今天是太空与您相伴的【第2892期】
近日，中国学者领衔团队解析月球独特地形，为载人登月寻找潜在着陆点。同期，美国宇航局发布报告，对商业载人登月舱的落月安全性表示担忧。那么，载人登月着陆点需要满足哪些条件？科研人员可以借助哪些技术手段，周密选定着陆点？哪些新技术、新设计有望支持载人登月舱安全落月？
优质着陆点要满足哪些条件？
载人登月堪称迄今最复杂的航天活动，而选择合适的着陆点是至关重要的，与科研价值、工程意义等因素密切相关。
月球那么大，哪些条件能帮助载人登月着陆点选址脱颖而出呢？
考虑到当前技术水平下航天员在月面活动范围受限，载人登月着陆点附近应当蕴藏着足够的潜在科研价值，比如具有月溪、“年轻”撞击坑或熔岩管道等地貌特征，以便航天员就近开展科考探索。近年来，月球南极日益成为探月热门目的地，未来航天员很可能会踏足月球南极，尝试研究利用永久阴影区内的潜在水冰资源。
毫无疑问，载人登月着陆点必须支持载人登月舱和无人着陆器安全着陆。这就要求着陆点附近有面积足够大的低坡度区域，最好确保航天器在整个动力下降阶段不会遭遇特别陡峭的地形，以便航天器安稳地自行落月。同时，着陆点附近最好具备适度的摩擦条件，且碎石较少。
更重要的是，载人登月舱必须安全地从月面起飞。而载人登月舱往往比无人着陆器的重心更高且落月质量更大，对起飞姿态有一定的要求，因此着陆点附近坡度必须平缓，不能存在较大的石块，选址标准更苛刻。
在这方面，“阿波罗计划”一些任务提供了经验和教训。在某些无人月球采样返回任务中，着陆点附近地形允许的最大坡度不超过6度。而阿波罗11号任务选择着陆点时追求稳妥，将最大坡度限制在2度。
其实，“阿波罗计划”的载人登月舱足以在12度着陆倾斜角的范围内安全落月，特别是在阿波罗15号任务中通过了11.5度倾斜角的考验。不过，较大的坡度和倾斜角导致航天员进出载人登月舱、舱内休息时均相当不便，睡觉时身体会向低处滑动，对月面活动造成了一些不良影响。
科研人员选择着陆点还要考虑工程可行性。为确保飞行安全，载人登月任务通常采用自由返回轨道。如果飞船和载人登月舱组合体在轨遭遇异常且无法落月，那么自由返回轨道支持飞船和载人登月舱组合体安全掠过月球并返回地球。不过，这种轨道设计也会限制着陆点选址范围。
载人登月舱在月面驻留时间长短也会影响着陆点选址。在可预见的时期内，载人登月舱和航天员在月面工作时间相对有限，将更多在月球低纬度地区着陆，面临的热控问题不算太严重。而且，月球自转速率在低纬度地区较大，有可能助力载人登月舱起飞时提高推进剂利用效率。
如果着陆点处于月球极地等高纬度地区，由于地形更加破碎崎岖，月面环境更复杂，要求科研人员仔细权衡通信、光照、热控等条件，很可能需要额外强化载人登月舱载荷性能。
最后，为应对发射推迟或在轨故障等意外情况，科研人员需要选定一些地形条件次优的备用着陆区，还要考虑航天器不同状态性能水平、通信条件、光照角度等因素。
▲ 阿波罗15号任务中载人登月舱的着陆倾斜角稍大
“侦察兵”立大功
为了选好载人登月着陆点，科研人员有必要尽可能周详地掌握月面地理信息，这就需要一系列月球“侦察兵”开展轨道测量工作。
“阿波罗计划”期间，美国宇航局和军情部门合作，在月球轨道器上搭载了为锁眼系列侦察卫星开发的胶片相机，对预选的载人登月着陆点开展详细测绘。令科研人员惊喜的是，月球轨道器还发现了月球存在所谓“质量瘤”和不均匀引力场现象，对月球演化研究和载人登月任务月球轨道设计均提供了重要支持。
如今，得益于高分辨率测绘相机、激光高度计等技术进步，月球轨道器能够以米级分辨率精确绘制月球表面图像，支持科研人员更精准地筛选出合适的着陆点。
