一項關於火箭如何侵蝕月球土壤的新理論做出了驚人的預測：動力月球著陸可能會拋射出比之前認為的多 4 到 10 倍的物質。這項工作表明，如果未採取充分的預防措施，火箭揚起的月球塵埃將對月球上的貨物和宇航員構成嚴重的噴砂危害。
新計算背後的物理學家 菲爾·梅茨格 是世界頂級的火箭羽流如何與行星表面相互作用的專家之一。現在他的研究已發表在期刊伊卡洛斯的兩項研究中，他呼籲在全球範圍內就該問題加強合作，因為各個航天機構正在規劃長期的月球基礎設施——包括人類前哨站。
“月球塵埃可能對航天器造成的損害程度可能比我們之前認為的嚴重一個數量級，”梅茨格說，他是中佛羅里達大學斯蒂芬·W·霍金微重力研究與教育中心的主任。“國際社會需要制定協議和國際協定，以便多方可以在月球上開展行動。”
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“這些[研究]很重要，至少對於工程和安全問題而言，”科羅拉多大學博爾德分校的月球物理學家米哈伊·霍拉尼補充道，他沒有參與這些研究。“人們至少應該為可能的後果做好準備，即這些羽流實際上比之前估計的要嚴重得多。”
月球塵埃是被隕石撞擊粉碎而成的，是非常糟糕的東西。月球塵埃這種鋸齒狀的物質會纏住宇航服的關節，堵塞散熱器，刺激宇航員的眼睛和肺部——而這僅僅是在低速下攪起的物質。月球缺乏大氣層，因此當火箭在那裡著陸時，沒有空氣減緩被揚起的物質。被火箭尾氣加速的小塵埃顆粒可以傳播數公里，甚至逃離月球。
幾十年來，研究人員已經知道火箭拋射的塵埃會損害月球裝置。1969年11月，阿波羅12號登月艙在距離美國宇航局名為勘測者3號的機器人探測器約160米（520英尺）處著陸，實現了展示精確著陸的目標。但是當阿波羅12號宇航員檢查勘測者3號時，他們發現它被塵土覆蓋。返回地球的探測器樣本顯示出嚴重的噴砂損傷，包括字面意義上的隕石坑。
對噴砂的擔憂已經影響了美國宇航局的政策。該機構在 2011 年釋出了非約束性指南，建議小型月球著陸器不應在阿波羅著陸點兩公里範圍內著陸，以保護這些區域免受塵埃影響。該指南由當時在美國宇航局工作的梅茨格共同起草，基於數千次模擬。但是，兩公里截止距離本身只是一個任意的佔位符，隨著月球著陸的基礎理論的改進而重新審視。2011 年的緩衝區只是從一個六英尺高的人的角度來看的月球地平線的視距。
來自過去的噴砂
梅茨格的新研究重新審視了由倫納德·羅伯茨提出的有影響力的理論。倫納德·羅伯茨是一位才華橫溢的威爾士裔美國宇航局研究員，曾參與阿波羅計劃。羅伯茨開發了複雜的方程式來計算火箭尾氣在下降到月球塵土飛揚的表面時會如何表現。
1963 年，羅伯茨還估計了月球土壤將如何反過來響應火箭的羽流。正如羅伯茨設想的那樣，火箭尾氣流過月球表面會透過剪下掉單個顆粒來侵蝕月球土壤，就像強風連根拔起風滾草一樣。羅伯茨還提出了一個反饋迴路理論，該回路將限制侵蝕速率。當氣體拾取土壤顆粒時，它會將動量傳遞給顆粒，從而反過來降低氣體的動量。
幾十年來，羅伯茨的理論一直是計算月球著陸引起的侵蝕和爆炸半徑的關鍵工具。例如，梅茨格和同事反覆使用資料引導的羅伯茨方法改進來計算阿波羅12號著陸器揚起了多少月球土壤，最近一次是在 2015 年估計為 2.6 公噸。
