嫦娥五號月球表面無人採樣返回地球，美國科技領先，為何不做？

2020-12-15 老粥科普

阿波羅計劃前無古人

1969年7月，阿波羅11號的阿姆斯特朗與奧爾德林登上月球，邁出了「人類的一大步」。兩名太空人在月球上度過了21小時36分。他們插了星條旗；放置了一個雷射角反射鏡和月震儀；從著陸器附近採集了20千克玄武巖、角礫巖石和一些月壤；與尼克森總統通了電話、還拍了許多照片和視頻錄像帶；甚至還通過無線電向地球傳送了太空人在月面活動的影像。

阿波羅11號太空人月面活動錄像

在幹完所有事情後，兩名太空人回到代號為「鷹」的著陸器，準備回到地球。就在這時候，奧爾德林的航天服把儀錶板上一個控制發動機開關的手柄給碰斷了，如果開關打不開，上升火箭無法供電，「鷹」就沒辦法離開月球。兩名太空人折騰了好一會兒，出了許多汗，最後用一支筆插進去把開關給擰開了。

奧爾德林用這支筆觸發了開關

國際標準時間7月21日17:54:00，隨著爆炸螺栓解鎖，「鷹」從月球表面騰空而起，向上進入環月軌道；21:24與等候在環月軌道上的「哥倫比亞」指令艙會合；21:35兩艙成功對接；23:41「鷹」被拋棄，阿波羅飛船開始返回地球；7月24日，阿波羅返回艙濺落在太平洋上。

阿波羅11號在環月軌道上純手動對接

阿波羅11號登月的整個過程出乎意料地順利。除了奧爾德林將開關碰斷又奇蹟般地用一支筆挽救了「鷹」之外，另一個可以拿出來說道的波折發生在地面：在阿波羅飛船返回的過程中，關島地面站的天線「軸承卡住了」，為了保證通訊暢通，站長先生10歲的兒子格雷格站了出來，用他的小手伸入機器為軸承抹上黃油，再一次拯救飛船。為此阿姆斯特朗特意向這個孩子表達了感謝。

美國是如何做到的？

經常有人以阿波羅登月為例，說美國科技領先我們50年。那麼50年前美國人究竟是如何做到這一切的？

太空人在月面上放置地震儀

從大環境講，當時正處於美蘇全方位爭霸的時期，蘇聯在太空探索方面先行一步，他們第一個發射了人造地球衛星，第一個將太空人加加林送入太空，第一個發射了環月衛星並在月球實現了無人探測器軟著陸。美國作為當時世界上新興超級大國自然不甘人後，甘迺迪總統發誓要在1970年前將人類送上月球。

鑑於上世紀六十年代的主流計算機仍處於龐大笨重的電子管時代，電晶體是新生事物，由幾個電晶體集合而成的集成電路剛剛被發明，即便是美國也沒有能力實施遠距離的無人深空探測，因為這需要計算機強大算力支持，並且這臺計算機要足夠小足夠輕，沒有人能做得到。

1960年代計算機部件快速發展，阿波羅依然採用磁芯存儲器

解決問題的唯一辦法是人。用經過長時間反覆訓練的人來完成本應由計算機完成的大量工作，算計力有限的算機則作為輔助工具進行彈道運算，而將人送上月球就需要依賴龐大的運載火箭。

馮·布勞恩與土星五號引擎

二戰之後，美國和蘇聯從德國網羅了一大批科學家，其中就包括著名的航天科學家馮·布勞恩。在他的領導下，美國打造出了空前絕後的F-1火箭發動機和同樣空前絕後的「土星五號」運載火箭。美國人的思路是這樣：既然我無法實現登月的自動化，乾脆就用大火箭把人送上天，讓人去充當傳感器和計算機，這樣一舉多得。