在“阿尔忒弥斯计划”首次载人登月任务规划中，着陆点坡度要求小于5度且极限阈值8度，距离陡坡超过100米，距离可能蕴藏水冰资源的月球南极永久阴影区不超过2000米。为此，美国宇航局早期分析月球勘测轨道器的数据，初步筛选出130个着陆点，其中125个着陆点满足5度坡度的安全范围。
然而，月球勘测轨道器配备的激光高度计像素分辨率为20米左右，无法识别月面微小撞击坑、石块等。要知道，阿波罗15号任务中，载人登月舱一条着陆腿降落在小撞击坑边缘，造成了消极影响。因此，科研人员需要借助更高分辨率的在轨相机来分析候选着陆点的安全隐患。
近年来，一些更先进的传感器被部署在月球轨道器上。比如，新型相机以极高的分辨率俯瞰月球，助力科研人员更全面详尽地分析熔岩管、月溪等地貌。再比如，微波辐射计测量月表温度数据，科研人员可以结合相关模型，估算月球南极撞击坑的“年龄”，以及永久阴影区受其他天体活动影响而积累的水冰储量、可用挥发物含量等。
总之，在新一轮探月大潮中，众多月球“侦察兵”提供了丰富的数据，辅助科研人员判断候选着陆点的优缺点，筛选出科学价值更高的优先着陆区域。特别是随着地月空间中继通信、天地激光通信等技术进步，传统方案难以顾及的月球背面、极地地区也越来越多地进入科研人员的视野。
▲ SpaceX公司的载人登月舱落月效果图
▲ 太空计算星座与地面设施协作示意图
精准着陆“好帮手”
在可预见的时期内，国际航天空间进入能力和安全性将持续提高，载人登月任务也会享受更大的安全余量，支持航天员和航天器在月面活动更长时间。未来，载人登月舱任务轨道和着陆点有望打破一些传统限制。
例如，“阿波罗计划”受限于航天器推进剂，不得不尽量着陆在月球低纬度地区。“阿尔忒弥斯计划”选择了接近地月拉格朗日L2点的新轨道，以便规避日食影响，支持长期观测月球南极和地月中继通信。按设计，商业载人登月舱采用低温推进剂，冗余较大，将扩展着陆点选址范围，并提升应对故障能力，尽量前往预定着陆区。
在阿波罗11号任务中，实际着陆点与预期偏差数公里。相比之下，得益于高算力先进处理器、高精度图像匹配导航和视觉导航、激光高度计、激光雷达等日新月异的技术手段，新一代载人登月舱有望精确调整落点、自主着陆，理论上能够将着陆偏差控制在100米范围内。
换句话说，新一代载人登月舱有潜力降落在更多地形复杂、传统方案被迫放弃的月面区域，获得更充裕的安全冗余，尝试收获更多突破性成果。
不过，考虑到月球轨道器无法全面识别出月面复杂地形细节，新一代载人登月舱“打铁还要自身硬”，有必要配备多种传感测量装置，如成像激光雷达、激光高度计、综合视觉传感器等，以便更精细地测绘着陆点附近地形，规避各种潜在风险。为确保万无一失，着陆腿要具备足够的结构刚度和缓冲调节能力，充分吸收着陆冲击，支持载人登月舱以安全姿态起飞。
在“阿波罗计划”中，载人登月舱如果着陆倾斜角过大，起飞时就会有发动机碰撞受损的高风险。
新一代载人登月舱有望借助材料、结构研究新成果，创新设计，规避相关问题。在确保可靠性的前提下，新一代载人登月舱有可能配置多台共同工作的发动机，一旦发动机意外故障，它仍会尝试尽量安全着陆，或者及时终止着陆、飞离月面，自主规划新着陆方案，保障航天员安全。
当然，新一代载人登月舱不必“单打独斗”。未来，地月空间通信导航遥感星座、适用于多轨道任务的多功能太空拖船、月球轨道空间站等均有可能逐渐发展成熟，为载人登月任务提供更有力的测绘、通信、能源乃至在轨救援保障。
来源 | 中国航天报
编辑 | 余夏琳
校对 | 苗自壮、刘心继
主编 | 张文军
邮箱 | ourspace0424@163.com
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