“阿波罗”计划中的科学实验

Space Exploration - - 太空探索 |【博览】 - 文/ 从容

对于阿波罗登月计划,人们至今不会忘记阿波罗11号航天员阿姆斯特朗留在月球上的第一个脚印,虽然它远在 38万公里之外,却如同就在眼前一样清晰;也会清楚记得他那句“一小步”和“一大步”的名言,虽然事隔近半个世纪,却依然那么振奋人心。至于除此之外的其他内容,许多人可能就说不上什么了。其实,航天员踏上月球仅是一个开场,更多的好戏还在后头。

政治夹缝中的探索

可以说,前几次阿波罗登月的政治意义明显大于它的科学意义。特别是阿波罗11号的登月成功标志着美国达到了预期目的:与苏联的太空竞赛最终将对手摔倒在月球上。随后的几次登月又进一步证明这个决定性的胜利决非偶然,证明了美国是一个想干事一定能成事的国家。然而,到1970 年 4月阿波罗 13号发射时,公众已经对登月飞行兴趣索然,一些人甚至已经厌倦到连电 视机都懒得打开了,因为飞向月球已经不再是新鲜事,对他们来说,人类登上月球一次就够了,再登就没什么意义了。

与公众的这种反应相反,科学家们的探月热情却居高不下,他们不像政客那样把阿波罗计划当作政治筹码,而是始终当成一个广阔的科学领域。科学家们一直认为,登月的主要科学目的应该是研究月球的形成,以及地质特性和化学结构,所以要拍摄月球的形状,利用岩石土壤样品分析月面化学结构,通过各种仪器研究月球的内部性质。于是,

每次登月飞行都围绕月面学、月成学和月球测量学这三个现代月球研究领域的主要学科开展多项探索和实验,包括月震、热流、太阳风成分、月面大气成分、月面引力、月球轮廓、月球微陨石、月球磁场测量等。

早在阿波罗11号飞行期间,航天员就在月面安置了早期阿波罗月面实验站和太阳风收集器,完成了无源月震实验、月球测距实验和太阳风成分实验。

早期阿波罗月面实验站包括一个自动月震仪和一个激光反射器。自动月震仪主要用于测量由陨石坠落和火山爆发造成的震动,它包括日晷仪、无线电发射机、螺旋天线、传感器以及电子设备,灵敏度比地球上用的地震仪高100倍,可以测出航天员从它旁边经过时的脚步。至于榔头敲东西时的震动就更不用说了,当离它几十米外的航天员奥尔德林敲打钻孔器时,地球上的人们能清楚地看到每次敲击的震动波形。月震仪安放后很快监测到了一次由一块1吨左右的陨石落下引起的月震。

激光反射器是一种镜子一样的装置,它能把从地球发射的激光反射回去,根据激光往返的时间就能测算出地球和月球之间的距离,误差不超过15厘米,比用误差几十米的其他测量方法得出的 结果精确得多。后来,阿波罗14 号和15号又使用了更先进的激光反射器,证明月球在以每年3.8厘米的速度“疏远”地球。

太阳风收集器是开展太阳风成分实验的工具,把它在月球上朝太阳竖起来能捕获太阳风粒子,然后再放进一只真空盒子带回地球研究。别看它插在月球上的时间不长,测量的数据却很精确,所以除阿波罗17号外,其他五次登月飞行都使用了它,从而使太阳风成分实验和月震实验一样成为阿波罗登月计划中开展次数最多的实验项目。

对太阳风的其他研究在阿波罗12号和15号上进行。太阳风大约95%的物质为自由电子和质子,用太阳风谱仪不仅记录了它的能量密度和瞬时状态,同时还测定了方位。

阿波罗12号以及14 号、15号都进行了月面大气成分实验,即采用质谱仪测量月球大气层成分和气体分子密度。实验证明,月球的微量气体中含有氩、氨、硫化氢、水蒸气、一氧化碳、二氧化硫等成分,它们主要来自火山、太阳和人类。在人类产生的气体中,飞船发动机喷出的气体最多,阿波罗飞船的一次降落就要排放出8吨废气,而月球上的全部大气估计不过200 吨。其 他的人为气体包括登月舱在月球上逗留时排放的废气,月球车电池、科学实验站排出的气体以及航天员的排泄等。

另一项实验是用冷阴极(电离)真空计测量大气压力,结果这种异常灵敏的仪器证明,月球虽然存在大气却异常稀薄,压力比地球低14个数量级,总量不比登月舱下降过程中发动机喷出的物质多。

“飞船的任务就是科学”

阿波罗计划在执行过程中分为若干阶段,分别用英文字母A至J(其中

缺少I)代表。G代表阿波罗11 号首次登月任务,H代表阿波罗12 至 14号任务,J代表阿波罗15 号至 17 号任务。G和H两个阶段的三次飞行属于纯粹探险,而J阶段的三次飞行则重在以科学发现和研究为目的,正如阿波罗15号登月舱驾驶员吉姆·欧文所说,“我们这次飞行被认为是首次在月球进行长时间的科学探测。这个飞船的任务就是科学。”

似乎是为了强调阿波罗计划进入了纯科学研究阶段,J阶段的每次飞行都使用了改进的登月舱,使航天员的逗留时间更长,携带的科学仪器也比前几次大得多,而且还携带了月球车,使航天员的双腿伸得更长。阿波罗15 号不仅第一次把月球车带上月球,指令长斯科特还表演了一个绝妙的趣味实验:他让一根羽毛和一把锤子一起落下,结果它们同时掉到月面,证明了伽利略的真空状态下两个质量不同的物体降落速度一样这个著名理论。

