50年前的壮士出征：个人的一小步，人类的一大步
2019/7/17 17:19:07愿开心 中国科普博览
抬头仰望，月亮很大，很圆。
五千年以来，月球在无数中国人眼里，映照出重重倩影。
在人类文明史上，浪漫、神秘的月球，是许多幻想的摇篮。
种种奇观、种种秘境，这颗距离我们最近的自然天体，上面到底有什么？她的面纱下，又隐藏着些什么？五十年前的今天，1969年7月16日，有三位勇敢的人，驾着一叶扁舟，一叶人类工业最顶尖技术凝成的扁舟，开始了一场伟大的冒险。
尽管这场探险充满争议，带着谜团。但这是人类第一次离开摇篮，踏上异星。五十年后的今天，我们暂且放下纷争，来纪念人类这次，迈向星辰大海的旅途——阿波罗11号。
1
国运豪赌
不是所有伟大的探险都来自于一个伟大的目的，就如同哥伦布发现美洲大陆的故事一样，阿波罗探月计划，也并不是从一个伟大的梦想开始的。
1961年4月12日，绝大多数人都已经忘记这个日子。但在大约60年前，这个日子，让整个美国陷入了恐慌——苏联人，将一位勇敢的探路者：尤里·加加林，送入了地球近地轨道。
尤里·加加林在Vostok-1号上
人类的灯塔，当然需要指明人类前进的方向。一旦灯塔不再代表先进，那么对于美国这样一个历史短暂、民族混杂的国家，将是毁灭性的。
将近一个月后的5月5日，美国才借助由红石火箭搭载的水星3号飞船，将一名宇航员送进太空，但是只是像一颗炮弹一样，打出一个抛物线，抛物线的顶端离开了大气层。这比起尤里加加林的轨道飞行，简直是天壤之别。
水星-红石3号发射
约翰·F·肯尼迪是一位锐意进取的美国总统，他的竞选承诺之一，就是要让美国在太空探索和导弹防御方面全面领先。然而刚刚上任，他就被NASA的白宫顾问提交的天量资金预算劝退，最终只批复了与洲际导弹比较相关的重型火箭的研制。
但是这一刻，他知道这条路不得不走了。
1961年5月25日，肯尼迪在美国国会发表演说，宣布启动载人登月计划，并在1960年代末之前，把人类送上月球。
当时NASA的科学家们切身体验了一把，领导一张嘴，下属跑断腿的经历。航天是精密但庞大的系统工程，但是美国在载人航天方面，几乎是一穷二白，连足够发射探月火箭的发射场、宇航员培训和测试装备的研发中心都没有。那怎么办？鹰酱决定学习毛熊。
于是美国又一次，开始了举国体制。
40万员工，相当于当时美国每125名适龄人中就有一人受雇用。250亿美金，相当于2018年的1530亿美元。2万多家工业机构和大学，以及整个国家，投入到这一件事情中去。
1962年9月，美国总统约翰·肯尼迪发表了一段著名的演说：
……But why, some say, the moon? Why choose this as our goal? And they may well ask why climb the highest mountain? Why, 35 years ago, fly the Atlantic? Why does Rice play Texas?
