下面我們就來破除一下外界對人類第一次登月的質疑。
登月
從地球到月球分為：
火箭加速，克服地球引力升空進入環地球軌道火箭再次加速脫離地球軌道進入地月轉移軌道，飛向38萬公裡之外的月球切入環月球軌道，具備一定速度，克服月球引力，繞月球運行，緩慢減速，讓月球引力稍佔上風，利用引力繞月緩緩降落。
登陸過程沒有什麼瑕疵可挑，一切順理成章，但是這個過程中存在一些細節，這些細節為阿波羅號返航埋下了伏筆。
返回的準備
在飛出地球的過程中，隨著燃料耗盡，土衛五一節節脫離，當它們進入地月軌道時，火箭最前端的部分，也就是那個尖尖的部分為指令艙和中間的服務艙，脫離了火箭，來了一個180度大旋轉。
圖：調過頭來的指令艙，準備與登月艙「接吻」
「頭」和「腳」調了個個之後，又回來了與處於中間的登月艙進行對接，看看服務艙「腳」上那個大噴氣孔，用腳想也知道服務艙攜帶著燃料。緊接著指令艙與服務艙帶著登月艙與土衛五最後一節推進器分離進入地月軌道。
當阿波羅號登入月球後，人類下來溜達了「一大步」，插上了小旗，撿了石頭，就準備往回走了。眼尖的小朋友，可能發現了，剛才那個調了個的「尖尖」指令艙和服務艙哪去了？還有登月計劃一共派出去3個太空人，為什麼下船的只有兩人？
其實船上沒人了，因為另一個太空人壓根就沒在月球上，在組合狀態下環月軌道運行時，阿姆斯特朗與奧爾德林躲進了登月艙，然後與指令艙脫離，減速降落月球。而麥可·柯林斯繼續留在了指令艙中，圍著月球轉圈圈，指令艙才是返程車，他在等待下一個任務——帶大家回家。
火箭的逃逸速度
阿波羅號起飛的關鍵因素在於月球的引力。在操場上，扔個球，能扔出30米開外，如果在珠穆朗瑪峰上，你能扔更遠，因為山與地面有一個坡度。地球並不是平的，而是圓的，如果球離手時擁有足夠的初速度，使得球都已經離開地球了還沒有落地，那麼會發生下面的情況：
球環地球運行，要達到環地球運行的初始速度，稱之為第一宇宙速度，7.9 km/s。如果勁再大點，地球的引力也無法讓它回心轉意，它就會發生下面的情況：
這種情況叫逃逸，地球的逃逸速度也叫第二宇宙速度，11.2km/s。逃逸速度只有天體的質量與半徑有關，而質量與半徑又決定了天體的引力，因此科學家也經常用逃逸速度來描繪天體的引力強弱，例如黑洞，宇宙至高速度的光都無法逃逸，所以黑洞引力極強。
從月球返航
月球引力很小，它的逃逸速度為2.4km/s，阿姆斯特朗穿著厚重的太空衣，小心翼翼的走起來都一蹦一跳的，如果它使勁一跳，估計能秒了地球上的撐杆跳記錄。這意味著月球上根本不需要土衛五這麼強勁的推進器，只需要配備一個「迷你火箭」和「迷你發射臺」。
阿波羅號登月艙分為兩部分，下部分為下降級，攜帶少量的燃料可以穩穩的把飛船降落在月球表面。當飛船要離開時則與上半部分解鎖，變身成發射臺。而上半部分為上升級，也攜帶了少量燃料和發動機，這個迷你構造足以支撐它克服引力飛離月球表面。當登月艙上升級返回月球軌道，和指令艙對接，回家的事就傳遞給「大容量噴氣口」（服務艙）了。
實際上，在整個過程中，除了人和石頭，整個登入月球的部分都被拋棄在了月球上。下降級作為發射架永遠停留在月球表面。而上級部分在於指令艙對接之後，登月艙的兩位太空人帶著「石頭」進入指令艙，隨後上升段的登月艙就與指令艙分離，被拋棄在月球的軌道上，隨著它慢慢減速最終也會墜入月球表面。那麼好好一個登月為什麼要分分合合的？
多種方案的選擇
登月的方案當時設想了幾種：
直接起飛由火箭帶著飛船起飛到達月球登入，拿完石頭，火箭再次起飛，回到地球。
在地球軌道會合火箭可以小一點，但用兩艘，分別把登月艙和指令艙送到地球軌道進行對接，再飛往月球，再整體返回。
圖：直接起飛或者地球軌道集合的設想圖
月球表面會合也是用兩艘，一艘無人駕駛，帶著推進器登入月球，然後載人的登月艙到達月球，太空人拿完石頭進入到之前先到的太空飛行器中，然後推進上升返回地球。
圖：月球軌道會合方案全過程
月球軌道會合這個方案就是阿波羅號登月所用的方案，一個大型火箭帶著兩個太空飛行器，較大的裝載著返回地球的燃料和生活必需品，以及裝配進入地球大氣所需的隔熱板，這部分不登月，只環月。另外一個，輕裝上陣，質量較小的只載人，還有少量登入月球以及從月球表面返回月球軌道所需的燃料。耗盡了服務艙所有燃料，最終只剩下個小圓錐的指令艙進入大氣層掉入海中。
能量
選擇最後一種方案是出於對能量的考慮。太空飛行器所需能量的地方主要在克服引力起飛與變軌。飛向月球時並不需要考慮能量問題，因為我們有完善的發射臺與強大的火箭。
而在月球上升空就提襟見肘了。雖然月球引力較小，但也需要達到一定初速度才能起飛上升到月球軌道，質量越大，起飛加速所需要的能量就越大，所以登月部分的質量需要儘可能壓縮到最小。
阿波羅11號的徽章為一隻老鷹降落在月球上，從側面看這是一個非常形象的比喻，登月艙就像一隻老鷹，它看似體型很大，實際上並不重，主要的質量都濃縮在羽毛之下。鷹爪代表著登月艙的下降段，著陸時兩爪可以分開，穩穩的鎖住地面。
翅膀代表著起飛，完成任務之後，鷹爪變為固定在地面的發射架，留在月球，上升段攜帶的燃料與推進器就像老鷹的扇起翅膀帶著它們起飛。最後老鷹完成了任務，留在了月球上。較大的太空飛行器（服務號）擁有充足的燃料，可以進行幾次變軌，加上地月系統中作為主導的地球引力牽引，最終石頭與太空人回家。
火星回不來
登月整個過程非常流暢，完美，並沒有什麼好質疑的。現在的他們已經瞄了火星好久，火星的單程路程需要至少39天，而月球來回只用8天，距離預示著燃料。而火星比月球大得多得多，逃逸速度約為5km/s。往火星送個探測器，登陸車對於人類來說問題不大。
如果想要從火星起飛，並且攜帶大量燃料以及生活物資返回地球就是難事了，迷你發射架與發動機無法使龐然大物達到逃逸的速度。我們需要在火星有發射基地，並且能利用並開採火星上的燃料才能返航，因此至今為止美國人都還沒有把人送到火星上。
阿波羅計劃結束
從阿波羅11號，阿姆斯特朗打了個頭後，阿波羅計劃多次成功登月，在月球各處插了不少旗子，最後也插累了，石頭該撿的也撿了，沒有什麼新鮮感了，關鍵超級費錢。於是在阿波羅17號之後，美國人終止了阿波羅計劃。能邁出一大步，再邁回來，這是高手的操作！