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人类登月五十周年 一场交织着科学与政治的探索竞赛
2019-07-22 16:50  来源:北京青年报   摩臣2报业全媒体编辑:张莹

  人类登月五十周年

  一场交织着科学与政治的探索竞赛

  1969年7月20日,“阿波罗”11号宇宙飞船跨过38万公里的征程,着陆在月球表面。2019年是人类登月50周年,美国航空航天局开展了一系列活动庆祝这个伟大的日子。而新的登月计划也再被提及,NASA有望首次将一名女宇航员送上月球,加上此前的签署政策指令,重启登月计划;成立“太空部队”;与多家商业公司合作;计划在月球周围及表面建立永久基地……随着美国一系列月球探索计划的发布,月球探索的热潮重新开启。

  机器打先锋

  月球承载着人类的探索与想象已有数千年。早在苏格拉底之前,古希腊哲学家阿那克萨哥拉就认为月球是一个巨大的球形土块,并认为其反射了太阳的光。后来波斯天文学家通过观测计算了月球直径、月地距离等,达到了相当高的精度。到11世纪时,伊斯兰物理学家阿尔哈曾通过实验证明了月光源自太阳。15世纪,伽利略发明了望远镜,认为月球上存在山脉和陨石坑。

  数百年来,月球遥不可及,直到20世纪中期发生了变化。1957年,苏联成功发射了第一颗人造地球卫星,拉开了美苏太空竞赛的序幕,人们也发现月球真正能成为一个目的地。1959年1月,苏联发射了月球1号。虽然月球1号没能硬着陆成功,但人类对月球的认识开启了新的篇章。科学设备首次揭示了月球没有磁场,也带回了太阳风存在的证据。

  接着在9月14日,月球2号成为了人类历史上第一个登陆月球表面的探测器。科学上它带回了更多的关于地球周围范艾伦辐射带的数据,还十分具有政治意义。因为就在第二天,时任苏联领导人赫鲁晓夫访问美国。戴维营会议上,赫鲁晓夫对时任美国总统艾森豪威尔说,“月球2号已将苏联的勋章挂在了月球上”,并亲自赠送给美国总统一枚勋章。太空竞赛,苏联一时占据上风。

  10月7日,月球3号首次拍下了月球背面的照片,覆盖了约70%的面积。尽管这些图片的清晰度非常低,后期科学家还是通过计算机增强模拟,制作了月球背面的地形图。

  美国人也在紧锣密鼓地准备探月活动。实际上,美国第一颗探月飞行器是环绕月球飞行的“先驱者0号”。在1958年8月到1959年3月间,共5艘先驱者探测器升空,前四次均因火箭推力不足而失败。先驱者4号勉强成功,也仅是远距离飞越月球。

  1961年,苏联宇航员尤里·加加林乘坐东方号进入太空,成为世界上第一位进入太空并实现环绕地球轨道的人,这也让载人航天领域成为了苏美冷战的新战场。此时美国总统肯尼迪上台,宣布了阿波罗计划,承诺在60年代末实现载人登月。为了确保宇航员能够成功着陆并返回,了解月球表面环境,美国提出了徘徊者计划实现硬着陆,目标是在撞击前拍摄月球表面更清晰的照片。

  经过了6次失败,1964年,徘徊者7号在撞向月球的17分钟里拍下了超过4000张照片,其中就有云海的照片。徘徊者系列让人们见到了布满月球表面的陨石坑,以及由微陨石击碎了月球岩石表层而形成的一层表岩屑。1965年,徘徊者9号实况直播了冲向阿尔芬斯环形山的图像。

  不过,在登陆方面,苏联再一次取得了领先。1966年2月,苏联月球9号克服了地形障碍,在风暴洋安全着陆,成为第一艘在月球表面软着陆的探测器。两个月后,月球10号完成了首次绕月飞行,探月进程进入新阶段。

  1966年到1968年间,美国也有与之对应的勘察者计划,勘察者1号在月球9号软着陆后仅4个月安全抵达了风暴洋地区。勘察者1号发送回了超过1万张月球表面细节的照片,随后的勘察者任务搜集了月球土壤物理数据,勘察者5号首次进行了月球土壤的化学分析。对月球的表面分析表明,漆黑的月海的成分类似于地球的玄武岩,而第谷环形山附近颜色更亮,铝含量更高。

  美国在探月软着陆成功的同时,还希望画出月球地图,找到合适的着陆点为载人着陆做准备。1966年到1967年美国共发射了5艘月球轨道环形器系列探测器,获取了分辨率在60米之内的高质量照片1654张,覆盖月面99%,为后续载人登月的着陆点提供了遥感数据。其中月球轨道环形器5号分辨率高达2米,覆盖了整个月球背面。月球轨道计划的成功让美国人相信阿波罗计划的安全性有保障,而苏联也有“探测器计划”为载人登月做准备,从1964年开始的6年时间里他们发射了15颗探测器,成功5次。

  事实上,由于人类对于月球环境认识有限,运载技术不成熟,早期发射的绝大部分探测器都失败了,成功率不足10%。但失败并没有影响美苏两国的太空竞争,反而还愈演愈烈。这些探测器为了人类下一次巨大的飞跃铺平了道路。

  人类加入征程

  初期的航天行动竞争,美国一直处于下风。其实这与时任美国总统艾森豪威尔的政治决策不无关系,他当时反对开展太空竞赛。

  但面对巨大的舆论压力他也不得不作出妥协,在他直接推动下,NASA成立后宣布了首个载人航天任务——水星计划,率先实现宇航员近地轨道飞行。“水星计划”后的长远计划还包括建立空间站、实现载人登月、行星探测,最终完成火星着陆。

