圖1，是阿波羅飛船整體結構

主要是2部分，著陸器和飛船，總重量約48噸，其中飛船30噸，著陸器16.5噸

飛船分為指令艙和服務艙:組成了一枚火箭，美國飛船的指令艙是錐形的(上圖，中俄是鍾型)，細的那一頭是對介面，鈍的那一頭是隔熱大底，用於裝載宇航員進入地球大氣層。後面的火箭是服務艙，放引擎和燃料的地方，用於逃逸月球引力和返回地球的動力，最後會拋棄掉。

指令艙和服務艙留在月球軌道上接應返回的上升級，然後回地球。登月的時候上面會留有1個宇航員待命。

圖4，飛船與著陸器分離的模擬圖

登月艙:分上升級和降落級，各有一套引擎。著陸的時候一起下去，由下面級減速。返回的時候只有上升級點火起飛，下降級相當於是個簡易的發射平臺。

離開月球的時候上升級起飛，與月球軌道上待機的飛船對接，轉移宇航員，然後拋棄上升級。飛船加速逃逸月球引力，進入環地球的軌道，然後稍稍逆向加速就可以把近地點的高度降下來，進入返回地球的軌道，接近地球軌道後拋棄服務艙，由指令艙返回地面(濺落到海面)。

這個過程去找個科普影片看看比較直觀。對航天有興趣的話可以去找個叫《坎巴拉太空計劃》的遊戲，自己操作一遍就更明白了。

我們以阿波羅11號飛船舉例，首先是登月過程。與地球軌道飛船不同，美國登月飛船採用的是三艙式，分別為指令艙、登月艙以及服務艙。巨大的土星5號火箭將上百噸的飛船送上太空，在與第三級火箭分離後阿波羅11號並不是立馬就飛向月球的，而是沿著過渡軌道飛行了2.5天后，才開始接近月球，此時飛船服務艙的主發動機減速，使飛船進入環月軌道。

進入繞月軌道後登月艙和指令艙開始分離，登月艙分為上下兩個部分，下部帶著著陸火箭及工作儀器，上部帶著返回火箭及相關人員。當登月艙下落時，下半部分的的火箭工作，讓飛船減速並平穩停在月球表面。接著就是宇航員出艙，進行各種探測活動。

在宇航員返歸地球時，情況其實是完全不一樣的。因為服務艙和登月艙在完成任務後留在了月球，只剩下指令艙，加上許多裝置和儀器用品沒法帶回地球，只能就地丟棄，這就造成飛船返回時的質量大大減輕了。而且月球重力僅僅是地球的六分之一，還沒有大氣，所以需要的燃料遠遠比脫離地球表面小得多。

返回時，返回艙先利用返回火箭離開地面，返回艙火箭只需提供1.6噸推力，就能在4分鐘內將返回艙送入月球軌道，指令艙在規定時間內主動與返回艙對接，並把宇航員接回指令艙，隨後丟棄返回艙，然後開始踏上返回地球的旅途。當宇航員回到地球時，只剩下一個小小的著陸艙了，著陸艙靠大氣層和降落傘減速，最後掉進大海中實現軟著陸，最後，地面工作人員將宇航員打撈上船，至此，整個返回過程才算正式結束。

月球雖然引力小，也必須有火箭才能夠離開月球，要想到月球返回到地球，必須要帶火箭，把人火箭，月球車一次送到月球上去，這樣，在返回地球的時候，就可以了，把火箭安裝在月球車上，有地面人遙控，當宇航員坐到火箭上時候，有地面遙控，來點火，雖然地球引力很小，但是她也需要火箭的推力才能離開月球，離開了月球，進入了軌道，這時候，宇航員就能夠返回到地球來了，如果一次運不到月球上去的重量太重了，那就兩次或者三次運送到月球上去，這樣就減輕火箭的壓力，使火箭很順利的到達月球 如果火箭特別長不好運到上面去，你可以把他分成零碎，到上面去組裝，這樣就好運了，裡面編的程式有地面來遙控和來點火，我就說這些了

