月球表面大部分覆盖着一层风化层(lunar regolith),由陨石撞击月球产生的小尘埃与大颗粒组成,形状尖锐,对任何试图着陆的人事物都具有危险性。为避免着陆时刮起的颗粒射伤仪器或引擎,科学家提出了一种“烹饪”月球土壤的方法,透过将氧化铝陶瓷颗粒注入火箭发动机的羽流中,可于着陆前先将月球尘埃黏在一起、制造出一块平坦的着陆垫。
承受了小行星与彗星几十亿年的轰炸,这些撞击过程已把月球表层岩石撞碎成岩屑颗粒,称为月壤,若是高度碎裂的岩床则称为粗风化层,颗粒呈尖锐锯齿状,从太空服到机械都能造成损伤,1960 年代的阿波罗任务便曾因此面临重大考验。
当时,风化层导致着陆器、月表实验科学仪器等设备磨损得比预期还快,因为来自发动机点火产生的爆炸将风化层颗粒变成高速弹射碎片,以每秒 3,000 米的速度在真空飞行,甚至划破了太空人的太空防护服。
随着未来新一代月球着陆器携带燃料抵达月表时将重达 20~60 吨,需要比阿波罗任务着陆器更大推力的发动机,也就是说当火箭在地表炸开一个坑时,扬起的尘埃量也更多,带来的危险程度也随之加剧了。
解决这问题的方法之一是建造一片平坦的着陆垫,就像机场使用的跑道。然而该怎么在火箭降落地表前制造出一块反颗粒冲击的垫子呢?由 Honeybee Robotics 公司、德州农工大学、中佛罗里达大学组成的团队合作想出了一个方法:趁着陆器在下降过程中将氧化铝陶瓷颗粒注入燃料羽流,喷出时可沉积并将月表风化层固结成具高耐热性和抗烧蚀性的硬垫,阻止细屑四射破坏仪器,该技术称为 FAST(in-Flight Alumina Spray Technique)。
▲ FAST 技术示意图。(Source:Masten)
团队利用了 Masten 公司的垂直起降火箭进行点火着陆模拟实验,测试结果确认即使是阿提米丝计划中巨大的载人着陆器,也可以透过发动机羽流大小和温度来控制该制造多大的硬垫,在 10 秒内,FAST 技术可于直径 6 米内喷出 186 公斤氧化铝颗粒,而着陆器只需悬停 2.5 秒等待垫子冷却后再着陆即可。
科学家希望接下来能前往月球环境测试这一概念,如果成功,将大幅降低探索月球的一部分成本。
- FAST lets lunar landers make their own landing pads pre-touchdown
- Mitigating Lunar Dust: Masten Completes FAST Landing Pad Study
(首图来源:Masten)