4個奇妙的登月方案，為何最後一個讓人類成功登上月球？

上文書講到了蘇聯為登月的火箭方案頭疼。現在的 R-7 系列火箭顯然是不夠用的，這款火箭的潛力也都挖得差不多了。要知道，在地球的引力場範圍內，飛得越高，需要的能量就越大。這就是一個用火箭燃料的化學能去換取引力勢能的過程。火箭把上面級推進地球軌道以後，全靠上面級自己的燃料從地球軌道飛向月球軌道，這還不算，還要落下去，這是要花費額外的能量的，下去以後還要返回，還要上來。這也要花費能量。滿打滿算，上面級怎麼也要 100 噸的重量，其實登月艙和火箭只佔小頭，大頭是燃料。

也就是說，一級火箭起碼要有這個本事，把 100 噸的東西送進地球軌道。現在東方號和上升號飛船也就那麼幾噸，差的太遠了。美國人也一樣，雙子座飛船也不大。

雙子座飛船很小，不滿足登月的需要

這簡直是一個連環套，上面級輕一點，整個火箭就可以小一點。怎麼才能讓上面級輕一點呢？換用高能燃料是個辦法，每公斤燃料含有能量最大的是氫，一公斤氫氣完全燃燒，可以產生 1416 億焦耳的熱量，汽油只有 473 億焦耳。柴油更低，只有 448。數值上差的太遠了。

但是氫有個毛病，體積巨大，密度低的可憐。即便是壓縮成了液態氫，密度也很小，大概是 70.8 公斤/立方米。要知道 1 立方米的水，剛好是 1 噸重，差了不止 1 個數量級。煤油比水輕，也要 820 公斤左右。液態氫小了 10 倍都不止。那麼大的罐子，其實沒多重。

液態氫溫度非常低，低於-252℃

液氫的另一個麻煩是溫度極低，氫氣是僅次於氦氣，第二難液化的氣體。必須冷卻到 -252℃ 以下，這個溫度非常的低，隔壁的液氧溫度是 -183℃，溫度差了幾十度，這兩者的溫度差就會是一個超級大麻煩。液氧碰到液氫，立馬凍成固體的冰坨子。

儘管麻煩很多，但是，氫氧發動機的優點真的很誘人，氫氧發動機的比衝比煤油發動機要高不少，特別適合上面級使用。比衝這個概念大約就相當於「百公裡耗油」，比衝越高越好，你能不能開到目的地，就取決於百公裡耗油和你帶了多少油，只要這兩個數相乘是夠用的，你早早晚晚都能到。省油就可以少帶油嘛，那不就輕鬆嘛。

最終，美國人決定去啃這塊難啃的骨頭，因為未來的巨型火箭是缺不了這個東西的。這就是 J-2 氫氧發動機，這東西對如今航天市場的格局都有重要的影響。

直擊月球方案

與蘇聯人的徘徊不一樣。美國的 NASA 倒是完全發揮了統一協調的作用，早早就開始論證登月的技術路線。如果要造一枚巨大的火箭，直接飛向月球，那麼這枚火箭的起飛重量起碼要 4000~5000 噸。這簡直是天方夜譚，不要說當年，就算是現在，也沒有這樣的火箭。所以這個方案顯然是不靠譜兒的。

第二個方案就算地球軌道集合的方案。用大型火箭發射登月艙，在地球軌道上先慢慢轉悠。然後再發射一枚火箭，運送屁股後頭的一大堆輔助艙段。在太空裡交會對接，把登月艙和輔助艙段拼裝好，再開動火箭飛向月球。到了月球，直接下去。然後在月球上溜達溜達，搬幾塊大石頭，採集樣本帶回地球。這個方案的好處是不用一次性把整個登月艙和輔助艙段送上太空，那也就不需要巨型火箭了。但是當時根本沒有人掌握交會對接技術，行不行啊？

第三個方案就算月面集合方案。先用火箭把返回艙和亂七八糟的輔助物資發射到月球上。等這些東西都落了地，安頓好了。再派第二枚火箭帶著太空人飛過去。這時候，火箭不帶那麼多東西，相對來講，不用那麼大。太空人必須坐著登月艙精確地落到月亮上的返回艙附近。在月球表面折騰完了，扛著大石頭，徒步走一小段，來到返回艙，乘坐返回艙升空，飛回地球，登月艙咱就不要了。