We choose to go to the moon. We choose to go to the moon... (interrupted by applause) we choose to go to the moon in this decade and do the other things, not because they are easy, but because they are hard, because that goal will serve to organize and measure the best of our energies and skills, because that challenge is one that we are willing to accept, one we are unwilling to postpone, and one which we intend to win, and the others, too.……
这激奋人心的演说，一时间成为了阿波罗登月计划的背景音乐。每当人们回想起阿波罗，就总有这样一个慷慨激昂、信心百倍的声音在回荡。
但是其实，肯尼迪先生掷下了手中的所有筹码，赌上了国运，进入了未知——也许他其实心里慌得一批吧。
2
美国速度
今天我们都惊叹于中国基建和科研的发展速度。但是在50年前，举国大干阿波罗的美国人，一样是神速的。
1962年11月，卡纳维拉尔角的航天发射中心综合发射设施#39开始动工，后来用于组装和发射搭载阿波罗系列飞船的土星5号重型运载火箭，也用于发射航天飞机。直到今天，网红火箭重型猎鹰，也是在39A发射台发射。当然，比起土星五号，重型猎鹰连弟弟都算不上。
对比地面上蚂蚁一般的轿车，来体验39号综合发射设施的宏伟和土星5号火箭的巨大吧。
同月，登月方案最终敲定，确定为月球轨道对接模式——这将是所需发射重量最轻，最有可能在1969年末之前，将人类送上月球的方案。
最终敲定的LOR方案示意图
1963年9月，仅仅两年时间，全新的载人航天中心在休斯顿落成，用于测试装备、训练宇航员等科研工作。如果当年有微博，少不得赞叹一句美国速度。这个航天中心后来为纪念林登·约翰逊，改名为约翰逊太空中心(JSC)，也就是我们在电影中经常听到的“Houston, we got problem!”的那个休斯顿。
1963年11月，肯尼迪遇刺身亡，副总统林登·约翰逊继任，由他提议，将卡纳维拉尔角的航天发射中心改名为肯尼迪太空中心(KSC)。肯尼迪永远也见不到由他开启的事业的实现，但他对整个世界载人航天事业的影响是巨大的。
肯尼迪太空中心
1964年5月到1966年1月，四次火箭发射逃逸装置测试实验依次执行。
1966年2月26日，AS-201，阿波罗计划的1号无人模拟测试发射，并进入轨道。
1966年7月5日，AS-203，3号无人模拟测试发射，验证了土星1号B的点火能力。
1966年8月25日，AS-202，2号无人模拟测试发射。1、2号测试验证了服务舱引擎和指令舱热盾的性能。2号因阿波罗飞船飞行准备问题，而延迟在3号之后。
1967年1月27日，在一次地面模拟发射倒计时试验中，实验舱出现故障，电火花引起了火灾，三名宇航员当场窒息死亡。这次故障由于舱内采用纯氧，火势刚一开始就无法控制。后来，所有的载人航天项目，舱内都改用氧-氮混合气体，阿波罗计划的宇航服也做了调整，变为了防火的宇航服，颜色也才变成我们所熟悉的白色。
阿波罗1号烧焦的指令舱
因为这次事故，NASA的局长换成了George Low。
1967年4月24日，阿波罗任务编号表发布，介于已经有3次无人任务发射升空，后续任务从4号开始计数。为了纪念上面提到的牺牲的三名宇航员，将他们的任务命名为阿波罗1号。
1967年11月9日，前无古人后无来者的巨型火箭——土星五号，搭载阿波罗4号升空。这是土星五号的第一次发射。阿波罗4号没有载人，执行了以月球返回轨道速度再入大气层的实验。月球返回轨道再入速度是远大于近地轨道再入速度的。
土星5号尺寸示意图，高达101.6米
1968年1月22日，土星1B火箭搭载阿波罗5号无人飞船入轨。这是阿波罗飞船的月球模组LM(Lunar Module)，第一次进入地球轨道。实验中，LM上升段引擎意外在逃生模式中点火，出现故障。格鲁曼公司认为应该再进一步做实验，但最终，NASA还是决定下一次LM任务应当载人。
1968年4月4日，阿波罗6号发射，第一次载人，本是为了测试地月转移轨道的点火、应急放弃模式，并执行一次高速的大气层再入。然而土星五号的部分引擎出了问题，导致2级和3级火箭的损坏。最终只借用服务舱的引擎重复了一遍阿波罗四号的实验。
尽管连续出了两次很严重的故障，但是NASA局长George Low认为，下一次任务已经足够安全，可以载人了，直接取消了第三次无人测试。(我不知道当时宇航员心里的阴影面积到底有多大)
1968年9月15日，苏联的Zond-5号携带了一系列小动物，进行了环绕月球轨道的飞行。
前苏联Zond-5 纪念邮票
1968年10月11日，阿波罗7号携带三名宇航员执行了为期11天的地球轨道飞行，检验了指令舱的性能。
1968年12月21日，阿波罗8号发射，成为了第一艘环绕月球的载人飞船。
阿波罗8号在月球轨道上拍摄的地球
本来阿波罗8号要执行另一个比较简单的地球轨道任务。但是一方面，眼看着刚造出来的LM部分一堆致命问题，没办法使用；另一方面，苏联人又刚刚将小动物送进了月球轨道，并可能在近期发送宇航员进入月球轨道。George Low一寻思，当即决定，算了，阿波罗8号直接去月球吧!
