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在自主采集封装2公斤月壤,并在月球表面升起一面由新型复合材料制成的五星红旗后,嫦娥五号上升段成功点火,与在月球上空等待六天的轨道器和返回器组合体进行了一次“月宫之吻”。

12月6日6时12分,装有两公斤月壤的容器成功由返回器“揽收”,12时35分,组合体与上升器成功分离,进入环月等待阶段,两公斤月壤将在返回器的护送下择机返回地球。

在这两公斤样品中,其中0.5公斤为使用钻具钻到月球表面两米以下深处得到的岩芯,余下1.5公斤则是固定在机械臂末端的铲挖型采样器在表层和次表层挖取到的月壤。

带回地球后,科学家将会对月壤进行精准分析研究,既可以了解月球的地质演化历史,也可以为了解太阳活动等提供必要的信息。

从月球把土壤带回地球,至今也只有美国和前苏联做到过,而且最近一次已经是44年前的1976年,苏联“月球24”号探测器带回170克样品。

20世纪六七十年代,美国和苏联先后实现有人和无人月球采样返回。美国在6次登月计划中通过有人采样获得380多公斤月壤;苏联前后进行了3次无人采样,共采集月壤300余克。

彼时的中国人民,虽对38万公里外的月球满怀期待,但只得望着美苏手中的月壤空空长叹。

直到中美建交后的1978年,美国国家安全事务顾问布热津斯基访华时为了表示友好,向中国赠送了1克月壤,而就是这少得可怜的1克月壤,也要被分成两份,一半收藏在北京天文馆,一半用来做科学研究。

收藏在北京天文馆中的0.5克月壤

正是凭借着这0.5克月壤样本,中国学者发表了14篇论文。此次嫦娥五号采集到的2公斤月壤,会极大地帮助中国科学家对月球及太阳系进行更多深入的研究。

可以说嫦娥五号带着中国无数科学家的梦想离开了月球,但也留下了一个不知何时才能解开的谜。

从1961年5月到1972年12月的十一年时间里,美国先后成功执行6次载人登月任务,将12人送到月球表面。

四十多年已过,在很多国人心中,关于美国载人登月真实性问题仍然存疑。

的确,在那个时代,就算有土星五号的巨大推力加码,计算机、远程通信仍是两条横亘在美国人面前的科技鸿沟,就算放到现在,非科技强国也难以逾越。那么,当时的美国如何解决这两大难题的呢?

阿波罗指挥舱内部构造

01

“黄色手提箱”挑下制导控制重任

于1969年7月20日降落在“静海(Sea of Tranquility)”的阿波罗11号搭载一台由MIT仪器实验室研制的阿波罗制导计算机(AGC),它是第一台数字飞行计算机、是第一台使用硅芯片的计算机、拥有当时最新最先进的飞行和惯性制导系统,多个第一傍身,使得阿波罗制导计算机看起来强大无比,但其计算能力还不如现在的普通计算器。

阿波罗制导计算机由30000个组件组成,61×32×17厘米的尺寸加上14公斤的重量,是2000名工人和专家历时一年浓缩出的高科技结晶。

在当时,如何存储程序和数据是一大难点,对此,MIT提出了一种新的方法,将软件真正地编织到内存库中。

技术人员利用一种叫做“绳子记忆”的技术,当一根导线穿过圆环中心时,表示二进制数1;当导线在外面时,则表示0,大量的导线穿进穿出用来存储数据。

数据来自包括六分仪、惯性测量单元(IMU)、宇航员使用的手动控制器、指挥交会模块雷达、登月模块雷达、主引擎和反应控制系统在内的大量设备。为了更好的实现宇航员与计算机之间的交互,设计人员专门设计了功能强大的显示和键盘单元(DSKY),看起来与当代计算器有几分相似之处。

同时阿波罗制导计算机还搭载一个2000字节的运行内存RAM,捉襟见肘的运行内存使得阿波罗制导计算机无法同时运行多个程序,否则便会出现内存爆满、死机的情况。

对于载人航天器来说,计算机死机无疑是致命的。在阿波罗11号降落月球的过程中,由于交会雷达被意外打开,开始向计算机发送大量无意义的数据,这很有可能会导致设备崩溃。

好在科学家事先设计了程序优先级:根据任务时间表上的任何特定时间点,对程序进行了优先级设定。比如在降落阶段,降落程序为最高优先级,其他程序只能等待它完成,然后才能继续。

阿波罗载人飞船指令面板

因此,计算机五次发出“1202”紧急信号后,强制关闭了除优先级1以外的所有程序并重新启动,任务指挥官尼尔·阿姆斯特朗也接到了继续着陆的命令,这才避免了一次重大事故的发生。

02

飞船装多个天线,地面布上天罗地网

除了制导控制能力广受质疑,阿波罗登月计划中的远程通信也备受争议。

在前几日嫦娥五号登月直播过程中,画面出现卡顿中断,虽说此次的直播信号是由于大部分通信带宽为了满足任务需求而非直播造成的,但由此也可以窥见地月远程通信的难度。

在1969年7月21日阿波罗11号登月任务中,全球共有6亿人直播观看了阿姆斯特朗踏出他的一小步和人类的一大步。

载人登月已困难重重,还要直播给全世界人民,如此招摇过市难免引火上身,无数的质疑声纷纷投向美国。

抛去真与假,彼时的美国人到底使用了什么高科技?

