浅谈美苏太空竞赛为何苏联无法完成登月任务？

　　中国长征火箭系列家族
　　长征5号（左）和长征9号（右）对比
　　最近，关于登月的话题大家又讨论了起来。根据龙乐豪院士披露，我国将于2030年左右完成载人登月。美国作为人类历史上唯一一个登上过月球，而且是先后六次登上月球的国家，自然不甘落后，提出了2024年重返月球的计划，并于11月16日，成功发射了最新登月火箭＂阿尔忒弥斯1号＂，虽然说是几经周折，但也揭开了美国重返月球计划的第一步。那些曾质疑美国的登月疑问也随着＂阿尔忒弥斯1号＂的成功发射而烟消云散。
　　美国＂阿尔忒弥斯1号＂火箭远景
　　美国＂阿尔忒弥斯1号＂火箭发射
　　作为冷战时期跟美国比肩的超级大国苏联，在太空领域也取得了惊人的成就，但始终都没有把人类送上月球，那么，当时苏联为什么无法完成登月呢？
　　首先就不得不讲一下，当时美苏两国的航天技术。
　　航天事业的发展最初源于火箭技术，而发展火箭最初的目的也是为了战争。在军事上，能用火炮进行远程攻击的一方通常会占有优势。
　　在第二次世界大战之前，人们在远程打击方面能做的，只能是把火炮的炮管长度加长，让炮弹在出膛前能够有足够长的时间加速，以获得更大的初速度，这样炮弹就获得了更多的动能，可以打到更远的地方。
　　德国在第一次世界大战中制造出炮管超过30米的超级大炮。这种火炮虽然射程超过100公里（最远的记录为122公里），但是实在是太笨重，而且发射不了几炮，炮管就变形，无法准确射击了。
　　到了二战期间，德国人开始研制射程更远、更有威力、打击更精准的秘密武器。由于它的保密工作做得很好，盟军对此所知甚少，直到1944年秋的一天，一个庞然大物从天而降，落在伦敦西南部的奇西克（ Chiswick )地区，并引起了大爆炸，炸死3人，炸伤22人，这时盟国才体会到德国这种新武器的厉害。
　　和过去靠惯性打击的火炮所不同的是，这种当时被称为＂飞弹＂的武器在发射的过程中可以不断加速。这就是我在前面介绍过的＂ V -2飞弹＂。
　　不过，这种飞弹却没有对德国扭转战局产生什么帮助，因为它的准确性不高。但是这种能够进行远程打击的秘密武器，却让全世界看清了未来远程攻击武器的发展方向。
　　二战末期，为了保证德国研制火箭的科学家不落到苏联人手里，美国派出了以冯．卡门和他的学生钱学森为首的一个小组，抢在苏联人之前找到了德国火箭的负责人，当时年仅32岁的火箭专家冯.布劳恩，并且说服他来到了美国。
　　冯.布劳恩
　　冯．布劳恩在美国几乎赋闲了五年，因为二战后美国一直在裁军。1950年朝鲜战争爆发，才给了他重新研制火箭的机会。而在冷战的另一边，身份是囚徒的科罗廖夫则带领苏联人走在了前面。
　　科罗廖夫是苏联最杰出的航天科学家，他年仅25岁的时候就成为了苏联火箭研制小组的负责人，但是在斯大林的大清洗中，他因为莫须有的阴谋颠覆罪遭到逮捕，先是在劳改营里做苦工，后来在没有人身自由的情况下，被安排从事火箭的研究。
　　科罗廖夫
　　二战后，苏联加紧了对火箭的研究，而仍然在蒙受冤屈的科罗廖夫，本着对苏联的忠心耿耿，开始领导起苏联的火箭研制工作。在冷战期间，美苏双方的太空竞赛在很大程度上则是冯．布劳恩和科罗廖夫两个人的竞赛。双方的竞赛经历了三个回合。
　　第一个回合是看谁先将人造卫星送入地球轨道。
　　这一回合，科罗廖夫领导的苏联获胜。获胜的主要原因是他们的火箭的推力大得多。1953年，苏联在科罗廖夫的领导下，成功发射了 R -5弹道导弹，射程可达1200公里，射程和运载能力都比德国当年的 V -2提高了很多。随后，科罗廖夫研制出著名的 R -7火箭，运载能力和射程都有巨大的提高。
　　1957年10月4日，苏联使用 R -7火箭成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星＂史泼尼克一号＂( Sputnik - l )，这标志着人类从此进入了利用航天器探索外层空间的新时代。＂史泼尼克一号＂被赋予了太多的＂第一＂,《纽约时报》当时发表的评论说，该卫星的发射不亚于原始人第一次学会直立行走，这是一个极高的赞誉。
　　第二回合是看谁先把人送入太空。
　　这一回合也是以科罗廖夫为首的苏联再次获胜。他们在经过了数次失败后，终于在1961年4月12日这一天，迎来了全人类历史性的时刻。
　　苏联太空第一人加加林
　　那天上午，苏联宇航员尤里．加加林登上了耸立在拜科努尔航天发射场的＂东方一号＂宇宙飞船。9点零7分，火箭点火发射，飞船奔向预定的地球轨道，加加林在完成了环绕地球一周的航行后，成功跳伞着陆。
