新研究探讨了月球任务将如何激起月球尘埃

在本十年末之前，美国宇航局计划自阿波罗时代以来首次将宇航员送回月球。但这一次，通过阿尔忒弥斯计划，这将不再是“足迹和旗帜”的事情。

与其他航天机构和商业合作伙伴一起，长期目标是创建基础设施，以实现“持续的月球探索和开发计划”。如果一切按计划进行，多个航天机构将在南极-艾特肯盆地周围建立基地，这将为月球工业和旅游业铺平道路。

为了让人类在月球上生活、工作和进行各种活动，需要采取策略来应对所有危险——其中最重要的是月球风化层(或“月尘”)。阿波罗宇航员了解到，月尘是锯齿状的，会粘在所有东西上，会对宇航员的服装、设备、车辆和健康造成严重磨损。

在德克萨斯农工大学工程师团队的一项新研究中，风化层在被火箭羽流踢起时也会造成碰撞危险。鉴于在不久的将来将有许多航天器和着陆器向月球运送宇航员和货物，这是一个值得密切关注的危险。

这项研究是由ShahAkibSarwar和ZohaibHasnain博士进行的。德克萨斯农工大学J.MikeWalker'66机械工程系的学生和助理教授(分别)。在他们的研究中，萨瓦尔和哈斯纳恩使用“软球”方法研究了月球风化层的粒子与粒子碰撞，其中整合了牛顿运动方程和接触力模型来研究粒子如何碰撞和重叠。

这使其与“硬球”方法不同，“硬球”方法在流体和固体的背景下模拟粒子。

虽然月球风化层的范围从小颗粒到大岩石，但“月尘”的主要成分是平均尺寸为70微米的细硅酸盐矿物。这些是在数十亿年的时间里形成的，当时无空气的月球表面被流星和小行星撞击，将大部分月壳撞击成细粉。

缺乏大气层也意味着不存在风和水的侵蚀(在地球上很常见)。最后，持续暴露在太阳风下会使月球风化层带上静电，这意味着它会粘附在它接触到的任何东西上。

当阿波罗号宇航员冒险登上月球时，他们报告称风化层存在问题，这些风化层会粘在他们的宇航服上并被追踪回登月舱。一旦进入车内，它就会粘附在所有东西上，危害健康，导致眼睛刺激和呼吸困难。

但随着阿耳忒弥斯任务的即将到来以及它所需要的基础设施的规划，存在着航天器(在起飞和着陆期间)如何导致风化层大量扬起并加速到高速的问题。

正如Sarwar通过电子邮件与《今日宇宙》相关的那样，这是月球风化层对人类在月球上的常规活动构成重大挑战的关键方式之一：

“在月球上进行逆向推进软着陆期间，超音速/高超音速火箭排气羽流可以从上层土壤中喷出大量(阿波罗任务中看到的108-1015个颗粒/m3)松散的风化层。”

“由于羽流产生的力(阻力、升力等)，喷射物可以以非常高的速度(高达2公里/秒)移动。喷射物会损坏航天器和附近的设备。它还会阻挡飞行器的视线。着陆区、扰乱传感器、堵塞机械元件，并通过污染降低光学表面或太阳能电池板的性能。”

从阿波罗任务中获取的数据成为了Sarwar和Hasnain的试金石，其中包括阿波罗12号登月舱(LM)废气羽流的喷射物如何损坏位于160米(525英尺)外的测量者3号航天器。这架无人驾驶飞行器于1967年被派去探索MareCognitum地区，并在载人任务之前对月球土壤进行表征。

测量者3号还被用作阿波罗12号的着陆目标地点，宇航员皮特·康拉德(PeteConrad)和艾伦·比恩(AlanBean)于1969年11月访问过。

由于勘测者3号位于阿波罗12号登月舱着陆点下方的一个陨石坑中，因此损害减轻了。另一个例子是1971年在哈德利-亚平宁地区着陆的阿波罗15号任务。在登月舱下降过程中，宇航员大卫·斯科特(DavidR.Scott)和詹姆斯·B.欧文(JamesB.Irwin)看不到着陆点，因为他们的废气羽流形成了厚厚的风化层云。它上面。

这迫使机组人员在贝拉边缘选择了一个新的着陆点，贝拉是该地区东部的一个细长的陨石坑。登月舱在此位置无法保持平衡，在稳定下来之前向后倾斜了11度。

自这些任务执行以来进行的研究得出的结论是，风化层颗粒之间的碰撞可能导致了散射。正如萨瓦尔指出的，这些例子说明了受干扰的风化层如何成为一种危险，特别是在附近有其他航天器和设施的地方：

