深度科普：月球上并没有火箭，那么宇航员是如何返回地球的？

在人类探索宇宙的漫漫征程中，1969 年 7 月 20 日是一个具有里程碑意义的日子。这一天，美国阿波罗 11 号宇宙飞船成功实现载人登月，宇航员尼尔・阿姆斯特朗和巴兹・奥尔德林踏上了月球表面，阿姆斯特朗那句 “这是个人的一小步，却是人类的一大步”，宣告着人类在太空探索领域取得了重大突破。

此后，美国又相继完成了 5 次载人登月任务，共有 12 位宇航员踏上月球，开展了一系列科学实验和探测活动，带回了珍贵的月球样本和大量数据，极大地推动了人类对月球乃至宇宙的认知。

阿波罗登月计划是 20 世纪人类最伟大的科技成就之一，是美国在冷战时期与苏联太空竞赛的关键成果。它不仅彰显了美国在航天领域的领先地位，也为后续的太空探索奠定了坚实基础。

然而，随着时间的推移，人们在惊叹于这一伟大成就的同时，也对其中的一些细节产生了浓厚兴趣，比如宇航员在完成月球任务后，究竟是如何从遥远的月球返回地球的呢？

要了解宇航员从月球返回地球的过程，首先得深入认识执行这一伟大任务的 “主角”—— 阿波罗飞船。阿波罗飞船作为一个高度复杂且精密的航天器系统，由指令舱、服务舱和登月舱三个主要部分组成，每个部分都肩负着独特而关键的使命 ，共同构成了宇航员在太空旅程中的 “生命保障系统” 和 “移动基地”。

指令舱：指令舱是整个飞船的核心控制中枢，也是宇航员在漫长太空飞行过程中的主要生活和工作空间，相当于飞船的 “大脑” 和 “起居室”。它呈圆锥形，这种独特的外形设计在返回地球大气层时，能够有效地利用空气动力学原理，减少空气阻力，确保安全返回。指令舱内部空间虽然相对紧凑，但却配备了齐全的设备，包括先进的导航系统、通信设备、生命保障系统以及各种控制仪表板，为宇航员提供了精确的飞行数据和舒适的生活环境，保障了他们在太空中的日常起居、工作操作以及与地球指挥中心的实时通信。

服务舱：服务舱犹如飞船的 “后勤保障部”，是一个直径 3.9 米、高 7.6 米的圆柱体，为飞船提供了不可或缺的动力支持和物资储备。它携带了大量的推进剂，这些推进剂是飞船在太空飞行中进行轨道转移、姿态调整以及返回地球时的动力来源，就像汽车的汽油，为飞船的运行提供持续的能量。此外，服务舱还装备了各种重要的设备和仪器，如用于发电的燃料电池、维持舱内环境稳定的环境控制系统以及用于散热的散热器等，保障了飞船在太空中的正常运行。在整个任务期间，服务舱一直与指令舱紧密相连，不离不弃，直到返回过程中进入大气层之前，才完成使命被丢弃。

登月舱：登月舱则是专门为登陆月球以及从月球返回而设计的，堪称整个任务中的 “月球摆渡车”。它由下降级和上升级两个部分组成，具备独特的功能和结构。下降级主要负责在月球表面的着陆任务，它配备了强大的着陆发动机，在接近月球表面时，通过发动机的反推作用，实现减速和软着陆，确保宇航员安全抵达月球。

同时，下降级还安装了四条稳定的着陆腿和多个仪器舱，为宇航员在月球表面的活动提供了稳定的支撑和必要的科学探测设备。上升级则是宇航员从月球返回月球轨道的关键工具，它搭载着宇航员和珍贵的月球样本，在完成月面任务后，启动发动机，脱离下降级，成功飞离月球表面，进入月球轨道，与指令舱实现对接，最终带领宇航员踏上回家的旅程。

在正式执行载人登月这一史无前例的任务之前，美国国家航空航天局（NASA）进行了一系列周密而严谨的准备工作，开展了大量的无人和载人测试任务，对阿波罗飞船的各个系统和功能进行了全面的验证和优化。

当阿波罗飞船抵达月球轨道后，指令舱和服务舱继续留在轨道上运行，而登月舱则肩负着将宇航员送往月球表面的重任，开始分离并缓缓下降。登月舱的设计堪称精妙绝伦，其由下降级和上升级两个部分组成，每个部分都经过精心设计，具备独特的功能，在宇航员的登月和返回过程中发挥着不可或缺的作用。

下降级就像是一位忠诚的 “守护者” 和 “垫脚石”，在降落过程中扮演着至关重要的角色。

它配备了强大的着陆发动机，这些发动机在接近月球表面时启动，通过反推作用产生强大的阻力，实现减速和软着陆，确保宇航员能够安全、平稳地踏上月球表面。同时，下降级还安装了四条坚固的着陆腿，就像大象的四条粗壮的腿一样，为登月舱提供了稳定的支撑，使其能够稳稳地站立在月球表面。

此外，下降级上还搭载了各种科学仪器和设备，这些仪器和设备帮助宇航员在月球表面开展了一系列的科学探测和实验活动，为人类对月球的认知提供了宝贵的数据和样本。

完成任务后，下降级并没有 “功成身退”，而是继续发挥着重要作用，成为了上升级飞离月球的发射架。它那坚固的结构和稳定的支撑，为上升级的发射提供了可靠的保障，就像一座坚固的发射塔，确保上升级能够顺利起飞，进入月球轨道。

上升级则是宇航员从月球表面返回月球轨道的关键工具，是他们回家的 “希望之舟”。它虽然个头相对较小，但却蕴含着巨大的能量和关键的设备。上升级携带了高性能的发动机和充足的推进剂，这些发动机就像强大的心脏，为上升级提供了强大的动力，使其能够克服月球的引力，成功飞离月球表面。