在阿波罗7号任务成功之前，这个决定一直是保密的。不得不说虽然美国人标榜自己是人权的捍卫者，但是美国人的选项里，从来就没有人权这两个字。
在美国的圣诞夜，三名宇航员吸引了全世界的注意，并将大量的月球轨道上的画面送进无数家庭的电视机。
1969年3月3日，阿波罗9号发射。本来阿波罗9号预计在2月发射，然而三名宇航员同时患上了感冒。这次任务实现了阿波罗飞船的在轨对接和EVA(Extra-Vehicular activities)，也就是出舱行走。
1969年3月18日，阿波罗10号发射。这次任务被称为是阿波罗11号的“带妆彩排”。除了真正登陆，其他所有在阿波罗11号上将要进行的任务，包括分离-再次交会对接，都执行了一遍。
观察上面这几个载人任务的时间安排，如此紧凑，而又如此冒险，说明阿波罗计划所用到的飞船，在制造之初，就没有考虑过失败。毕竟强敌在前，箭在弦上、不得不发。
一方面，当然可以像我之前所调侃的那样，指责美国人没有一点点人权，那些宇航员只是NASA的人肉飞行控制电脑。
但是另一方面，人类在探索的过程中，这种野心、激情甚至一点点疯狂，可能也是成功的关键要素吧？
3
“鹰已着陆”
超过一百万群众现场观看
一位美国副总统，一位美国将军，四名总统内阁，19名州长，40名议员，60位大使。
前总统约翰逊，也就是肯尼迪的副手。
3500家媒体，其中有3分之1来自于55个国家。转播到33个国家，共计2千5百万美国人通过电视观看。
这就是阿波罗十一号的发射现场。
1969年7月16日，这是50年前的今天。
13:32:00 UTC(世界协调时间，比北京时间慢8小时)土星5号AS-506搭载阿波罗11号升空。
+13.2''，重力转向72.058°
13:34:42 UTC，一级引擎关机，一级火箭分离，二级火箭点火
13:41:08 UTC，二级引擎关闭，二级火箭分离，三级火箭在数秒后第一次点火
13:44:00 UTC，阿波罗11号到达了远地点185.9km，近地点183.2km的近地轨道。
16:22:13 UTC，三级火箭再次点火，将阿波罗11号推入地-月转移轨道。
大约30分钟后，指令舱“哥伦比亚”与三级火箭分离，调头，再与刚刚分离的三级火箭内安装的登月舱“鹰”对接，将后者从三级火箭中拖拽出来。抛弃三级火箭。
在这之后，由于轨道速度的细微差别，阿波罗11号将会从月球公转方向前方切入月球轨道，而三级火箭将从后方切入。由于引力弹弓的效应，阿波罗11号将实现引力减速，哪怕点火失败，也能够回到地球。而三级火箭将被引力加速，抛向环绕太阳的轨道。
7月19日，经过三天的飞行，阿波罗11号终于到达月球附近。
月球景观，以及在“鹰”上拍摄的“哥伦比亚”
17:21:50 UTC，阿波罗11号经过月球背面，服务舱引擎点火，减速进入月球环绕轨道。接下来的13圈轨道飞行中，成员反复观察预定的着陆地点。
