載人登月著陸點怎么選？安全科研兩不誤

今天是太空與您相伴的【第2892期】

近日，中國學(xué)者領(lǐng)銜團隊解析月球獨特地形，為載人登月尋找潛在著陸點。同期，美國宇航局發(fā)布報告，對商業(yè)載人登月艙的落月安全性表示擔(dān)憂。那么，載人登月著陸點需要滿足哪些條件？科研人員可以借助哪些技術(shù)手段，周密選定著陸點？哪些新技術(shù)、新設(shè)計有望支持載人登月艙安全落月？

優(yōu)質(zhì)著陸點要滿足哪些條件？

載人登月堪稱迄今最復(fù)雜的航天活動，而選擇合適的著陸點是至關(guān)重要的，與科研價值、工程意義等因素密切相關(guān)。

月球那么大，哪些條件能幫助載人登月著陸點選址脫穎而出呢？

考慮到當(dāng)前技術(shù)水平下航天員在月面活動范圍受限，載人登月著陸點附近應(yīng)當(dāng)蘊藏著足夠的潛在科研價值，比如具有月溪、“年輕”撞擊坑或熔巖管道等地貌特征，以便航天員就近開展科考探索。近年來，月球南極日益成為探月熱門目的地，未來航天員很可能會踏足月球南極，嘗試研究利用永久陰影區(qū)內(nèi)的潛在水冰資源。

毫無疑問，載人登月著陸點必須支持載人登月艙和無人著陸器安全著陸。這就要求著陸點附近有面積足夠大的低坡度區(qū)域，最好確保航天器在整個動力下降階段不會遭遇特別陡峭的地形，以便航天器安穩(wěn)地自行落月。同時，著陸點附近最好具備適度的摩擦條件，且碎石較少。

更重要的是，載人登月艙必須安全地從月面起飛。而載人登月艙往往比無人著陸器的重心更高且落月質(zhì)量更大，對起飛姿態(tài)有一定的要求，因此著陸點附近坡度必須平緩，不能存在較大的石塊，選址標(biāo)準(zhǔn)更苛刻。

在這方面，“阿波羅計劃”一些任務(wù)提供了經(jīng)驗和教訓(xùn)。在某些無人月球采樣返回任務(wù)中，著陸點附近地形允許的最大坡度不超過6度。而阿波羅11號任務(wù)選擇著陸點時追求穩(wěn)妥，將最大坡度限制在2度。

其實，“阿波羅計劃”的載人登月艙足以在12度著陸傾斜角的范圍內(nèi)安全落月，特別是在阿波羅15號任務(wù)中通過了11.5度傾斜角的考驗。不過，較大的坡度和傾斜角導(dǎo)致航天員進出載人登月艙、艙內(nèi)休息時均相當(dāng)不便，睡覺時身體會向低處滑動，對月面活動造成了一些不良影響。

科研人員選擇著陸點還要考慮工程可行性。為確保飛行安全，載人登月任務(wù)通常采用自由返回軌道。如果飛船和載人登月艙組合體在軌遭遇異常且無法落月，那么自由返回軌道支持飛船和載人登月艙組合體安全掠過月球并返回地球。不過，這種軌道設(shè)計也會限制著陸點選址范圍。

載人登月艙在月面駐留時間長短也會影響著陸點選址。在可預(yù)見的時期內(nèi)，載人登月艙和航天員在月面工作時間相對有限，將更多在月球低緯度地區(qū)著陸，面臨的熱控問題不算太嚴(yán)重。而且，月球自轉(zhuǎn)速率在低緯度地區(qū)較大，有可能助力載人登月艙起飛時提高推進劑利用效率。

如果著陸點處于月球極地等高緯度地區(qū)，由于地形更加破碎崎嶇，月面環(huán)境更復(fù)雜，要求科研人員仔細(xì)權(quán)衡通信、光照、熱控等條件，很可能需要額外強化載人登月艙載荷性能。

最后，為應(yīng)對發(fā)射推遲或在軌故障等意外情況，科研人員需要選定一些地形條件次優(yōu)的備用著陸區(qū)，還要考慮航天器不同狀態(tài)性能水平、通信條件、光照角度等因素。

▲ 阿波羅15號任務(wù)中載人登月艙的著陸傾斜角稍大

“偵察兵”立大功

為了選好載人登月著陸點，科研人員有必要盡可能周詳?shù)卣莆赵旅娴乩硇畔ⅲ@就需要一系列月球“偵察兵”開展軌道測量工作。

“阿波羅計劃”期間，美國宇航局和軍情部門合作，在月球軌道器上搭載了為鎖眼系列偵察衛(wèi)星開發(fā)的膠片相機，對預(yù)選的載人登月著陸點開展詳細(xì)測繪。令科研人員驚喜的是，月球軌道器還發(fā)現(xiàn)了月球存在所謂“質(zhì)量瘤”和不均勻引力場現(xiàn)象，對月球演化研究和載人登月任務(wù)月球軌道設(shè)計均提供了重要支持。

如今，得益于高分辨率測繪相機、激光高度計等技術(shù)進步，月球軌道器能夠以米級分辨率精確繪制月球表面圖像，支持科研人員更精準(zhǔn)地篩選出合適的著陸點。