既然重在科学研究,那么科学实 验站就是必不可少的。这是一套从阿波罗 12号开始就带到月球上的科学实验装置, J阶段用的科学实验站是它的扩大型。整个登月期间,共有5座这样的实验站被放置到月球上。

科学实验站最大的用途是控制各种科学实验仪器,把它们的电信号变换成无线电信号传回地球,起到实验站与地球联络站的一种桥梁作用。航天员离开月球后,它将继续通过微波中继把各种实验数据发回地球。

科学实验站是核动力的,电能来自放射性同位素热电发电机,通过扁形带状电缆提供给周围的实验仪器。核燃料事先装在登月舱内一只瓶形容器里,到达月球后再把它加入发电机燃料盒。发电机的功率为70瓦,恰好满足所有实验仪器以及向地球传送数据的需要。

实验站的核心设备是中心站,是一个箱型装置,顶部装有指向地球的高增益螺旋天线,里面装有太阳风谱仪、月球表面磁强仪,以及无源月震实验设备和有源月震实验设备等。由中心站控 制进行的实验有热流实验、月震轮廓实验、月面引力实验、月球大气成分实验、月球微陨石实验等。

热流实验是测量某一地区从月球内部流到月面的热量以及月球内部的热损耗率,以此分析月球内部结构,掌握月球的温度历史。这项实验最先在阿波罗 15号的降落区进行,测得的热流数据出人意料,比大部分科学家的分析大一倍。阿波罗16号也安排了这项实验,可是由于航天员跌了一跤,弄断了连接中心站的电缆而告失败。阿波罗17 号不负众望,顺利完成了实验。

月震轮廓实验的原理有些像月震实验,只是方法不同,它用传音器检测月球内部声波,就好像医生用听诊器检查病人的心跳一样。令人吃惊的是,这种实验为了制造月震竟使用了“炮仗”和“定时炸弹”。先是阿波罗16 号的航天员投掷了一个“雷管”,月震检波器检测到传入地下的爆炸后再把它传送到地球。航天员还在月面设置了一个装有 4种爆炸物的枪榴弹筒,3个月后由

地球发出的信号引爆。“定时炸弹”是由阿波罗17号航天员安放在8个选定地点上的,装药少的0.06千克,多的2.7千克,安放90多个小时后由发自地球的信号引爆,那时航天员已经在返回地球的途中,所以爆炸不会危及他们的安全。这次实验数据显示该地区的下面有至少 1000米厚的玄武岩石板。

更剧烈的爆炸来自火箭和飞船。“土星5号”的第三级火箭与飞船分离后以 9000公里的时速和11 吨 TNT当量的威力撞击月球,引起3小时 20分钟的震动;阿波罗飞船登月舱的上升段抛弃后也以6920公里的时速和0.68吨 TNT的爆炸力撞击月球,引起了一个多小时的震动。这些现象使科学家认识到,月震波在月球内部会发生持续一小时以上的多次回波反射,而地震波的回波反射次数却很少,震动时间仅有几秒钟,这是月震同地震在震动次数和释放能量上极为悬殊之外的又一个显著区别。由于对月震的测量有助于分析月球下面深藏着什么,月壳有多厚,于是科学家们决定把后续飞行中废弃的三级火箭和登月舱上升段都抛弃到月球上,继续用这种人工月震的方法探测月球构 造。

在 J阶段任务中,随着阿波罗18号和 19号两次飞行任务被取消,两艘飞船原计划携带的科学仪器都转移到最后一次任务中,所以阿波罗17号携带了 26种最新最好的实验仪器,完成了10项新的科学实验(7项在月球上进行,3项在月球轨道上进行),是历次登月飞行中实验项目最多的一次。阿波罗 17号的另一个亮点是地质学家哈里森·施密特随航天员一起登上月球,采集了最有研究价值的岩石标本。

除了前面提到的实验外,阿波罗17号还完成了表面电性能实验、月球通廊重力实验、月球中子探测实验、宇宙射线探测实验等。

阿波罗15 号至 17号的航天员还在月球轨道上开展了多项遥感实验。飞船的服务舱上专门开辟了一个隔间,里面装备了全景摄像机、测绘摄像机、激光高度仪、γ射线摄谱仪、α粒子摄谱仪、X射线荧光摄谱仪等仪器,用于月球表面研究。摄像机用的是锁眼侦察卫星的光学仪器,拍摄的胶卷由航天员太空行走时取出带回地球。

在离开月球轨道之前,阿波罗15 号和 16号还分别从服务舱施放了一颗月球卫星,用于测量月球的辐射和太阳风等数据,以及月球背面的磁场,绘制月球电场和弱磁场辐射图。

对6次登月获得的科学探索结果,以及航天员采集回来的月球岩石和土壤标本,科学家们进行了长期的分析和研究,初步弄清了月球的起源和演化,以及着陆点附近岩石的年龄、物理和化学性质等科学问题。大量的实验表明,月球由岩石构成,内部分区与地球的内部分区相似,是一个由地球演化的行星,它无论是过去还是现在都不存在任何生命的迹象。★

阿波罗 12号航天员皮特·康拉德拿着刚装进月球土壤的真空环境标本容器罐

阿波罗 11号航天员放置的月震仪

阿波罗 11号航天员放置的激光反射器

阿波罗 12号航天员放置的超热离子探测器

为科学实验站提供电能的放射性同位素热电发电机

超热离子探测器与远处的科学实验站相连

阿波罗17号的月面引力计(左)、月面质谱仪(中)和月球微陨石实验仪(右)

阿波罗 16号航天员放置的月震被动实验仪,防热罩可使敏感仪器经受月面极端温度变化

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