我們知道逃離一個星球的速度和該星球的引力大小有關！

以地球為例，逃離地球的速度可以分為三種。

第一宇宙速度7.9km/s，這是火箭發射時候的最小速度，也是最大的環繞地球速度。簡單的來說，要想擺脫地球的引力，使其環繞地球軌道執行，那麼火箭理論上最低的發射速度是7.9km/s。

第二宇宙速度，對於人類來說，要想擺脫地球的引力，完全分離出去，最小的發射速度是11.2km/s。這也是登月或者登陸火星的最低發射速度。

第三宇宙速度則是要求火箭擺脫太陽的引力束縛，也就是達到這一速度後，飛船就可以脫離太陽系進入宇宙空間了（16.7km/s），比如旅行者一號！

首先是火箭飛行的基本公式——齊奧爾科夫斯基公式，非常簡單——假設理想情況下（不考慮任何其他外力），有一質量為m的火箭，初始速度為0，噴氣速度恆定為V0，那麼，

動量守恆有：m*dv=v0*dm(火箭本體獲得的動量增量=噴出氣體的動量)，

一積分就可以得到：v=v0*ln(m/m0)，

左邊是火箭的末速度，右邊是噴氣速度乘以質量比的對數。

質量比就是火箭的初末質量之比，即（載荷+燃料）/載荷

然後就是高中的公式——環繞速度，

由於萬有引力提供向心力，

GMm/rr=mvv/r，

環繞速度v=sqrt(GM/r)。

只需要這兩個公式，我們就可以估計分別從地球和月球發射火箭到各自的近地軌道需要多大的質量比。很容易能計算出地月的環繞速度分別為7.9km/s和1.7km/s。

登月艙上升段火箭發動機噴氣速度大約為2.2km/s，假設從地球發射的火箭發動機也為這一水平，代到第一個公式裡面，就能得到各自質量比，分別是36.27和2.16。

當然這是理想情況，沒有考慮地球上的空氣阻力和各自星球的引力做功，但是這些都是可以作為修正量的小量可以暫不考慮。

【同樣發射1千克物體，地球需要35千克燃料，月球只需要1kg】——這就是問題所在——大部分人認為月球重力是地球的1/6，那麼發射火箭起碼也得是1/6，但實際上由於對數關係的存在，燃料與環繞速度的關係是完全非線性的，不能簡單的用“日常思維”去套。

阿波羅飛船由三大部份組成。

一是指令艙，做繞月飛行,負責登月艙與地光球之間的通訊中繼，登月結束後，帶宇航員返回地球；

二是登月艙，主要用途是把宇航員送到月球上；

三是返回艙，也就是登月艙上面的那一部份，主要負責把登月的宇航員和月岩樣品帶回繞月軌道，與指令艙對接，然後一同返回地球。

月球第一宇宙速度為1.6KM/S,這是繞月飛行的最低速度，低於這個速度飛船就會向月球下降，超過這個速度,飛船的軌道就會越來越高，越來越扁；月球的第二宇宙速度為2.38KM/S，超過這個速度,飛船就將突破月球引力束縛，飛向太空；返回艙要與指令艙會合，速度必需要達到1.6KM/S。

當初登月艙和返回艙與指令艙分離時，總重量大約為16T，下降到月球,耗掉了大量燃料，加上拋掉的登月艙的自重，返回艙返回時，其起始重量只有4-6T的樣子，返回艙有四臺發動機，有足夠的燃料，返回艙就可以克服月球重力，回到繞月軌道的指令艙。

