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50 年過去瞭,人類再登一波月就這麼難嗎?

你知道月球離地球有多遠嗎?答案是 384400 千米。如果想開車去月球,車速 100km/h,得足足開上六個月;如果用樂高積木搭一座通往月球的塔,那大概需要 40041875000 這麼多——也就是 400 億塊;如果用 " 登月第一人 " 阿姆斯特朗的步伐來丈量的話,大概需要走 5 億多步。

雖然月亮距離我們這麼遙遠,但早在 50 年前,阿波羅 11 號就已經把三位宇航員送到月球,並且成功送瞭回來。

當時的 …… 等等,這不是當時的腳印!

50 年後的今天,人類除瞭想再次重返月球之外,甚至看向瞭更遙遠的火星。不過在考慮如何種土豆之前,可能先要解決一個實際問題:到底應該怎麼去?

第一反應,當然是造一艘足夠大的火箭

看著有點眼熟?

沒錯,這就是 NASA 那艘深空大火箭——的樂高版

發射火箭是個很貴的事情。燃料本身已經不便宜瞭,但真正糟糕的事情是火箭必須隨身攜帶燃料。為瞭把飛船送上天,你得把燃料也跟著送上天。而為瞭把這些燃料送上天,你還得把更多的燃料送上天。

要發射 1 千克的東西上天,你需要再攜帶 1.3 千克的燃料。謝天謝地,把這 1.3 千克燃料送上去並不需要你再攜帶 1.69 千克燃料——再攜帶 2.197 千克燃料——再攜帶 2.8561 千克燃料 …… 的無限循環,因為燃料這東西燒著燒著就沒有瞭,不需要一路都帶到目的地。日常發射火箭,帶上三四十倍重量的燃料是比較正常的。

發射場景必備要素:激動人心的倒數,和翻滾沸騰的燃料

但是既然燃料可以半途燒掉,那別的東西能不能半途扔掉?這就是多級火箭的基本原理,下面的燃料用完同時就也把引擎和外殼都丟掉。考慮到每次發射的東西重量並不相同,如果能動態調整火箭的外殼的話那肯定更好,於是就有瞭模塊化的多級火箭,邊上裝兩個可拆卸的助推器。

登月使用的土星 5 號火箭是為瞭阿波羅計劃專門設計的,反正肯定需要那麼多推力,所以沒有助推器。但是後來的商業重型火箭考慮到多種用途的需求,很多都會有助推器。這個樂高 ® 城市組裡的大火箭,也有可拆卸的助推器

助推器在哪裡,很明顯瞭吧

土星 5 號火箭太過古老,已經退役瞭。不過現在很多公司都在研究新一代的大火箭。上圖的原型,就是 NASA 自己的 " 太空發射系統 "SLS。這個項目在 2011 年正式開工,現在估計可能到 2023 年就可以載人飛行瞭。

但是光有火箭還不夠,必須得有地面監測,才能保證火箭飛到正確的地方。這個組件裡的控制中心,就是起到瞭這個作用。不過光有一個中心是不夠的:因為地球在旋轉,火箭也在飛行,所以很快火箭就會跑到地球的另一側,需要在全球好多個地方佈置觀測網點。實際上,阿波羅 11 號的宇航員登月的時候,是澳大利亞的天文臺和監測中心首先收到瞭信號,然後才轉給 NASA 的。

地面檢測是把火箭順利送入太空的關鍵

火箭和基地都有瞭之後呢?

