科技万有瘾力特刊:登月竞赛

导语:1972年,“阿波罗17号”飞船第6次载人登月后,美国宣布中止载人登月。1976年,前苏联“月球24号”无人取样飞船返回,人类的第一轮探月热潮戛然而止。为鼓励民间参与登月,谷歌在2007年挂出了2000万美元的重赏。不过,在新一轮的登月竞赛中,代表举国体制的“嫦娥三号”已走在众多追逐赏金的企业之前。

登月竞赛 “嫦娥”战谷歌

*新一轮登月竞赛:举国体制PK民间力量*

嫦娥三号成“奖金杀手”

昨天凌晨,嫦娥三号成功发射。按照计划将于12月中旬在月球软着陆。此前,全球只有美国、前苏联成功实施了13次无人月球表面软着陆。

嫦娥三号对于国人是一剂鸡血,对于“谷歌月球X大奖”(Google Lunar X PRIZE)的26支参赛队伍而言,却是一记重拳。

“谷歌月球X大奖”由谷歌公司在2007年提出。各支民间参赛队伍中,最先成功研发机器人送上月球、探索500米并将数据传回的团队,能够获得2000万美元巨奖。第二名的“安慰奖”也高达500万美元。

谷歌登月X大奖最初规定的完成期限是2012年,因参赛队伍进度迟缓而延期到2015年年底。而同时,中国的嫦娥工程却屡有动作。

为了激励各参赛团队加快步伐,谷歌登月X大奖决定,一旦有政府的项目登月成功在先,大奖的奖金就将降低为1500万美元。现在,嫦娥三号登月近在眼前了。

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月球往事:美苏争霸战

“谷歌月球X大奖”规定参赛的经费来源90%以上必须是民间资金,在最初的申请参赛条款中就特别注明,只接受小组性的参与者,谢绝国家实体。这在上个世纪的登月竞赛中是不可想象的。

昔日的月球,曾是美苏两国专属的竞技场。

1972年4月,阿波罗16号宇航员与登月舱在月球表面
1972年4月,阿波罗16号宇航员与登月舱在月球表面

从1959年到1976年的17年,美国和前苏联前后一共发射了108个与月球探测有关的探测器,展开了一场激烈的竞争。

其中,起先落后的美国花了255亿美元,先后动员400万人参与,终于在1969年7月22日,让宇航员阿姆斯特朗在月球上留下了第一个人类脚印。从1969年到1972年,“阿波罗计划”成功实现6次载人登月,有12名宇航员踏足月球,共带回381.3千克月岩样品。

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月球岩石样本

前苏联方面,1959年,“月球1号”率先飞向月球,“月球2号”第一次在月球表面硬着陆,“月球3号”拍回了第一张月球背面的照片。1966年,“月球9号”又第一次实现了月面软着陆,“月球10号”成功绕月飞行56天。

虽然在绕月飞行技术和月面软着陆技术这两方面都率先取得了突破,但前苏联最终仅仅实现了2次月面无人巡视探测任务,未能将宇航员送上月球。

从未使用过的苏联月球登陆车
从未使用过的苏联月球登陆车

最终,美国一举击败苏联,取得了最终胜利。

在1972年,“阿波罗17号”飞船第6次载人登月后,美国宣布中止载人登月。1976年,苏联“月球24号”无人取样返回,始终没有实现载人登月,人类的第一轮探月热潮戛然而止,月面陷入30余年的沉寂。

新一轮登月竞赛

21世纪初美国再次喊出了“重返月球”的口号,新一轮探月竞赛拉开序幕。与上次不同的是,这次有更多国家和机构提出了同样的目标。

因为缺乏经费和发射器而不可能前往月球的前苏联“月球车三号”
1977年建造,因为缺乏经费和发射器而不可能前往月球的前苏联“月球车三号”

俄罗斯沉寂多年后,计划在2015年发射“月球25号”重启月球任务,并在随后几年接连发射:2016年至2017年将发射月球中继卫星,将位于月球表面科研设备采集的数据传回地球;2019年完成取样返回任务;2020年前后携带月球车着陆月球。