“酒泉光学跟踪正常,双城光学雷达跟踪正常,青山USB雷达跟踪正常,遥测信号正常……”

这是无数次中国航天发射直播中收听到的指令中的一部分,其中的USB一词在现实生活中或多或少都有接触,其是Universal Serial Bus(通用串行总线)的简称,(电脑)接口的一种。

但此USB非彼USB,而是Unified S-Band(统一S波段)的简称。

在美国航天发展史早期,航天器与地面间的通信与遥测使用超高频(UHF)和甚高频(VHF)系统,对飞船的跟踪则由地面雷达使用C波段信标实现,因此不得不在航天器上叠床架屋,安装各种接收、发射装置。

由于要奔向38万公里外的月球,并实现载人返回,叠床架屋这一套肯定行不通了。NASA为此也苦恼了很久,最终在1962年决定采纳麻省理工学院林肯实验室的建议,用单一集成通信、跟踪系统实现地面与航天器的通信、遥测等功能。

现代战列舰雷达阵列

新系统采用特高频S波段,可以穿透地球电离层,今广泛应用于太空领域,所以该系统后来被命名为“统一S波段”系统,并一直沿用至今。

阿波罗11号自然也使用“统一S波段”系统实现地月通信,并采用双重调制对信号进行处理。阿波罗计划中下行链路的频率范围是2200-2290MHz,上行链路的频率范围是2025-2120 MHz,不同结构单元配给频率不同,避免相互干扰。

在发射功率方面,地面雷达发射功率是10千瓦,而阿波罗飞船上的无线电发射功率只有20千瓦。不知是巧合还是有意而为之,距今飞行距离最远的探测器——旅行者2号的发射功率也是20瓦。

为了接收和发送无线电信号,阿波罗飞船上安装有多个天线。其中指令舱尾部安装了由四面直径0.79米抛物面天线组成的天线阵,叫做高增益天线(High-Gain Antenna, HGA) 。

尾部的高增益天线

装在它们活动关节上,能够自由转动,在登月舱、指令舱、地面雷达站间构建起一座桥梁。收窄天线方向,使其聚集成更窄的波束,以便汇聚能量从而与地面间传输数据。

在登月舱上升段上安装了一个0.66米抛物面天线,用于对地面的大带宽数据传输,当年的直播信号正是由其传回地面。只不过在直播给全世界之前,美国方面对接收到的慢扫描电视信号进行了处理,形成标准的无闪烁的NTSC信号。

在阿波罗12号和阿波罗14号任务中,宇航员在月面上架设了一面直径约3米的抛物面天线,并手动调节对准地球,用于对地面的电视直播和数据传输;从阿波罗15号开始,由于携带了月球车,抛物面天线改为架设在月球车上。

天线做的再好,也抵不过距离的消磨。为了接收到微弱的信号,NASA在原有的呈120°分布,分别位于美国加州、西班牙马德里、澳大利亚堪培拉的三面26米直径抛物面天线组成的深空网络(Deep Space Network)基础之上,又引入了两口直径64米的“大锅”。

一面是位于澳大利亚的1961年建成的帕克斯(Parkes)射电望远镜,一面是位于美国的1966年建成的戈德斯通(Goldstone)射电望远镜,组成一张“天罗地网”,成功把接收下行信号的灵敏度提高了8到10倍。

深空网络 Deep Space Network

高增益天线和大口径射电望远镜双管齐下,为美国的载人登月计划护航,也让美国在与苏联的太空竞赛中占得先机。

计算能力不如计算器的制导计算机、各种口径的抛物面天线、推力达3400吨的土星五号重型运载火箭……各种“黑科技”加持下的阿波罗飞船,将人类送上了月球,也将大大的疑问留给了质疑它的后人。

03

为采集13亿年前火山岩,嫦娥五号独往月球西北部

早在嫦娥五号发射之前,网络上就出现很多“去美国登月之地一探真假”的想法,但嫦娥并没有如某些国人所愿,而是降落在人造探测器未曾涉足过的月球西北部吕姆克山脉,错过了“打假”的机会。

红色为嫦娥五号着陆点,黄色为阿波罗飞船着陆点

不是嫦娥不想打假,而是为了获得独家数据。此次嫦娥五号选择登陆的吕姆克山脉区域,火山熔岩形成时间及火山活动历史距今大约为 13 亿至 20 亿年,而美国和前苏联着陆器采集的样品,形成时间均都在 30 亿年以上。

因而此次嫦娥五号采集到的的月壤目前地球上独此一份,能让天文学家深入了解13亿年前的月球火山活动,甚至能改写人类对月球的认知。

早在多年前科学家对美苏带回的月壤进行精确分析后,得出的结果大致可证明美国登月的真实性,还有一些其他的证据均可辅佐,但如若定要把持“耳听为虚,眼见为实”的观点,去质疑美国载人登月的真实性,去否定美国四十年前的科技实力,着实没有必要,真假自在人心。

而美国人登月留下的脚印,可以保持数十万年之久,它们将作为证据,封存在月球表面,等着下一个抵达那里的人去发现……