【航天甲子年50講】 04 奔月：從地球到月球

文：晟宇（視頻講解）

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奔月也算是我們神話體系里很重要的一個組成部分，實際上我一直都覺得很錯亂，就是到底是月宮的位置高還是天庭的位置高。這麼看來我很早就註定走上攻城獅的道路。

小時候從朋友處借了很多凡爾納的科幻小說來看，雖然但是覺得有點假，現在看來其實很多部分凡爾納老先生還是推演地很認真的，算是離現代工程很接近啦。而且老先生還預見到了美國人的成功～

星條旗插上月球，實在是太美國的一件事情。阿波羅計劃是美國在太空競賽中的決勝一局，我們曾經在【航天甲子年50講】 01 飛天中介紹過。肯尼迪政府下了巨大的決心，投入了難以想像的 人力、物力來促成這一偉大壯舉。雖然直到今天還有很多陰謀論者認為美國的登月是一個巨大的騙局，但是只要稍微知道一些和阿波羅計劃有關的事實，就知道這個假沒有那麼好造的。整個阿波羅登月計劃共獲得了3000多項專利，培養了大批的科學家，工程師，從這個項目中孕育出來的技術大大推動了美國乃至世界科技水平的發展，所以即便造假能帶來如此的收穫也值得了。

另外登月的過程也不是一蹴而就的，前期經歷了非常多的失敗，阿波羅1號的3名宇航員在地面測試中直接葬身火海。在之后土星5號的13次發射中，根據前期用失敗換來的經驗，保證了穩定與成功。同時登月的次數也不止一次，整個計劃中人類多次登上月球並選擇了不同的登月點。更不用說帶回來的月球土壤，岩石的樣本了。

未來的登月計劃可以到這些地點去看看之前留下的痕迹。由於阿波羅計劃實在太燒錢了，而且繼續下去的動力消失，因此在阿波羅17號創下多項紀錄之後，載人的登月活動就停止了。

阿波羅計劃的成功關鍵就是土星5號，符合美國人對大傢伙的熱衷，土星五號具備足夠的推力使得阿波羅計劃可以選擇直接轉移軌道前往月球。土星5號運載了指令艙、服務艙和登月艙。登月艙除了阿波羅13號外，都沒有帶回來。

奔月的過程大概是這樣的。土星五號發射升空，成功之後去除逃生塔。然後在短暫的停泊軌道上運行之後開始變軌進入地月轉移軌道。指令艙分離後轉向180度和登月艙對接，然後和火箭第三級分離。在飛往月球的過程中要進行兩次軌道的修正。三名宇航員其實在這段時間應該休息，可是一般都很興奮，實際獲得的睡眠很少。然後找到準確的實際進行機動進入月球的軌道，之後指令艙和登月艙分離，留一名宇航員作為指揮留在指令艙，另外兩名宇航員乘登月艙在月球表面軟著陸。

在月球完成了科學任務之後，兩名宇航員乘坐登月艙的上升級離開月球表面，在月球軌道上和指令艙對接。將岩石樣本等運回指令艙後，宇航員離開登月艙。指令艙和登月艙分離，完成導航後，機動進入月地軌道，最後返回地表。

飛向月球的地月轉移軌道，其實可以想像成為扔一個石塊去打別人踢飛的足球。我們實際上是在選定的時間點和月球相遇。所以這個時間點確定了，就受到了第一個約束，之後就是是能量的約束，能量越大那麼從地球到月球的時間也就越短，另外脫離地球的逃逸軌道需要與黃道面的夾角儘可能的小，因為我們選擇的是地日的軌道來進行向月球的飛行。

其他的約束還包括進入月球的軌道必須在地面可以測控的範圍內，不能到月球的背面。逃逸軌道和停泊軌道軌道面一致，來節省燃料等等。

在整個過程中，還要要考慮我們在【航天甲子年50講】 03 軌道攝動里講到的天體的攝動，光壓攝動等等。

之前有朋友讓我聊聊停泊軌道，比較直觀的來形容停泊軌道，其實就好象是跳遠前的小碎步，為了跳得更好做調整和準備。停泊軌道就是入軌後到轉移軌道之間的軌道。那麼這個軌道就要受到很多因素的約束，包括了發射場的位置，運載能力決定了入軌高度，和軌道傾角等等。同時由於一般停泊軌道比較低，所以會受到大氣攝動的影響，消耗能量。

然而停泊軌道時間長也有好處，特別是在探索的初期，可以做充足的準備，進行數據和經驗的積累，從而保證任務的成功。

在完成了探月任務之後，就是回家的旅程了。返回地球主要考慮的是入軌點的考慮和著陸點的考慮。保證可以安全的返回。從月球看以看到不一樣的地球，即近又遠，月球無疑扮演著人類開拓宇宙第一站的角色，未來可以作為探索的基地，巨大的通信轉發器，以及大型的觀測平台。

測控網

指揮中心

其實整個的測控通信技術都在阿波羅計劃期間得到了快速的發展，很多標準都是那個時候建立的。為了保障計劃的順利進行，尤其是在如同阿波羅13號那樣的緊急事故時期，讓地面的專家可以進行快速分析和宇航員一起找到解決的辦法，使得危機化險為夷，都靠了龐大的測控通信網路來保證。美國不但建立了很多地面站，還派出了測控船和飛機來增加服務的保障。

最後我們再從月球看看我們藍色的家園。

探索，回家。

最後感謝莫總和蔣老師之前的分享

參考文獻

1. 高玉東 月球探測器地月空間轉移軌道研究
2. 彭祺擘 載人登月地月轉移軌道方案綜述
3. https://www.nasa.gov/mission_pages/apollo/index.html
4. W.David Woods ，How Apollo Flew to the Moon

http://weixin.qq.com/r/f0jfx7zEjuHxrfik9x1t (二維碼自動識別)

下期和大家分享的是空間任務幾何,11月8日，歡迎關注～

[航天甲子年五十講] 往期回顧

01. 【航天甲子年50講】 01 飛天

02. 【航天甲子年50講】 02 軌道力學

03. 【航天甲子年50講】 03 軌道攝動

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