在“阿爾忒彌斯計劃”首次載人登月任務(wù)規(guī)劃中，著陸點坡度要求小于5度且極限閾值8度，距離陡坡超過100米，距離可能蘊藏水冰資源的月球南極永久陰影區(qū)不超過2000米。為此，美國宇航局早期分析月球勘測軌道器的數(shù)據(jù)，初步篩選出130個著陸點，其中125個著陸點滿足5度坡度的安全范圍。

然而，月球勘測軌道器配備的激光高度計像素分辨率為20米左右，無法識別月面微小撞擊坑、石塊等。要知道，阿波羅15號任務(wù)中，載人登月艙一條著陸腿降落在小撞擊坑邊緣，造成了消極影響。因此，科研人員需要借助更高分辨率的在軌相機來分析候選著陸點的安全隱患。

近年來，一些更先進的傳感器被部署在月球軌道器上。比如，新型相機以極高的分辨率俯瞰月球，助力科研人員更全面詳盡地分析熔巖管、月溪等地貌。再比如，微波輻射計測量月表溫度數(shù)據(jù)，科研人員可以結(jié)合相關(guān)模型，估算月球南極撞擊坑的“年齡”，以及永久陰影區(qū)受其他天體活動影響而積累的水冰儲量、可用揮發(fā)物含量等。

總之，在新一輪探月大潮中，眾多月球“偵察兵”提供了豐富的數(shù)據(jù)，輔助科研人員判斷候選著陸點的優(yōu)缺點，篩選出科學(xué)價值更高的優(yōu)先著陸區(qū)域。特別是隨著地月空間中繼通信、天地激光通信等技術(shù)進步，傳統(tǒng)方案難以顧及的月球背面、極地地區(qū)也越來越多地進入科研人員的視野。

▲ SpaceX公司的載人登月艙落月效果圖

▲ 太空計算星座與地面設(shè)施協(xié)作示意圖

精準(zhǔn)著陸“好幫手”

在可預(yù)見的時期內(nèi)，國際航天空間進入能力和安全性將持續(xù)提高，載人登月任務(wù)也會享受更大的安全余量，支持航天員和航天器在月面活動更長時間。未來，載人登月艙任務(wù)軌道和著陸點有望打破一些傳統(tǒng)限制。

例如，“阿波羅計劃”受限于航天器推進劑，不得不盡量著陸在月球低緯度地區(qū)。“阿爾忒彌斯計劃”選擇了接近地月拉格朗日L2點的新軌道，以便規(guī)避日食影響，支持長期觀測月球南極和地月中繼通信。按設(shè)計，商業(yè)載人登月艙采用低溫推進劑，冗余較大，將擴展著陸點選址范圍，并提升應(yīng)對故障能力，盡量前往預(yù)定著陸區(qū)。

在阿波羅11號任務(wù)中，實際著陸點與預(yù)期偏差數(shù)公里。相比之下，得益于高算力先進處理器、高精度圖像匹配導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航、激光高度計、激光雷達等日新月異的技術(shù)手段，新一代載人登月艙有望精確調(diào)整落點、自主著陸，理論上能夠?qū)⒅懫羁刂圃?00米范圍內(nèi)。

換句話說，新一代載人登月艙有潛力降落在更多地形復(fù)雜、傳統(tǒng)方案被迫放棄的月面區(qū)域，獲得更充裕的安全冗余，嘗試收獲更多突破性成果。

不過，考慮到月球軌道器無法全面識別出月面復(fù)雜地形細(xì)節(jié)，新一代載人登月艙“打鐵還要自身硬”，有必要配備多種傳感測量裝置，如成像激光雷達、激光高度計、綜合視覺傳感器等，以便更精細(xì)地測繪著陸點附近地形，規(guī)避各種潛在風(fēng)險。為確保萬無一失，著陸腿要具備足夠的結(jié)構(gòu)剛度和緩沖調(diào)節(jié)能力，充分吸收著陸沖擊，支持載人登月艙以安全姿態(tài)起飛。

在“阿波羅計劃”中，載人登月艙如果著陸傾斜角過大，起飛時就會有發(fā)動機碰撞受損的高風(fēng)險。

新一代載人登月艙有望借助材料、結(jié)構(gòu)研究新成果，創(chuàng)新設(shè)計，規(guī)避相關(guān)問題。在確保可靠性的前提下，新一代載人登月艙有可能配置多臺共同工作的發(fā)動機，一旦發(fā)動機意外故障，它仍會嘗試盡量安全著陸，或者及時終止著陸、飛離月面，自主規(guī)劃新著陸方案，保障航天員安全。

當(dāng)然，新一代載人登月艙不必“單打獨斗”。未來，地月空間通信導(dǎo)航遙感星座、適用于多軌道任務(wù)的多功能太空拖船、月球軌道空間站等均有可能逐漸發(fā)展成熟，為載人登月任務(wù)提供更有力的測繪、通信、能源乃至在軌救援保障。

來源 | 中國航天報

編輯 | 余夏琳

校對 | 苗自壯、劉心繼

主編 | 張文軍

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