  可这一切被加加林的进入太空打断了,一直反对载人登月的艾森豪威尔也任期结束,很快,新任总统肯尼迪在国会发布报告,对外宣布了阿波罗计划——送宇航员登上月球并安全返回。与此同时,美国还在发展第二代载人飞船“双子星座”号和运载火箭“土星V”。

  出师未捷,阿波罗1号在进行地面试验时座舱着火,三名宇航员丧生。为了确保安全,阿波罗2-6号全部为无人实验,7号是载人任务,它的成功实施给予了美国政府和人民极大的信心。1968年的圣诞节,阿波罗8号首次完成了载人绕月飞行,人类第一次从月球轨道上看到了空旷荒芜的月球。接下来,9号和10号携带了登月舱,进行模拟登月。

  1969年7月20日20时17分,阿波罗11号的登月舱“鹰”在宁静海成功着陆。此时,经过六个半小时的准备,阿姆斯特朗和奥尔德林率先踏上月球土地,说出了那句永载史册的话,“这是个人的一小步,却是人类的一大步”。

  阿姆斯特朗和奥尔德林在月面上行走近两个小时,收集岩石、土壤并设置了实验设备。参与此次任务的另一位宇航员科林斯在指令舱中,后来他回忆说,“此时地球上有30亿人,月球上有两个人,而我却在只有上帝才能看到的地方。”

  尽管首次登月成功的政治意义更大,但宇航员带回的月球样本让科学家了解到,黑暗的月海是36亿年前的火山熔岩结晶形成,月球样本的化学成分和地球岩石相似,但非常干燥,没有证据表明水的存在。

  与之前勘察者7号带回来的样品相比,科学家推断,远古的月球几乎完全是熔化状态的,覆盖了一层液态的岩石。这种早期的“岩浆洋”假说后来被应用于所有的岩石行星。月球上保存了地球上已经消失的关于行星起源的历史,科学家为之兴奋,月球地质学和行星科学随着太空竞赛迅速发展起来。

  4个月后,阿波罗12号在风暴洋登陆,证明了精准着陆的能力。美国宇航员皮特·康拉德和艾伦·宾搬回了34千克的样本,并安置了一个核动力实验装置。研究发现,登陆点附近的成分有着不同寻常的放射性和稀土元素富集,表明月球地壳横向变化而且十分复杂。

  阿波罗13号因为氧气罐的爆炸没能登月,三名宇航员安全返回地球。阿波罗14号在弗拉毛罗火山口附近着陆,目的是搜集月球深处被冲击出来的岩石。来自弗拉毛罗高地的样本(角砾岩)显示出雨海是由38亿年前的巨大冲击形成的。

  阿波罗15号任务首次使用了月球车,通过月表导航探索了更大范围,搜集到了月球最古老的“起源石”。指令舱的宇航员在环绕月球的过程中使用科学仪器对月球表面环境进行了更详细的研究,飞船上还首次释放了子卫星,用于研究月球附近的等离子体和磁场环境。

  阿波罗16号第五次载人登月,月球车再次出马,两位宇航员查尔斯·杜克和肯·马丁利部署了首个天文望远镜,他们测量到了月球岩石仍有残留磁场。

  1972年12月7日,最后一次成功的载人登月任务阿波罗17号升空,地质学家杰克·施密特和尤金·塞尔南用了3天时间全面探索了利特罗山谷,进行了新的表面实验,又有了新的惊人发现:来自36亿年前的橙色火山灰和来自39亿年前澄海的角砾岩,这里记录了熔岩在月球上至少蔓延了7亿年。

  6艘登月飞船一共停留280小时,探索距离达100千米,带回约440千克岩石,彻底改变了行星科学。随着阿波罗计划的成功,关于登月的太空竞赛放缓。美国第37任总统尼克松的“战略收缩”对NASA财政开支进行了大刀阔斧的改革,提出了新的太空政策,表面上是让太空探索远离政治,实际上大幅削减了太空领域的财政预算,直接导致了原计划的剩余3次登月计划被迫取消,登月竞赛也随着美苏在空间站上的合作而结束。

  阿波罗计划是人类史上最伟大的工程之一,历时11年,耗资255亿美元,占据了美国政府财政预算的4.5%,2万余家企业、近300家大学和科研机构、总人数超过400万人投入到了工程中,其成果带动了整个科技和工业的繁荣。

  机器再登舞台

  经过20年的休整后,欧美、日本再次开始探月活动。1990年,日本“飞天”号发射成功,使日本成为了第三个发射月球探测器的国家。飞天号携带的绕月小卫星很快因故障失灵,最终坠毁于月面,但这个试验性项目对日本航天技术具有重要意义。

  1994年,美国的“克莱门汀”探测器围绕月球运行了71天,除了绘制月球颜色和地形图外,还与阿波罗计划留下的信息合并,得到了月球的“岩石图”。克莱门汀带回了一个振奋的信息:月球南极底部在数百万年前彗星撞击坑中可能存在冰。这也让第二轮全球探月活动迎来高潮。

  此后,美国又发射了“月球勘探者”探测器,直指月球南极,同时结合克莱门汀的数据绘制了月球表面矿物分布图。月球勘探者还首次绘制了月球表面微弱的磁场——表明笛卡尔高地是月球磁场最强的地区之一。这次任务还在两极发现了大量的氢,在对月球冰层的争论中,让我们进一步了解了月球的形成和演化。美国在探月方面的优势持续领先,2009年后发射多颗专用撞击式探测器,绘制精准月球重力场,分析月球稀薄的大气组成,完成大量的科学研究任务。

  近年来,世界各国对探月热情再起,月球仍然是一座丰富的科学宝库,人类重返月球势在必行。

  文/刘辛味(科学加客户端)

来源:北京青年报   摩臣2报业全媒体编辑:张莹
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