1969年，美國阿波羅11號成功實現(xiàn)人類首次載人登月，這一壯舉至今仍被視為人類航天史上的里程碑。

然而，許多人對于登月艙如何從月球表面返航感到疑惑：月球上沒有發(fā)射臺和重型火箭，登月艙是如何克服月球引力并返回地球的？

月球返航的關(guān)鍵在于引力和軌道力學(xué)。地球的引力是月球的6倍，這意味著在月球上起飛所需的能量遠低于地球。

此外，月球沒有大氣層，不存在空氣阻力，這使得航天器在月球表面起飛更加高效。

地球的質(zhì)量約為月球的81倍，表面重力加速度為9.8 m/s2，而月球表面重力加速度僅為1.62 m/s2。這意味著，在月球上起飛所需的推力和燃料遠少于地球。

例如，阿波羅11號的登月艙上升段重量僅為4.7噸，其中2.4噸是燃料。由于月球引力小，這4.7噸的重量在月球上僅相當于地球上0.8噸的重量，相當于“兩頭豬”的重量。

從地球表面起飛，航天器需要達到11.2 km/s的第二宇宙速度（逃逸速度）才能脫離地球引力。而在月球上，逃逸速度僅為2.38 km/s，環(huán)月軌道速度更低，約為1.68 km/s。這意味著月球返航所需的能量遠低于地球起飛。

阿波羅11號的返航過程可以分為以下幾個關(guān)鍵步驟：

阿波羅11號由土星五號火箭發(fā)射升空。

土星五號是當時推力最大的火箭，總重量超過3000噸，能夠?qū)?5噸的阿波羅飛船送入地月轉(zhuǎn)移軌道?；鸺谶M入地球軌道后，推進器脫離，阿波羅飛船進入地月轉(zhuǎn)移軌道，直奔月球。

阿波羅飛船進入環(huán)月軌道后，登月艙（LM）與指令艙（CM）分離。登月艙由上升段和下降段組成，下降段負責(zé)減速并實現(xiàn)軟著陸，而上升段則用于從月球表面起飛。

登月艙的上升段重量僅為4.7噸，其中2.4噸是燃料。由于月球引力小，上升段只需達到1.68 km/s的速度即可進入環(huán)月軌道。

起飛后，上升段與下降段分離，上升段攜帶宇航員和月球樣本進入環(huán)月軌道。

上升段進入環(huán)月軌道后，與指令艙對接。

宇航員和月球樣本從上升段轉(zhuǎn)移到指令艙，隨后上升段被拋棄。指令艙點火變軌，進入地月轉(zhuǎn)移軌道，最終返回地球。在進入地球大氣層前，服務(wù)艙與指令艙分離，指令艙通過降落傘減速，安全著陸。

嫦娥五號的返航過程與阿波羅11號類似，但采用了全自動化設(shè)計，任務(wù)復(fù)雜度更高。以下是嫦娥五號的關(guān)鍵步驟：

嫦娥五號由長征五號火箭發(fā)射升空，進入地月轉(zhuǎn)移軌道。

嫦娥五號進入環(huán)月軌道后，著陸器與軌道器分離。著陸器由上升器和下降器組成，下降器負責(zé)減速并實現(xiàn)軟著陸，而上升器則用于從月球表面起飛。

著陸器在月球表面完成采樣后，上升器攜帶月球樣本從月球表面起飛。由于月球引力小，上升器只需達到1.68 km/s的速度即可進入環(huán)月軌道。

上升器進入環(huán)月軌道后，與軌道器對接。月球樣本從上升器轉(zhuǎn)移到返回器，隨后上升器被拋棄。軌道器點火變軌，進入地月轉(zhuǎn)移軌道，最終返回地球。在進入地球大氣層前，返回器與軌道器分離，返回器通過降落傘減速，安全著陸。

盡管月球返航的原理相對簡單，但實際操作中仍面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)：

月球返航需要精確計算軌道參數(shù)，確保航天器能夠進入正確的環(huán)月軌道并與軌道器對接。這需要高度精確的導(dǎo)航和控制技術(shù)。

嫦娥五號采用了全自動化設(shè)計，無需人工干預(yù)即可完成軌道對接。這需要先進的傳感器、控制系統(tǒng)和算法支持。

由于月球返航所需的燃料較少，航天器的設(shè)計可以更加輕量化。然而，如何在有限的燃料和推力下實現(xiàn)精確控制，仍是一個技術(shù)難點。

從阿波羅11號到嫦娥五號，月球返航的實現(xiàn)依賴于對引力和軌道力學(xué)的深刻理解。月球引力小、無大氣阻力的特點，使得月球返航成為可能。盡管任務(wù)復(fù)雜度高，但通過精確的軌道計算、自動化的對接技術(shù)和燃料優(yōu)化，人類已經(jīng)成功實現(xiàn)了多次月球采樣返回任務(wù)。