迄今為止，人類先後共計載人登月了六次，均由美華人完成，也就是廣為人知的“阿波羅計劃”。

對於登月方式，阿波羅計劃提出過兩種預選方案，一種是“地球軌道交會”，一種是“月球軌道交會”。

由於成本、技術難度等綜合原因，地球軌道交會被放棄了。

可從上圖可以看見，在阿波羅計劃中，登月裝置的主體由勤務艙、指令艙、登月艙三大部分構成。

登月任務由3名宇航員共同執行，在進入月球軌道後，“登月艙”會脫離主體，攜帶2名宇航員登陸月球；指令\勤務艙則繼續在月球軌道上環行，由另1名宇航員來“照顧”。

如上圖所示，登月艙上方的艙室是“上升段”；下方被聚醯亞胺薄膜包裹得嚴嚴實實的部分，全部屬於“下降段”。聚醯亞胺薄膜能起到保溫、防撞、反射粒子、抗輻射等保護作用。

下降段的四條支架能起到緩衝及平衡的作用，但下降段絕不僅僅只是支架，還包括月球車、下降引擎、月面攝像機等設施，以及食品、水、氧氣、燃料等資源的儲存。

最重要的是，下降段是一個簡易發射架，在任務結束後，能將上升段發射到月球軌道。

也就是說，任務結束後，下降段以及它攜帶的所有物資都會被遺留在月球表面，而宇航員會乘坐上升段離開月球，在軌道中重新與指令\勤務艙對接。

這也是下降段會被聚醯亞胺薄膜完全包裹起來的主要原因——它和它攜帶的所有物資會長期暴露在沒有大氣層防禦的宇宙環境中。而這些物資是可以反覆利用的。

整個對接的過程比較繁雜，限於篇幅就不贅述了。

總而言之，當上升段和指令\勤務艙成功對接後，宇航員回到指令艙中，再經過一系列的變速、變軌、脫離，最終絕大部分都會被遺棄在月球表面或太空中，唯一帶著宇航員返回的地球的就只有指令艙。

也就是下面這一坨▼

因此，在阿波羅載人登月計劃中（準確地說，是採用月球軌道交會的方式），整個任務的過程如下：

運載火箭將登月主體拋射到月球軌道，自身殘骸掉回地面；

登月艙脫離指令\勤務艙，帶著宇航員下降到月球表面；

下降段將上升段發射回月球軌道，自身被遺留在月球；

上升段將宇航員送回指令\勤務艙；自身再次脫離，被遺棄在太空；

勤務艙將指令艙送入地球軌道，然後自身脫離，被遺留在太空（或殘骸掉回地球）。

指令艙將宇航員回到地球，自身被大氣層燒破相。

可見在整個任務過程中，除了宇航員是全程安全的，幾乎所有裝置都會在完成自身使命後被拋棄或損毀。

而這還是目前成本最低的一種登月方式。

登月的宇航員就是坐著帶動力的火箭返回地球的。

如下圖所示，我們用第一次登月的土星五號和阿波羅11號來說明一下。巨大的土星五號火箭大家可能不陌生，但是火箭頭部的登月艙/指揮艙可能大家不太熟悉。

下圖就是指揮艙和登月艙的放大圖。登月的宇航員們就是在這些地方生活、登月和返回地球的。大家看到其中的圓柱狀、圓球狀的罐子了嗎？這些罐子裡面滿滿當當裝載的都是燃料，而喇叭狀的噴口就是燃料噴口，所以宇航員們乘坐的並不是一個大鐵疙瘩，而是有動力的飛船。

而且我們只要計算一下重量就可以知道，整個指揮艙+登月艙的重量在45噸左右，但是這些裝置上攜帶的燃料重量居然高達30噸，所以宇航員完全就是跟一個燃料庫生活在一起，宇航員們就是憑藉著這些燃料在太空中改變軌道、登陸月球、返回地球的。

下圖就是登月艙登陸到月球之後的樣子，其實這個登陸艙並不是一個整體，而是由上下兩部分組成。

如下圖所示，就是整個登月模組的兩個部分，其中上面的那個部分就是所謂的“上升級”，當宇航員在月球表面執行完任務之後，就會擠到這個小小的上升級中，然後在火箭助推的作用下返回月球軌道。

要知道，上升級的重量已經很輕了，只有4.7噸左右，而這4.7噸的重量中，有高達2.3噸的燃料。同時，月球的引力很小，月球表面也沒有空氣、不會產生阻力，所以可以很容易把宇航員送回到月球軌道上。如下圖所示，就是上升級在火箭助推作用下起飛的過程。

那麼上升級攜帶的燃料也不多呀，飛到月球軌道上的上升級怎麼回地球呢？答案是，你們忘掉了月球軌道上還飛行著另外一架飛船：指揮艙了嗎？上升級會在月球軌道上跟指揮艙重新連到一起，然後憑藉指揮艙中留下的十幾噸燃料助推回歸地球。如下圖所示，就是整個阿波羅計劃的全過程。