有些研究者主張說,在去火星之前,我們應該先建立一個月球基地作為跳板——對,就像大傢熟悉的國際空間站那樣,再來個繞月空間站

以 NASA 國際空間站為靈感的樂高繞月空間站

這個空間站是受到瞭 NASA 在 2018 年提出的 " 月球軌道平臺門戶 " 計劃的啟發,如果這個計劃投入實施,那麼在 2028 年有可能基本完成。月球表面的環境很糟糕,不但沒有大氣層,而且會經歷連續 14 天的白晝和連續 14 天的夜晚,所以溫度波動特別巨大,晝夜溫差能到 300 攝氏度。空間站就避免瞭這個問題,因為它在空中繞著月亮快速飛行,所以白天和夜晚快速交替,溫度就均勻多瞭。

此外,從繞月飛行的軌道進入返回地球的軌道,需要的能量很少。阿波羅登月的時候之所以需要土星 5 號那麼大的火箭,原因之一是,我們其實是要把一個小火箭完整地送上月面,然後乘坐小火箭離開。如果隻是前往繞月空間站,就沒有這個問題瞭——也因此,航天飛機就可以往來空間站。

空間站上的生活是什麼樣呢?這套樂高 ® 城市組月球空間站有三個模塊化房間,廚房裡在烤披薩,起居室裡有跑步機和睡袋,還有實驗室用於研究。但真正的空間站生活,要比這更為微(艱)妙(苦)。

豐富多彩的樂高空間站生活!

比如說,空間站上因為是微重力環境,東西不會停留在表面,空氣也幾乎不能對流,所以傳統的烤箱是沒有用的。為國際空間站設計的零重力烤箱,是用框架把食物固定起來,放到專門的圓柱形烤爐裡面,以電熱絲近距離加熱。食物的表面還覆蓋瞭一層矽質的薄膜,既能耐熱透氣,又能防止食物碎屑失重下亂飛,幹擾敏感裝置。

宇航員:我吃點小零食容易嗎!

而跑步機在國際空間站上也有,但是不能踩上去就跑。因為失重,腳很難和地面產生摩擦力,而且稍微一蹬就會飛起來。所以,宇航員鍛煉之前要在身上綁一圈帶子,用彈力繩連在地板上,靠這個彈力來模擬重力,產生摩擦。

宇航員:我運動運動容易嗎!

其實空間站放在哪裡區別都不大,繞月飛行的空間站換成繞火星,也能運行。不過這一套樂高 ® 城市組太空系列采用瞭另一種思路:航天飛機。

沒錯,連火星都惦記上瞭,看這有模有樣的探測飛機

之所以會設計出航天飛機,是因為人們覺得傳統火箭隻能用一次,太浪費瞭。為啥不能多次使用?火箭發射上天之後,會高速掉落回地面摔壞。理論上可以留一些燃料給火箭減速,但是帶這些燃料上天還要消耗三十倍的燃料,而且以當時的技術,沒有辦法控制火箭掉下來的姿態。

其實人類還有好幾種不需要燃料也可以減速的發明,比如降落傘。普通的飛船著陸的時候,可以用降落傘來保證裡面的宇航員不會摔死。可是火箭太大瞭,小降落傘沒有足夠的時間能讓它減速,超大型降落傘則太浪費燃料。

SpaceX 龍飛船海上降落測試(最新一次又失敗瞭)

換成更大號的火箭,難度可想而知

最終研究者選中的辦法,是飛機。飛機需要燃料才能起飛,但不需要燃料也能著陸,有很多飛機在空中引擎停工,但最後成功著陸的案例。把火箭做成飛機的樣子,上天的時候靠燒燃料,回來的時候依靠機翼滑翔減速著陸,就有瞭航天飛機。

穩穩降落,看上去比一根大火箭直挺挺栽下來好多瞭

有人曾經提議說,讓航天飛機去火星說不定是個辦法。雖然它的載重量不如大火箭,但是它能把很大質量的物體運送到行星表面安全降落。這個功能我們現在用不上,但如果未來要修建火星基地的話應該很方便。

有瞭基地,進行一些科考任務也更加順利,比如:采集晶洞樣本

可惜火星表面大氣層稀薄,為地球設計的航天飛機很可能沒有辦法正常著陸。要麼重新設計,要麼改造火星,增厚大氣層。不管哪一個選項,或是下一步放眼更遠的太空,都必須付出幾代人的努力——想瞭解天上的星星,那我們面對的困難與挑戰,也必將像星星一樣多。

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