“阿波罗时代的上述两个例子还没有严重到危及任务成功的程度。但未来的阿耳忒弥斯(和CLPS)任务将在月球南极进行，那里的土壤被认为比赤道地区的土壤更加多孔/脆弱。和中纬度阿波罗登陆区。”

“此外，阿耳忒弥斯登陆器预计将比阿波罗登陆器提供更大的有效载荷，因此需要更大的推力来减速。因此，由于火箭排气羽流和以更高的角度吹动风化层，可能会发生深坑(阿波罗中未见)比以前看到的(距地面约1-3度)。”

根据阿耳忒弥斯计划的长期目标，美国宇航局计划在南极地区周围建设基础设施，以实现“月球探索和开发的持续计划”。其中包括阿耳忒弥斯大本营，由地表栖息地、可居住移动平台、月球地形车(LTV)和轨道上的月球门户组成。

萨瓦尔说：“因此，保护​​人类、建筑物或附近的航天器免受月球风化层颗粒的危害是最重要的。”

类似的研究表明，着陆和起飞引起的风化层云也可能对月球门户和月球轨道飞行器的安全运行构成威胁。这些威胁推动了对如何在未来任务中减轻月球尘埃影响的大量研究。如前所述，Sarwar和Hasnain使用软球方法来评估粒子与粒子碰撞带来的风险：

“在这种方法中，允许相邻粒子彼此重叠一点点，这被视为真实粒子与粒子碰撞中预期变形的间接测量。这种重叠值以及月球风化层的相关材料特性，然后在弹簧-阻尼器-摩擦滑块表示中使用来计算每个碰撞事件中的力。碰撞中涉及的非弹性从完全无弹性到高弹性不等。

“我们的结果表明，相对较大的风化层颗粒(约100微米)之间的高弹性碰撞导致其中很大一部分以大角度喷射(有些颗粒可以以约90度飞出)。然而，其余颗粒被包含在内沿着地面的一个小角度区域(<3度)——这与阿波罗任务期间观察到的可见风化层一致。”

在保障措施方面，萨瓦尔和哈斯奈恩建议，在着陆区周围设置护堤或栅栏是减少喷射物喷射的一种方法。然而，正如他们的研究表明的那样，一定比例的风化层颗粒可能会因碰撞而以大角度分散，从而使伯恩斯或围栏变得不够。

萨瓦尔说：“未来阿耳忒弥斯任务的更好解决方案是建造一个着陆场。”“在这方面，一个由学术界(包括Hasnain博士)和工业界人员组成的多组织团队正在致力于开发飞行中氧化铝喷涂技术或FAST着陆垫。”

FAST方法设想月球着陆器配备有氧化铝颗粒，这些颗粒在着陆操作期间会喷射出来。然后它们被发动机羽流液化，在月球表面产生熔融铝，铝液冷却并凝固，形成稳定的着陆表面。美国宇航局还研究了如何使用烧结技术建造着陆场，即用微波对风化层进行喷射，形成熔融陶瓷，在与太空接触时会硬化。

另一个想法是建造带有防爆墙的着陆场，以容纳喷射的风化层，德克萨斯州的建筑公司ICON将其纳入了他们的月球灯笼栖息地概念中。

遗憾的是，有关月球风化层的实验研究非常困难，因为月球的条件与地球上的条件有很大不同。这包括较低的重力(大约是地球的16.5%)、真空环境和极端的温度变化。因此，研究人员被迫严重依赖数值模型，该模型通常关注羽流力而很大程度上忽略了粒子碰撞的作用。但正如桑瓦尔指出的，他们的研究提供了宝贵的见解，并说明了为什么在规划未来的月球任务时考虑这种经常被忽视的现象很重要：

“[然而]我们对粒子碰撞的研究表明，这是精确风化层轨迹预测中需要考虑的一个非常重要的现象，因此必须包括在内。这一领域仍然存在许多挑战，例如缺乏关于风化层颗粒恢复系数(决定碰撞中的能量损失)、风化层尺寸分布的影响、湍流羽流的影响等的知识。

“我们希望在未来阐明其中一些不确定性，并为更全面的月球PSI模型做出贡献，以实现更安全的阿耳忒弥斯登月。”

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