自從偉大的牛頓爵士發現萬用引力以來， 人類就知道我們為何身在地球，而不是落在太空中。同樣的月球引力雖然比較弱，但是同樣對它周圍的物質有引力作用，地球上海洋的潮汐現象就是月球引力的作用。

發射是一系列的過程，我們都知道，地球逃逸速度是11,186米/秒（物理課本上稱為宇宙第二速度），登月裝置在地球上想要到太空中就必須藉助火箭的動力使登月裝置速度達到地球逃逸速度。目前中美俄三國的火箭技術比較成熟，可以輕鬆的將衛星或者登月裝置送向太空。發射的過程此處不再詳細描述。

既然地球上需要火箭的助力才可以飛入太空，同樣的，月球逃逸速度低只有2380米/秒，以美國阿波羅號登月飛船舉例；

如上圖為登月艙，分為2部分：

1.上部是上升倉（Ascent Stage）

2.下部為著陸倉（Decent Stage）

著陸倉主要任務是輔助登陸月球的反向推進器（在阿波羅15號後月球車也在下降倉）。宇航員也是靠著陸倉的反向推進器提供返回月球近地軌道的動力。

當登月艙和軌道艙分離時，軌道艙繼續繞月飛行，並等待完成任務的宇航員，登月艙登陸，進行探測。

執行完登月任務後，上升倉拋棄著陸倉點火起飛，前往此前與其分離並在月球軌道等待的控制服務艙(Command Service Module)重新對接。

對接完成後，宇航員們進入控制艙（整個任務期間是有一個宇航員在月球軌道上待命的），然後控制艙與上升器再次分離，留下上升器獨自在月球軌道上等死，變成所謂的太空垃圾，剩下的控制服務艙將在月球背面點火，帶著偉大的航海者們回家。此時是在月球近地軌道上點火，正式擺脫月球引力束縛，踏上回歸地球的征途。

總結一下，不管是在月球和地球，要想擺脫它們的引力都必須有能源提供加速度，才能飛向太空，這幾個看似簡單的步揍，卻花費了人來百年的心血，迄今為止，還只有美國可以登入上月球，希望有一天月球上留下我們華人的足跡。

不管引力是大還是小，總是有資料的，比如地球的引力環境下，第一宇宙速度就是7.9千米/秒，物體達到這個速度就可以進入軌道。第二宇宙速度就是11.2千米/秒，達到這個速度就可以離開近地軌道，飛向月球。

同樣，我們也可以根據月球的質量計算出月球的第一宇宙速度是1.6千米/秒，第二宇宙速度是2.4千米/秒。

有了這個資料我們就可以計算出多大質量的物體需要多少燃料可以達到這個速度了，所以，這並不難啊。既然我們的理論可以讓飛船離開地球，那麼同樣也可以讓飛船離開月球。

再來看看登月艙的結構，登月艙紛飛上升和下降兩部分，上升部分就是離開月球時的火箭，而下降部分就是離開月球時的發射架。因為月球引力小，又沒有大氣層，所以並需要像地球那樣巨大的發射架。不理解的同學可以自己去學學航天知識，不要不懂就想當然認為一定要有巨大發射架才能發射。

上升部分總質量約4670千克，其中燃料2353千克，推力15.6kN，發動機比衝: 3.05 kN·s/kg。另外還有16個調整姿態用的小發動機。有了這些燃料，完全可以讓上升部分的速度達到1.6千米/秒，這樣就可以到達月球軌道上。

在這裡，有指令艙和服務艙等候，對接後，會把上升部分扔掉。剩餘指令艙個服務艙繼續在軌道上執行。服務艙就是返回地球時的火箭，這裡的燃料足夠將飛船加速到2.4千米/米，然後進入返回軌道。返回時間約60個小時，期間還需要幾次調整姿態。最終，服務艙將宇航員送回地球軌道上，然後服務艙進入大氣層燒燬，指令艙進入著陸軌道。