上升级的质量和燃料配置也是经过精心计算和设计的。它的总重约为 4.7 吨，在这个相对较轻的质量中，却蕴含着超过 2.3 吨的高性能燃料（偏二甲肼）。

在地球上，我们都知道发射卫星需要巨大的火箭，这是因为地球的质量巨大，引力也非常强大，要把卫星加速到足够大的速度才能使其进入太空。地球的逃逸速度高达 11.2 公里 / 秒，而且地球表面还有厚厚的大气层，存在空气阻力的作用。为了减小空气阻力，火箭通常被设计成细长的形状，就像一支尖锐的利箭，以最大程度地减少空气对火箭飞行的影响。

然而，月球的情况与地球截然不同。月球的质量远远小于地球，其引力只有地球的 1/6，这使得月球的逃逸速度仅约为 2.4 公里 / 秒，远低于地球的逃逸速度。而且，月球表面几乎是真空状态，没有空气阻力的影响。这两个因素使得上升级在月球上起飞时面临的困难大大降低。

由于月球引力较小，上升级不需要像从地球发射卫星那样巨大的火箭，就能较容易地达到进入月球轨道所需的速度。实际上，上升级只需要达到约 1.8 公里 / 秒的速度（月球第一宇宙速度），就能够成功进入月球轨道 。

当登月舱上升级成功飞离月球表面，进入月球轨道后，接下来面临的就是一个至关重要且技术难度极高的环节 —— 与在月球轨道上等待的指令舱进行对接。这一过程需要极高的精度和宇航员精湛的操作技术。

当登月舱上升级接近指令舱到一定距离时，宇航员需要进行最后的手动对接操作。他们通过操纵飞船上的对接机构，使上升级与指令舱逐渐靠近并实现对接。这个过程需要宇航员具备高度的集中力和精湛的操作技巧，因为一旦对接失败，宇航员将面临极大的危险，甚至可能无法返回地球。然而，凭借着宇航员的勇气和智慧，以及前期充分的训练和准备，阿波罗计划中的多次月球轨道对接都取得了成功，为宇航员从月球返回地球提供了关键的保障。

进入指令舱后，宇航员们便会抛掉已经完成使命的登月舱上升级。登月舱上升级在完成了将宇航员从月球表面送回月球轨道的任务后，已经不再需要，而且它的存在还会增加飞船返回地球时的负担。因此，宇航员们果断地将其抛弃，使飞船能够以更轻的重量和更优化的结构返回地球。

在这个过程中，飞船需要达到足够的速度，以克服月球的引力束缚，进入地月转移轨道。这个速度通常被称为月球的逃逸速度，约为 2.4 公里 / 秒 。

在经历了漫长的地月转移轨道飞行后，指令舱终于接近地球，即将进入地球大气层，这是整个返回过程中最为关键和危险的阶段之一，也被形象地称为 “黑色 7 分钟”。在进入大气层前，宇航员们需要先抛掉已经完成使命的服务舱，此时的指令舱就像一只即将归巢的飞鸟，独自承担起将宇航员安全带回地球的重任。

指令舱以近第二宇宙速度（11.2 千米 / 秒）高速冲向地球大气层，如此高的速度使得指令舱与大气层剧烈摩擦，瞬间产生极高的温度，表面温度可达数千摄氏度，就像一颗燃烧的流星划过天际。为了抵御这种高温，指令舱的表面覆盖着一层特殊的隔热材料，这些隔热材料通常采用烧蚀隔热的原理，在高温作用下，隔热材料表面会逐渐熔化、升华或分解，通过吸收大量的热量并带走热量，有效地保护指令舱内部的宇航员和设备不受高温的侵害。

在指令舱进入大气层的过程中，还会经历一个 “黑障” 阶段。由于指令舱与大气层剧烈摩擦，周围形成了一层高温等离子体鞘，这个等离子体鞘会屏蔽电磁波，导致指令舱与地面控制中心之间的通信暂时中断，地面无法获取指令舱的实时数据和状态，这给地面控制和宇航员的安全带来了很大的挑战。然而，随着技术的不断进步和完善，科学家们通过各种技术手段，如优化通信频率、采用特殊的通信天线和信号处理技术等，尽可能地缩短黑障时间，提高通信的可靠性，确保在黑障期间也能对指令舱进行有效的监测和控制。

当指令舱的速度降低到一定程度后，它会在距离地面约 10 千米的高度打开降落伞，利用降落伞的阻力进一步减速。指令舱的降落伞系统通常由引导伞、减速伞和主伞组成，它们依次工作，协同完成减速任务。引导伞首先打开，它的作用是拉出减速伞，减速伞工作一段时间后，与指令舱分离，同时拉出主伞。主伞展开后，提供了强大的阻力，使指令舱的速度迅速降低，最终以相对较低的速度安全降落。

在指令舱降落后，地面救援力量会迅速出动，前往降落地点进行救援。救援人员会将宇航员从指令舱中转移出来，对他们进行身体检查和医疗护理，确保他们的身体健康。同时，他们还会回收指令舱和舱内的各种设备和物资，包括珍贵的月球样本，这些月球样本对于科学家们研究月球的起源和演化具有重要的价值。

从月球返回地球的过程是一个极其复杂和充满挑战的过程，它涉及到众多先进的航天技术和精密的操作，每一个环节都紧密相连，任何一个小的失误都可能导致任务的失败和宇航员的生命危险。然而，凭借着人类的智慧和勇气，以及不断创新和发展的航天技术，阿波罗计划中的宇航员们成功地克服了重重困难，安全地从月球返回地球，为人类的太空探索事业树立了一座不朽的丰碑。