如果你翻一翻阿波羅計算機留下來的檔案文件，就會赫然發現，阿波羅的太空人們個個都是"話癆"，他們與休斯頓中心的通話從來就沒中斷過，事無巨細都會與地面溝通，包括聽到了什麼聲音、哪個指示燈亮了、將要撥動哪個開關等等，簡直是「口水多過茶」，無線電因此成了阿波羅機組的生命線。

太空人通過語音與休斯頓密切溝通

最原始的導航

儘管月球是距離地球最近的一顆星，但38萬公裡的距離對於人類來說依然是徵途漫漫。中國古人說「失之毫釐謬以千裡」，用在登月之旅上是一點也不為過。阿波羅的太空人是怎麼把飛船開到月球又準確登陸的呢？

首先，NASA讓麻省理工學院和雷神、IBM公司一起聯合打造了幾臺導航計算機，分別裝在土星五號火箭、阿波羅指令艙（返回艙）和著陸器-上升器組合體「鷹」裡。這幾臺計算機主要用於計算火箭彈道，調整發動機推力及控制方向。

阿波羅指令艙控制面板密布開關，中部偏右是導航計算機

但那時候計算機的算力和存儲量不僅不如今天的一臺計算器，甚至比一張音樂賀卡的晶片還差，你不能指望它做太多的事情。阿波羅登月主要依靠人。

在阿波羅飛船裡安裝了複雜的光學觀測設備，包括帶刻度的望遠鏡、還有可調節的太空六分儀。太空人需要記住太空中一些恆星的位置，以及它們與太陽、月亮的相互關係，用望遠鏡和六分儀測量角度，再把參數手動輸入計算機，看飛船是不是偏離了目標。

太空人依賴六分儀和星圖導航

而在登月的過程中，太空人則需要記住登月艙下方月球表面的地形地貌，哪兒有一座山、哪兒有一個坑、哪兒有一條溝，用六分儀瞄準它，再用計算機計算。當計算機死機時，太空人需要手動控制操縱杆引導飛船著陸，當然，這時候太空人很忙，他們沒時間再去翻厚厚的導航日誌。因此在長時間的地面訓練中，太空人需要反覆對照畫師們畫在牆上的月面照片，把它背下來並諳熟於心。

太空人需要記住月面地形以便手動降落和起飛

50年前美國能完成嫦娥五號的任務嗎？

答案顯然是：不能。

50年前的科學技術水平儘管已經突飛猛進，但完全無法做到自動化和智能化。當時的美國為了奪得太空競賽的領先地位，不惜血本打造強大推力的土星五號飛船，將人送上太空、以人的眼睛代替傳感器、以人的大腦代替計算機、以人的雙手代替自動控制設備，加上地面強大通信能力的密切配合，才能實現載人登月的壯舉。

而對於月球無人軟著陸、月面無人探測、採樣和封裝、月球軌道無人控制、交會對接等等技術，你首先需要的是高靈敏度的傳感器和控制器、強大的計算機、部分人工智慧、地面精準遙測技術以及高速超遠程無線數字通信支持。而這一切在上世紀六七十年代都是無法想像的。

阿波羅11號拍攝的地球更漂亮

在阿波羅計劃結束後的幾年裡，蘇聯人一共完成了三次月面無人採樣和返回，他們採用的辦法是上升器跳過環月軌道接力，直接從月球表面發射回到地球。在嚴格的荷載限制下，月球-24號飛船僅取回170.1克月壤樣本，但這已經是相當了不起的航天科學成就了，美國一次也沒有做。

時代在發展，科學在進步，美國在月球探索上確實曾經走在世界的前面。同時我們也看到，四十多年來美國人再沒有踏足過月球，未來十年他們也沒有能力再次回到那裡。我們正迎頭趕上，嫦娥五號不僅實現了月球採樣返回，同時也為將來可能的載人登月完成了技術驗證，只要我們願意，就必然能夠做到。

嫦娥五號月面起飛返回地球

我們的徵途是星辰大海！

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