其實這個辦法也不是很靠譜兒，因為對落月的精度要求非常高。你要是登月艙落到離返回艙好遠的地方，太空人就回不來了。他們哪有這個體力在月球上徒步幾十裡地啊？不可能的。

那麼，在月球軌道上完成拼裝行不行呢？地球軌道的交會對接都八字兒還沒一撇呢？就考慮千裡迢迢飛到月球軌道去對接？這是哪根筋搭錯了吧？

約翰·胡博爾特在解釋他的登月方案，這一方案最後變為現實

最靠譜兒的一個辦法，那就是飛到月球附近，被月球的引力捕獲，飛船聯合體成了月球的衛星，咱不下去。下去，那就是勢能變成了動能，在落到月亮上的一刻，動能全都消耗光了。再飛離月球，還要付出相同，甚至是更多的能量。這樣是非常不划算的。只要讓登月艙這一小坨下去，指令艙+服務艙那麼一大坨仍然停留在月球軌道，這是最划算的了。

最終，阿波羅計劃就是按照這個思路走的。即便是這最靠譜兒的方案，美國人當時也沒把握。因為要想讓 2 個太空人登上月球，他們要把 140 噸的大傢伙送上地球軌道，這是一件非常難辦的事兒。

布勞恩和甘迺迪，左側是土星-1型火箭模型

研發這種大型火箭，重擔就落在了馬歇爾太空中心的掌門人馮·布勞恩的肩上。其實布勞恩早就憋著造大型火箭呢。但是他也是心急，他巴不得早點登月，因此在 50 年代末，他就開始研發土星系列火箭了。他以前研發的火箭不是叫「木星」嘛。下一枚火箭肯定叫土星嘛。他還是想在地球軌道拼裝成聯合體，然後再飛向月球。他的土星火箭就是按照這個思路去做的。

在 50 年代末，布勞恩手裡擁有的發動機也就是洛克達因的 H-1 發動機。更大的 F-1 發動機還在研發之中。這東西被用在納瓦霍飛彈上，後來還在紅石飛彈上也用過。現在最新的改進型，推力也才幾十噸。發射大型火箭是肯定不夠的。只能多枚火箭捆綁在一起使用。所以，最早的 C-1 構型運載火箭顯得有點土，因為構造太難看，燃料箱都是分離的，一個發動機配一個，你想想這毛重要增加多少啊，一根一根分離的管子，這都是皮啊，要是合在一起，不是更節省嘛，當時沒這個技術，穩妥起見，還是分開吧。

土星-1型火箭第一級是8臺H-1發動機

C-1 火箭 1963 年改名叫土星 1 型火箭，這是土星火箭家族的開山之作。第一級捆綁了 8 個 H-1 火箭發動機，內圈 4 臺，外圈 4 臺，足足的一大捆。

火箭的第二級採用了 6 臺 RL-10 氫氧發動機。RL-10 算是美國人第一次嘗試使用氫氧作為燃料。反正第一個吃螃蟹的難免出事兒。炸掉試車臺這種事兒，他們是碰上好幾次。火箭發動機不炸才怪，就是炸出來的。這臺原始版本的氫氧發動機，比衝達到 433，液氧煤油的 H-1 發動機，比衝才 289，氫氧發動機的比衝優勢是很大的。但是這臺發動機的推力卻很小，只有 7 噸的樣子，6 臺也不過才 40 多噸。

第二級裝有6臺RL-10氫氧發動機

布勞恩就用這兩級火箭拼裝出了第一代的土星火箭，也就是土星 1 號。土星 1 的第一級是在克萊斯勒工廠製造的，第二級是在加州的道格拉斯飛機公司製造。NASA 是個不錯的教練員，帶著這些防務承包商一起進步。1961 年，土星 1 型火箭開始測試飛行。布勞恩他們還是比較謹慎的。第一次發射，上面的第二級是假的，是個配重。第一級是真的，就是看這個第一級工作正常不正常。實驗還是很圓滿的，第一級的 8 臺 H-1 發動機把火箭送進了 136 公裡高的亞軌道。