预定的五个着陆地点，最终选定了2号
7月20日，这是人类历史上极为重要的一天。
12:52:00 UTC，奥尔德林和阿姆斯特朗进入登月舱“鹰”，进行着陆的最后准备。
17:44:00 UTC，“鹰”与“哥伦比亚”分离，科林斯独自留在指令舱“哥伦比亚”上，观察确认“鹰”的起落架正确展开，“鹰长出了翅膀!”。
从哥伦比亚上拍摄的“鹰”
从“鹰”上拍摄的哥伦比亚
随后“鹰”开始下降，两名宇航员发现，“鹰”比预期要早2秒左右经过地面特征标记，因此推断将比预期的着陆点更偏西。
下降过程中，LM引导电脑(LGC)，反复报出1201和1202程序警告。但任务控制中心认为问题不大，要求继续下降。
下降过程中，阿姆斯特朗发现，电脑选定的目标处，石块比较多，于是决定避开此区域。他切入了半自动驾驶模式。
他赶紧调整引擎指向，维持住飞船的高度。
这个时候，它们的燃料预警灯亮了，意味着还剩5.6%燃料，大约还能用114秒，要么着陆，要么放弃。
倒计时开始。引擎从月面吹起粉尘。燃料还剩80秒。
阿姆斯特朗全神贯注，以从扬起的粉尘中观察着陆地点。奥尔德林在一边负责读出飞行参数。燃料还有65秒。
四个着陆支架中的三个下方，有1.5米长的探针，接触到地面，舱室中的接触警报灯就会亮起。燃料还剩20秒，着陆!
引擎关机!此时只剩下98kg燃料。
“休斯顿，额。。。。”阿姆斯特朗停顿了一下，随后他改口道：
“这里是静海基地，鹰已经着陆!”
一时之间，整个任务控制室内的人，都仿佛活了过来!控制中心的联络员，Charles Duke，激动地说话都不利索了，在重复静海这个词的时候，舌头一度打结。
“我们收到你们已着陆，你让我们这儿的人脸都憋蓝了，我们现在重新有呼吸了，非常感谢!”
这里是月球参考系，北纬0.71°, 东经23.63°。鹰已着陆。
这是1969年7月20日，周日，20:17:40 UTC。
4
在月球搞地球科学
登月之后，两人稍作休息，为EVA作了一番准备。本来任务规划中，两人应当先休息5个小时，但是两人都觉得自己根本睡不着。
奥尔德林还做了一番祷告。奥尔德林是他家乡一处小教堂的长老，这天也正值周日。彼时，NASA正面临一位无神论者的诉讼，这位无神论者认为，阿波罗8号的乘员在太空中诵读圣经，举办宗教活动，是非常不妥的。奥尔德林因此在私人频道完成了祷告。
事实上，美国作为基督教国家，连总统上任都要对圣经宣誓。无神论者的抗议，也只能是徒劳。
阿波罗11号的指挥官尼尔·阿姆斯特朗首先出舱。
1969年02:56:15 UTC他留下了家喻户晓的名言：
“That's one small step for man, one giant leap for mankind.”