欧洲定在2019年将发射月球探测器,它由着陆器和巡视器组成,在月球的南极登陆,目的是寻找月球上的水源,为未来完成载人登月任务的航天员提供生存资源,同时为人类移居月球铺平道路。

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欧洲航天局还拟用3D打印技术建造未来的月球基地

韩国将与美国合作,在2017年发射试验型月球轨道器,然后以此为基础在2020年发射自主研发的月球轨道器和月球着陆器。

日本方面,2007年9月,日本成功发射了第一颗大型月球探测器“月亮女神”,这是当时继美国的阿波罗计划后全球最大规模的探月工程。

月亮女神号模拟图
月亮女神号模拟图

作为“月亮女神”的后续,日本计划于2015年发射“月亮女神2号”在月球表面实现软着陆,并放下探测机器人。预计在2025年,还将在接近于月球背面的南极实现软着陆,并把月球上的岩石样本带回来。

民间登月力量

再说说新一轮登月竞赛的发起者美国,2004年,时任总统的小布什提出了“星座计划”:在2018年重新载人登月,这个计划大约要花费1040亿美元;2025年,计划载人登陆火星,总花费更是高达2170亿美元。

可惜2008年金融危机爆发。由于财政拮据,新总统奥巴马不得不取消了“星座计划”,转而鼓励私人企业进入空间探索领域。

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“太空船一号”

“谷歌月球X大奖”应运而生。在“谷歌月球X大奖”之前,还有一个类似奖项——“安萨里X大奖”(Ansari X PRIZE),奖金为1000万美元,于2004年颁布,“太空船一号”(SpaceShipOne)最终问鼎,成为第一架飞出大气层的私人造载人航天器。

而在“谷歌月球X大奖”中,美国宇宙机器人技术公司(Astrobotic Technology)正处于领先地位,他们是第一支已经获得订金,用以制造能携带宇宙飞船和月球车的火箭的团队。

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美国宇宙机器人技术公司研发的月球车

在所有参赛团队中,月球快车公司(Moon Express)是资金最雄厚的一支,这家公司直到大赛开始3年才参赛,但由于有NASA此前开发出的宇宙飞船平台助阵,因此月球快车公司已在逐渐扳回劣势。

月球快车公司的登陆器
月球快车公司研发的登陆器

另一个有力竞争者是Next Giant Leap公司,该公司与麻省理工学院的德雷珀实验室(Draper Laboratory)合作打造了一款新奇的“跳跃”宇宙飞船,有了它就不再需要单独的月球车了。在着陆之后,这款飞船能够重新点燃原本辅助着陆的助推器,从而再次起飞,前往着陆点附近的其他考察点。

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Next Giant Leap公司登月飞船设想图

“谷歌月球X大奖”的组织者希望参与者的产品能够立即投入到商用市场中。例如,宇宙机器人公司的宇宙飞船和月球车都提供了商用空间,价格分别是180万美元/千克和200万美元/千克,另外还外加一笔25万美元的“集成费”。

这将是某些科学家的福音。比如,研究者因此将有机会把一台激光测距逆向反射镜阵列(array of laser ranging retro reflectors)安置在月球表面。利用它测得的地月距离,将比以前测得的结果精确100倍以上。现在月面上的反射体,还是“阿波罗计划”时代带上去的呢。

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NASA用来种植植物的容器的模型

“谷歌月球X大奖”的参赛者,还将承包美国宇航局(NASA)的科研项目,比如,NASA将试图在2015年通过在月球上种植植物。如果他们成功,这将是人类首次将生命带到其他星球。NASA团队将试着把咖啡罐大小的铝质圆筒将作为植物的栖息环境,这些圆筒将装有照相机、传感器以及电子设备,还必须能够成功地调节自己的温度、含水量以及电力供应,以便对抗恶劣的月球气候环境。而“谷歌月球X大奖”的胜出者,很可能将带上这件特殊的“行李”。

