科学家正在解决月尘对于月球探索造成的阻碍

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艺术家对月球表面宇航员的印象，作为阿尔忒弥斯计划的一部分。资料来源：美国宇航局

月球风化层（又名月尘）是前往月球的任务的主要危险。它到处都是表面 - 在某些地方深度为5至10米（~16.5至33英尺） - 更不用说锯齿状和粘性了。在阿波罗任务期间，宇航员了解了这些尘埃如何粘附在一切事物上，包括他们的宇航服。更糟糕的是，它会被追踪到他们的登月舱（LMs），在那里它粘在表面并对电子和机械设备造成严重破坏，甚至导致长期的呼吸问题。

这是阿尔忒弥斯计划的主要关注点，该计划旨在建立一个“持续的月球探索和发展计划”。该计划的关键要素之一是月球门户，这是一个月球栖息地，将围绕月球运行15年，并促进长期的地面任务。宇航员从地表返回时引入的风化层的影响尚不清楚。在最近的一篇论文中，美国宇航局领导的一个研究小组创建了一个基于物理学的模型，以评估风化层如何随着时间的推移影响栖息地。

该团队由罗纳德·G·李（Ronald G. Lee）领导，他是休斯顿咨询、分析和政府/军事承包商博思艾伦汉密尔顿（Booz Allen Hamilton）的首席航空航天工程师。来自美国宇航局约翰逊航天中心，美国宇航局马歇尔太空飞行中心，欧空局欧洲空间研究与技术中心（ESTEC）以及总部位于休斯顿的工程公司Jacobs Technology和航空航天承包商Barrios Technology的科学家也加入了他的行列。描述他们模型的论文最近发表在《宇航学报》上。

虽然大多数进入地球大气层的流星在到达地表之前就会燃烧殆尽，但月球是一个没有空气的环境。结果，数十亿年的撞击使表面粉碎，产生细小的二氧化硅颗粒。没有大气层也意味着这些颗粒没有风化或降水，使它们畸形和锯齿状。这些粒子与来自太阳日冕（又名太阳风）的带电等离子体之间的相互作用使风化层带静电，导致其粘附在带电表面上。

这些尘埃在阿波罗任务期间引起了许多问题，包括在阿波罗16号和17号任务期间月球侦察车（LRV）电池的热控制问题。阿波罗17号任务指挥官尤金·塞尔南（Eugene Cernan）甚至宣称月球风化层是月球探索的最大挑战。“我认为尘埃可能是我们在月球上名义上操作的最大抑制因素之一，”他说。“我认为我们可以克服除灰尘以外的其他生理或物理或机械问题。

未来几年，阿尔忒弥斯计划将自阿波罗时代以来首次将宇航员送上月球。但与之前的载人着陆不同，阿尔忒弥斯计划将建立持久的基础设施，留下各种科学实验和“足迹和旗帜”。除了月球门户外，宇航员在地面进行科学操作时还将依靠阿尔忒弥斯大本营。欧空局和中国也有月球基础设施计划，分别被称为月球村和国际月球研究站（ILRS）。

这意味着多个空间机构和商业合作伙伴往返地面发射，宇航员定期进行舱外活动（EVA）。月球风化层的数量被激发并追溯到飞船和栖息地将导致宇航服和飞船的磨损，非常磨蚀。它还将对机械、动力系统、生命支持系统和其他重要部件造成严重破坏。空中风化层还将对宇航员、商业船员和月球游客构成健康风险。

由于存在几个相互作用的特派团单位，情况将大大复杂。正如他们所写，“Gateway面临的独特挑战是，在计划的15年生命周期内，它不会像阿波罗指挥和服务模块那样一次性暴露在月球尘埃中，而是在Artemis架构中提出的涉及Gateway的几个地面任务中的每一个。停靠在其上的网关和访问飞船的外部覆盖着关键系统，例如太阳能电池阵列，散热器，对接机构和密封件，流体传输连接器，通信天线，外部机器人系统和科学有效载荷。

幸运的是，自阿波罗任务以来，已经进行了大量研究，以表征月球风化层的物理特性。基于此，科学家们推断，月球风化层造成的危害是动态的，取决于航天器的配置、姿态（相对于太阳）和等离子体环境。在之前的一项研究中，Lee和合著者Gary L. Brown（Barrios Technology）开发了一种新的模型来描述它对月球门户构成的威胁，他们将其命名为Gateway在轨月球尘埃建模和分析程序（GOLDMAP）。

使用这个模型，Lee，Brown和他们的团队考虑了Artemis任务架构，并对其的不同方面进行了建模。这包括使用NASA的自然环境设计规范（DSNE），开源航天器等离子体相互作用软件（SPIS）以及来自斯图尔德天文台镜面实验室（SOML）的数据进行自然环境和航天器充电。这与时间相关的粒子输运模型相结合，该模型使用西门子STAR-CCM软件来表征流体动力学。

由此，他们得出了关于门户以及使用人类着陆系统（HLS）进出的宇航员可能造成的污染的各种结论。正如研究人员所写，“在月球表面任务期间，HLS飞行器元件可能会受到月球表面小月球风化层颗粒的污染，这既是由于自然现象，例如月球表面几米内的静电放样和悬浮，以及微流星体撞击，实验和建模都表明有助于近地表和高空尘埃种群， 以及人类表面活动，包括下降和上升过程中推进器的PSI。

基于此，很明显，月球门户 - 未来月球探索和发展的节点 - 将容易受到尘埃转移的影响。因此，对从月球表面返回的宇航员采取净化措施的必要性也明确了。展望未来，Lee和他的同事强调，使用NASA专家和学者进行的实验室实验进行模型验证是必要的。他们还建议未来在Gateway外部进行在轨尘埃探测和集尘有效载荷。

随着阿尔忒弥斯计划的展开，这些实验的结果将有助于为NASA的任务规划者和门户上的操作提供信息。它还可能为未来在月球表面运行的指导方针和“最佳实践”提供信息。

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原标题：《『科学家正在解决月尘对于月球探索造成的障碍》

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