後來，在 1962 年和 1963 年又搞了幾次測試。都是只測試了第一級，但是上面的配重越來越重，飛得越來越高，但是都是亞軌道。一直到 1964 年，才把真正的第二級給裝上。真正飛進了遠地點 760 公裡，近地點 264 公裡的軌道。有效載荷足有十幾噸重。按照這個量級。拼湊成登月飛船聯合體，起碼要發射 10 次，拼裝 9 次啊，這多麻煩啊。所以，布勞恩也就明白了。靠這個土星 1 號火箭，離登月還很遠。

布勞恩當時規劃了從 C-1 到 C-4 各種火箭發動機的搭配。其中 C-2 和 C-3 都沒落到實處，只是一個構想。倒是 C-4 比較靠譜兒，那就是第一級用 4 臺巨大的 F-1 發動機，第二級用 4 個 J-2 發動機，第三級用 1 個 J-2 發動機。J-2 發動機的推力足有 100 噸，比現在的 RL-10 大多了。

C-4 火箭只要兩枚，就能在太空裡拼裝出登月飛船聯合體。布勞恩算計著，這總夠用了吧。這時候，手下的技術人員提出了新的建議。假如放大 C-4 火箭。第一級用 5 臺 F-1 發動機，第二級用 5 臺 J-2 發動機，這樣的火箭就足夠採用月球軌道停留方案實現登月。

也就是火箭直接把登月飛船聯合體送到月球軌道。然後登月艙下去，實現登月，指令艙和服務艙在太空軌道裡等著，等到月面上的事兒搞定了，登月艙返回太空，再和指令艙對接，把人裝進指令艙，拋棄登月艙，大家返回地球。

NASA 覺得這個辦法是最合理的，於是，布勞恩就按照這個構想設計了一個新的型號，那就是 C-5，這種火箭就是日後大名鼎鼎的土星 5 號。

土星-1B型火箭可以打阿波羅飛船，也能打一般的載荷

可是，如果要測試阿波羅飛船，當然不需要把飛船打到月球軌道上去。只要在近地軌道進行測試就可以了，當然就犯不上使用那麼巨大的土星 5 號火箭。用小火箭打上去就行了。為此，布勞恩還要改進土星 1 型火箭。把第二級的 6 臺 RL-10 發動機，改成 1 臺 J-2 發動機。這就是後來的土星 1B 火箭。你會發現，土星 1B 的第二級和土星 5 號的第三級幾乎是一樣的。沒錯，都是用了一臺 J-2 發動機，這倒是一舉兩得。

所以，美國人的計劃已定，剩下就是甩開膀子加油幹了。蘇聯人還在到處轉悠，猶豫不決。科羅廖夫要研發新型火箭，那麼他所要做的，也和美國人是一樣的。你起碼要把 100 多噸的東西送進近地軌道吧，否則免談。

科羅廖夫 vs 切洛梅

科羅廖夫去找格魯什科，兄弟啊，你那裡有沒有大號的煤油發動機啊。格魯什科腦袋搖得跟撥浪鼓一樣。液氧煤油發動機，我這兒裡沒有大號的，我在研究常溫燃料發動機，沒空鼓搗液氧煤油。

常溫發動機就是偏二甲肼、四氧化二氮作為燃料的發動機，反正都是聯胺類的燃料。這東西都是有強烈腐蝕性，有劇毒的燃料。但是好處是常溫下是液態的，不需要伺候那麼冷的液氧，特別適合洲際飛彈，可以提前加注。

環保鬥士科羅廖夫特別不喜歡毒發動機，因為這東西比較危險，而且比衝不高，他一扭頭，拋開老搭檔格魯什科，找庫茲涅佐夫去了。另一邊，切洛梅就非常喜歡這種毒發動機。他設計的 UR500 火箭，用的就是毒燃料。這枚 UR500 火箭很特別，甚至有點另類。

蘇聯四海分割，互相不連通

蘇聯的地理位置，實在是不佔便宜。蘇聯四海分割，北邊的北冰洋沿岸，常年冰封，交通不便。太平洋地區又遠離經濟中心，海參崴被對面被日本擋住了進出太平洋的路。黑海是個內海，被土耳其掐住了黑海海峽的出口，即便是進了地中海，仍然是在澡盆裡打轉轉，波羅的海也是個非常狹窄的海域。