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NASA试验种植的植物

举国体制暂时领先

“嫦娥”登月在即。目前来看,在举国体制与民间力量的登月PK中,举国体制暂时领先。

猎鹰9号发射瞬间
“猎鹰9号”运载火箭发射瞬间

对于商业公司而言,成本和技术都是制约因素。比如,美国的每一位参赛者,都选择了太空探索科技公司(SpaceX)进行发射,但是发射成本仍是一笔巨大开支。尽管比其他同类火箭便宜,“猎鹰9号”运载火箭公开的发射成本,也达到了5400万美元,是“谷歌月球X大奖”奖金的两倍还多。

又如,在长达两个星期的黑夜中,月球表面温度将从白天的120℃急剧下降到-172℃左右。所有含有水成分的组件,例如电池,都将因水凝结成冰,体积膨胀,而遭受无法补救的破坏。

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“玉兔号”月球车样机

唯一一辆在月球上成功挺过昼夜极端环境考验的月球车,是前苏联的“Lunokhod”号,它依靠放射性元素钋的一种同位素来保温。中国的“玉兔号”月球车也将使用放射性同位素来提供能量,扛过急剧的温差变化。

而宇宙机器人公司和其他竞争“谷歌月球X大奖”的私人企业,都很难获得这种受到严格管制的材料。为了保护月球车,在晚上,宇宙机器人公司的月球车将进入冬眠模式,而当白天来临,阳光激活一种无水锂离子磷酸铁电池后,漫游车就会“苏醒”。

此类创新性价比极高,也是“谷歌月球X大奖”希望达到的一个目的。也许,“谷歌月球X大奖”的好处,并不是立竿见影。

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美国6次登月仍有5面国旗矗立月球

虽然进度落后于“嫦娥工程”,“谷歌月球X大奖”至少已经达成了一项成果:大赛与NASA达成协议,不允许未来登月者破坏“阿波罗号”在月球上的历史遗迹。虽然不具备强制力,但有望成为后来者参考的模范。

科幻魅影

*解析科幻作品背后的真假魅影*

“这是个人迈出的一小步,但却是人类迈出的一大步”尼尔·阿姆斯特朗如是说。1969年7月21日,人类首次登上38万公里外的月球。不过,早在登月计划的100多年前的1865年,法国科幻作家儒勒·凡尔纳就“预言”了登月计划。

儒勒·凡尔纳
儒勒·凡尔纳

在《从地球到月球》一书中,凡尔纳以美国南北战争结束后的社会为背景,虚构了一个由大炮发明家组建起来的俱乐部,制造出一门270米长的巨型大炮,用直径2.74米、重8.7吨的铝制炮弹送人上月球的故事。

凡尔纳博物馆中的“炮弹飞船”模型
凡尔纳博物馆中的“炮弹飞船”模型

凡尔纳的构想,除了材料工程学和动力化学方面的问题以外,单就轨道和速度而言,几乎无懈可击。 发射点同为佛罗里达卡纳维拉尔角。“宇航员”人数都为3人。凡尔纳的炮弹飞行速度为36000英尺每秒,阿波罗火箭的速度为35533英尺每秒。凡尔纳估算炮弹飞行的时间为97小时13分20秒,真实的阿波罗登月用了103小时30分。而两者的降落地点差距只有十几公里。

一句话问答

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一句话提问:

比光速更快的是什么?

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一句话回答:

宇宙膨胀的速度最终将比光速更快。

在大约140亿年前,宇宙中诞生于大爆炸,所有物质开始向各个方向飞散,时至今日,大爆炸仍在驱使星系向外运动。美国约翰霍普金斯大学的物理学家查尔斯·贝内特 (Charles Bennett)认为,宇宙膨胀的速度没有上限。但爱因斯坦的理论“没有什么的速度能比真空中的光速还快”仍是正确的,因为是空间本身在膨胀,而空间什么都不是。

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但是,在超过光速膨胀的宇宙中,物体运动的速度或者信息传递的速度依然无法超越光速。随着宇宙继续加速膨胀,一些星系发出的光线将无法到达地球,就像奔跑的同时跑道也在延伸,如果跑道延伸的速度超过你的速度,那么就永远到不了终点。随着宇宙继续加速膨胀,这样逃出视界的星系将越来越多,在遥远的未来,可见的宇宙范围内将只剩下银河系自己孤零零的一个。

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