但是多年來，梅茨格注意到羅伯茨的理論存在一些令人煩惱的問題，包括與實驗資料的矛盾。在飛機上飛行拋物線以模擬月球重力時，梅茨格進行了實驗，其中氣體射流一次向土壤中噴射約 10 秒。當射流形成隕石坑時，梅茨格發現隕石坑中心的初始侵蝕速率保持恆定，即使氣體中積累了越來越多的塵埃顆粒——羅伯茨的理論認為這種積累應該控制侵蝕速率。
根據 梅茨格的新理論，當火箭尾氣以驚人的速度平行於月球表面移動時，它對直接攪動土壤的作用非常小。相反，一小部分尾氣分子擴散到土壤中，將一些動能傳遞給那裡的顆粒。只有當進入土壤的動能通量足以將相當大的土壤顆粒向上推過其鄰居時，才會發生侵蝕——在月球的情況下，高度約為四分之一毫米。一旦顆粒清除這個高度，尾氣就會加速將它們帶走。
雖然這看起來像是微小的技術修訂，但它對月球爆炸半徑的計算方式具有巨大的影響。在其中一項新研究中，梅茨格 根據阿波羅16號登月艙的鏡頭測試了他的新理論，這些鏡頭是從著陸器的窗戶之一拍攝的。他發現他的理論很好地解釋了著陸器火箭尾氣在下降過程中丟擲的塵埃如何阻擋了宇航員對附近隕石坑的視線。但他的計算也表明，阿波羅16號著陸器丟擲了 11 至 26 公噸的月球土壤——這個數量至少是之前估計的四倍，剩餘的大部分不確定性與土壤的性質難以確定有關。
美國宇航局總部空間技術任務理事會代理首席架構師米歇爾·蒙克說，這種上升趨勢“表明我們有多麼的無知，以及這種預測存在多少不確定性”。“我很高興[梅茨格]繼續在這個領域工作；我們非常依賴他的見解。”
新時代的舊法則
如果不採取預防措施，月球噴砂現在將構成比阿波羅時代更大的風險，當時著陸器較小，而且進入月球表面的機會也更加有限。到阿波羅計劃結束時，阿波羅登月艙的著陸質量約為 7.5 公噸。現在，更大的飛行器已在規劃中，SpaceX 的星艦有可能在月球上著陸 100 公噸或更多。還有一個節奏問題。阿波羅任務從未返回同一著陸點，但美國宇航局和中國國家航天局都設想建造人類宇航員將反覆訪問的月球前哨站。噴砂損傷是累積的，每次發射或著陸都會累積。
更復雜的是，許多國際機構和私營公司現在都在爭取訪問月球表面，這表明需要協調發射和著陸。但是，正如國際合作的需求一樣，梅茨格說，任何外交上的快速解決方案也可能產生其他問題。《1967 年外層空間條約》是國際空間法的基礎，各國不能聲稱對月球或任何其他天體擁有領土。但是，如果一個國家在一個特別適合人類居住的月球區域中心降落了一個敏感儀器，只是為了宣佈其他國家在廣闊半徑範圍內的月球著陸將有可能損壞該裝置怎麼辦？“有人擔心可能會有不良行為者想要規避《外層空間條約》並聲稱擁有事實上的領土，”梅茨格說。
存在潛在的工程解決方案。例如，基礎設施可以建造在護堤或防護屏障後面，著陸區可以覆蓋耐用、防塵的著陸墊。著陸器也可以使用放置在飛行器更高位置的推進器進行最終下降，以減少它們對土壤的攪動。曾為 SpaceX 提供諮詢的梅茨格指出，根據公開的渲染圖，SpaceX 似乎正在其當前的月球星艦設計中採用這種策略。
來自月球的更多資料可能即將到來。蒙克是月球羽流表面研究立體相機 (SCALPSS) 的首席研究員，SCALPSS 是一套美國宇航局相機套件，旨在繪製著陸器著陸前後正下方土壤的地圖。SCALPSS 的第一個版本搭載在直覺機器公司的奧德修斯著陸器上，該著陸器於 2 月著陸，但它未能收集任何資料。升級版可能會最早於今年年底搭乘美國公司螢火蟲航空航天公司建造的藍色幽靈著陸器飛行。
“從原位著陸收集資料是最好的驗證，”蒙克說。