　　虽然加加林的整个太空旅行只持续了108分钟，中间还遇到不少小问题，但是这次飞行的意义非凡，它标志着人类第一次进入外太空。
　　第三回合是看谁先把人送上月球。
　　这一回合，冯．布劳恩不仅完胜，也从此奠定了他在航天史上第一人的地位。他为阿波罗登月所设计的＂土星五号＂火箭，1967年首次发射，至今依然是历史上推力最强大，运载能力最强，而且没有发射失败过的火箭。
　　那么科罗廖夫何以在赢了前两个回合之后，第三回合完败呢？这其实并非他个人能力不行，而是苏联输在了能量的总量上，这就如同纳粹德国在核竞赛上输给美国，也是能量总量不足所致。其次，苏联在信息技术和系统工程上水平和美国相去甚远。最后，苏联还输在人才总量上。
　　接下来我们就一一展开分析。
　　首先，美国在实施＂阿波罗计划＂的过程中，显示出强大的国力。最多时，有两万家公司、研究机构和大学，40万人直接和间接地参与了这项航天计划。
　　为了加快研究速度，美国在＂阿波罗计划＂中采用了高密度的流水线式的研发方式，也就是当第一号火箭发射时，第二号在测试，第三号在组装，第四号在制造，第五号在设计研制……每一枚火箭发射的间隔只有半年甚至更短。
　　当然，这里面也存在一个问题，如果在中间某个环节发现了问题，已经在流水线上的所有火箭都要全部报废，所有工作推倒重来，这样的成本非常高。事实土，在＂阿波罗计划＂和之前的＂双子星座计划＂中，就有三枚火箭因此而报废。毫无疑问，美国这是在用能量和钱来换时间，以便抢在苏联人的前面。
　　其次，登月远比载人进入地球轨道难得多，需要火箭技术和信息技术的革命，而后者常常被忽视。
　　登月首先要保证在月球上着陆的地点准确，而且要保证返回火箭和飞船能够在月球轨道上准确对接，这就要用到控制论了。对于阿波罗登月控制方面贡献最大的科学家是数学家卡尔曼，他在维纳控制论的基础上提出了卡尔曼滤波，这从理论上保证了火箭能够准确无误地抵达登月的地点。
　　不过，在实现卡尔曼滤波的过程中又遇到了麻烦，当时控制阿波罗登月的大型计算机还没有今天一台智能手机快，因此完成不了卡尔曼滤波的计算，于是许多控制专家和计算机专家经过努力，在误差允许的范围内简化了数学模型，这才实现了登月的控制。
　　在信息技术方面另一个关键问题是远程无线通讯。为了确保相距38万公里的地、月之间通信畅通，美国发射了很多环月球的航天器，专门测试地月之间的通信情况。
　　最后，由摩托罗拉公司提供了月球和地球之间的对讲设备，保证了登月计划通信的畅通。为了在月球上拍摄清晰的影像，瑞典的哈苏公司研制出特殊的照相器材，记录了阿波罗登月宝贵的科学和历史资料。
　　相比之下，苏联在综合国力上，在除了火箭设计的其他技术上，特别是信息技术上，和美国都相去甚远，远没到能够登陆月球的水平。即便是在火箭制造上，苏联和美国也有较大差距，这包括从火箭发动机的材料，到燃料，到加工各方面。由于制造水平不够，苏联尝试发射了几次登月火箭 N -1，都失败了。
　　最后讲讲双方在人才上的差距。美国在苏联人率先成功地发射了第一颗人造卫星＂史泼尼克一号＂后，陷入了所谓的＂史泼尼克危机＂，因为美国人担心苏联能将发射卫星的火箭装上核弹头打到美国。
　　作为回应，美国采取了一系列措施以夺回技术优势，当年就通过了《国防教育法案》，该法案对美国接下来20年的科技人才的培养产生了重大的影响，同时美国向世界各国的人才敞开大门，其中包括很多华裔科学家和工程师。而包括冯．布劳恩在内的一批德国和欧洲的科学家起到了关键的作用。
　　反观苏联，虽然在二战时也把一批德国火箭专家带回到苏联，但是因为不能够信任他们，又将他们送回到东德。因此登月的竞赛实际上是苏联和整个西方世界在智力上的比拼。
　　最后，虽然美、苏两国最初是出于国家安全考虑进行太空竞赛的，但是很快人类开始在航天领域开展了相互合作，并且让这个领域成为了全世界合作最密切的科研领域，今天的国际太空站，就是这种合作的产物。
　　马斯克的＂星舰＂
　　space x 可回收火箭
　　总结：直到今天，像登月这样的大型项目，依然是在比拼一个国家能够调动的总能量；登月这种项目，是一个极为复杂的系统工程，人们通常能够看到的只有火箭部分，但是在它的背后，信息系统、控制系统同样重要。从方法论上讲，阿波罗登月的成功是控制论新方法的成功。登月能够在60年代技术条件和今天相比不算成熟的时间点完成，在很大程度上靠工程师们化繁为简的能力。最后，任何大型项目的比拼，也都是人才的比拼。