数分钟后，巴兹·奥尔德林也出舱了。
奥尔德林出舱，由阿姆斯特朗拍摄
在两名宇航员出舱期间，登月舱内部是失压的，舱门敞开。倒是不必担心一旦舱门上锁了，会不会两个人就被困在月球上。
两人在插入美国国旗的时候，发现月壤非常松软细腻。但是这层月壤很薄，旗子往下插了一点点(大约5cm)就插不动了。旗子是尼龙做的，有点压皱了，而旗杆是L型的，在旗子上方还有一根横杆。稍微分析一下，就能知道所谓登月骗局里，无风自动的旗子是怎么回事了。这面旗子插得距离飞船有点近，本身又插得很浅，后来被飞船起飞时引擎喷出的气流吹飞了。
到达月球，接下来就要执行科学任务。实际上阿波罗11号的科学任务在着陆瞬间就已经完成了一小半——它本身最主要的使命，就是验证人类能否登陆月球。还有一小半，那就是验证人类能否从月球回到地球。所以剩余的科学任务非常简单。
阿波罗11号的被动地震仪
两人先简单采集了一些样品，并塞进宇航服的口袋里，防止在可能发生的紧急撤离时，无法带走正式的样品袋。随后部署了一些科研仪器，包括一台被动地震仪(PSE)，用于测量月震；还有一台反光镜(LRRR)，用于对地球和月球之间进行激光测距。
阿波罗11号的反光镜，防尘罩此时还没有取下
被动地震仪非常灵敏，阿姆斯特朗睡觉翻个身都能检测到，然而在21天后就坏了。此外他们还携带了地质锤和铲子。这么多样科学设备，全都是地球科学主要使用的设备。所以欢迎大家来地质与地球物理研究所。(瞬间出戏并被领导拖走)
阿波罗11号着陆地点和主要科学仪器的位置
奥尔德林用采样管采集岩心样品，他用地质锤敲管子，但是在15cm深度就完全无法敲动了，一共采集了两份岩心。他还用铲子挖了6kg表层土。
因为月球的微重力环境，两人发现所有的工作都比预期的要耗时，只好将记录样品的任务推后进行。
阿波罗11号拍照、仪器布设位置示意图
05:11:13 UTC，两人重新回到登月舱内，关闭舱门。登月舱恢复气压，他们收拾收拾就睡了。
17:54:00 UTC，“鹰”的上升段与下降段分离，登月舱起飞升空，去与哥伦比亚汇合。
他们要回家了。
5
大丈夫，生当如是
21:24 UTC，7月21日，“鹰”的上升段与哥伦比亚交汇。
已经没有了下面的“鹰”，哥伦比亚拍摄
21:35 UTC，对接，他们随后将样品和资料从“鹰”中转移到哥伦比亚上。
23:41 UTC，“鹰”被抛弃，留在月球轨道。哥伦比亚开始准备回到地球。
1969年7月24日，16:50 UTC，哥伦比亚号的返回舱溅落在太平洋上，由大黄蜂号航母救援接回。至此，英雄们的任务终于完成了一半。
为什么是一半呢？那个时候，“月球没有生命”，只是个猜想。所以宇航员经历了严密的隔离，比他们飞行的任务时间还要长，防止他们带回外太空的危险生物。时任美国总统尼克松第一时间与隔离舱内的宇航员们见了一面，发表了一番给民众打鸡血的演说。
到了今天，尼尔·阿姆斯特朗、巴兹·奥尔德林和麦克·科林斯，已经是人类探索太空的标志。转眼五十年，阿姆斯特朗(1930 –2012)已经去世，另外两人也已经垂垂老矣。人类是一种短生的物种，如何在有限的人生中，做出伟大的贡献，永远是人类核心的思考。
阿姆斯特朗、科林斯和奥尔德林并不仅仅代表他们自己，还代表了我们所提到的：那40万NASA的雇员、2万所大学和工厂，代表了一个雄心勃勃，大胆奋进的美国，代表了一段人类争先恐后攀登科学高峰的时代，代表了全人类的好奇心和探索欲。
近些年，人类在科学上的雄心壮志，似乎被一些无关紧要的琐事所消磨，美国也渐渐堕落成了一个只会用贸易战和航母舰队勒索、欺压其他国家的恶霸，更不要说前苏联也自己瓦解了自己，如今全无继续探索的能力和愿望。
正是在这种时候，我们纪念阿波罗11号发射50周年，这次伟大的启程，这次用全国之力托举起来的伟大的探险。我们怀念当初雄心勃勃的美国，我们发出“大丈夫生当如是!”的感慨，不仅仅是瞻仰它，怀念它，而更是希望能够继承它、超越它、升华它。
我们常说，我们的征途是星辰大海。这是我们好奇心的显现，是我们自发的，对探索未知的向往。阿波罗计划起于仓促、成于冒险。如今的我们脚步坚实、目光坚定，又有什么能阻挡我们呢？
毕竟人类的好奇心，生来就是为了战胜不可能!
本文图片来自WikiPedia，NASA，纪录片《Apollo 11》
来源：中科院地质地球所
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