所以，蘇聯發射火箭一定是在陸地上，因此才選定了拜科努爾。只要是在地上，火箭就必須靠鐵路運輸。那就必然受到隧道的限制，火箭是不能太粗的。所以，火箭直徑就沒辦法超過 4 米。造超大火箭，首先這一關就過去不去，直徑就受到限制。除非在拜科努爾進行組裝，在拜科努爾建立廠房。但是這個廠房和在大城市周邊的相比，條件肯定是不好嘛。這就是蘇聯的一大麻煩。美國人沒這個問題，可以用船運到卡納維拉爾角。工廠選址，儘量靠海或者是靠近河邊。

UR-500的後繼型號

切洛梅設計的 UR-500 火箭，首先就要考慮到這一點。所以，他設計的火箭，中間是個 4 米粗的氧化劑燃料箱。周圍一圈，布置了 6 臺 RD-253 火箭發動機和燃料儲箱。可以先把光杆火箭拉到拜科努爾，通過隧道沒問題，到了拜科努爾，把周圍的6臺火箭發動機和燃料儲箱給裝上。這時候粗就粗了，沒關係，前方已經不需要過隧道了。所以。切洛梅設計的 UR-500 火箭雖然看起來好像是捆綁火箭，其實不是。只是第一級的發動機在周圍擺了一圈，中間杆子上是沒有發動機的。

早期的UR-500火箭

這顆 RD253 發動機可不簡單。格魯什科不愧是火箭發動機大師。這臺發動機用到了補燃技術，或者叫分級燃燒技術，當時只有格魯什科的設計局掌握。目前，液氧煤油的高壓補燃技術也只有俄羅斯和中國是實用化的。美國後來在氫氧發動機上採取過部分分級燃燒，煤油機也研究過，但是沒有實用化。目前 SpaceX 的馬斯克在全力以赴攻克液氧甲烷的全流量分級燃燒技術。可見這種技術是每個火箭發動機研究者都夢寐以求的。

布勞恩早期的火箭發動機，都要帶上過氧化氫，用過氧化氫的催化分解來驅動渦輪泵，這個泵把大量的燃料壓進火箭的燃燒室，點火燃燒，產生巨大的推力。這就是火箭發動機的基本原理。但是，每次總要帶過氧化氫，似乎有點多此一舉。

使用燃氣發生器循環的發動機結示意圖

於是，就出現了第二個辦法。用火箭的燃料，先送進一個小燃燒室燃燒，產生的熱氣吹動渦輪泵，渦輪泵把燃料送進噴管的管壁上走一圈，噴管裡邊其實就是主燃燒室，先利用噴管給燃料預熱，順便也幫著噴管降溫，省得被燒壞了，然後加熱以後的燃料被壓進主燃燒室，點火燃燒，產生巨大的推力，這就是所謂的燃氣發生器循環。

廢氣沒有用啦，直接弄個管子排掉就行了。這點廢氣不產生推力，主要能量都用來吹渦輪泵了。土星 5 號用的 F-1 發動機推力巨大，推力大約 700 噸，這個渦輪泵的功率就有驚人的 5.5 萬馬力，1 秒鐘要向燃燒室送進 5.8 萬升煤油和 9.4 萬升液氧。一眨眼的功夫，這麼多燃料就燒光了，全都噴出去了。

F-1發動機左側的那跟管子，就是排放驅動渦輪泵的廢氣的，採用燃氣發生器循環的發動機必定有排放廢氣的管子

這種燃氣發生器的方式能夠簡單粗暴地把發動機做的非常大，變態的大。F-1 發動機到現在也是最大的單噴管火箭發動機。俄羅斯的 RD-170 推力比它大，但是噴管也比它多。但是，F-1 的比衝是很難看的，只有 260 多，人家 RD-170 的比衝有 300 多呢。RD-253 這顆毒發，比衝也比 F-1 要高。

這個分級燃燒技術究竟是怎麼回事兒呢？為什麼這個技術就這麼誘人呢？

我們下回再說。