飞行中氧化铝喷雾技术让月球登陆器在着陆前优化地面 创造合适的着陆点

2021年09月25日 15:24 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

Masten空间系统公司正在研究一种方法,以保护未来的月球着陆器在着陆时不受其发动机吹飞的泥沙的影响,其设想的方法是将氧化铝陶瓷颗粒注入火箭发动机烟尘中,将月球尘埃粘在一起,在着陆前创造自己的“着陆垫”。美国宇航局返回月球并在那里建立永久的人类存在的目标是雄心勃勃的,并提出了一些严重的挑战。

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月球的大部分表面都覆盖着雷石,雷石由小的灰尘和较大的颗粒组成,是月球在数十亿年来被陨石撞击后产生的。在没有水或大气层持续冲刷与摩擦的情况下,这些颗粒具有尖锐、锯齿状的形状,使它们对从机械到宇航服的一切带来了挑战。

在阿波罗时代,这已经让科研人员很头疼,当时的雷石不但导致他们的设备磨损得比预期的快,还对宇航员的登月舱和他们留在表面的实验造成了危害。这是因为来自航天器引擎的动能将每个粒子变成一块在真空中以3000米/秒(1000英尺/秒)飞行的弹片。这对阿波罗登月舱来说已经够糟的了,当时它在充满燃料的情况下重达15吨,而为未来任务计划的着陆器甚至在着陆时将重达20至60吨。这将需要更大推力的发动机,这意味着当火箭在月球表面炸出一个深坑时,抛出的灰尘将在更大的范围内产生更大的危险。

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显然,解决这个问题的办法是建立像地面机场使用的降落区域和跑道那样的着陆场,以防止喷气反冲的损害。不幸的是,两者很难同时进行。

合理的做法是建造某种加固的着陆器,作为探路者,然后为后续的着陆建造垫,但是,据Masten说,这些垫子建造任务将花费1.2亿美元,这不是很合算。

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正在与蜜蜂机器人公司、德克萨斯农工大学和中佛罗里达大学合作开发的飞行中氧化铝喷雾技术(FAST)项目在美国宇航局创新先进概念奖第一阶段下,已经完成了对这一概念长达一年的初步研究。

在FAST中,氧化铝陶瓷颗粒在着陆器下降时被注入火箭羽流中。这些颗粒涂在着陆器下面的表面,将雷石巩固成具有更多热和烧蚀阻力的硬垫。这不仅在下降过程中保护着陆器,而且在它再次起飞返回月球轨道时也能保护它。

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使用氧化铝板和Masten火箭发动机试验台的热火试验,右边是FLIR热图像

为了使这一想法得以实现,Masten及其合作伙伴探讨了垫子的最佳厚度,如何确定陶瓷颗粒将如何粘在一起,它们将如何在火箭烟羽内的热量中生存,最佳沉积率应该是什么,当着陆器在上面盘旋时,颗粒将如何粘附在雷石上形成固体垫,以及垫子在阻止灰尘散落方面的效果如何。

此外,该团队使用马斯特恩的垂直起飞和着陆火箭进行了热发射着陆模拟测试。从这些测试中可以确定,即使对于像阿特米斯号载人着陆器这样大的飞船,这个想法也是可行的,而且垫子的建造可以由发动机烟羽的大小和温度来控制。

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就阿蒂米斯号着陆器而言,这需要将直径约为0.5毫米的氧化铝陶瓷颗粒注入火箭烟羽,并铺设一个1毫米厚的初始层,然后用直径为0.024毫米的颗粒进行喷涂,这些颗粒在被引入烟羽时将会融化。在10秒钟内,FAST可以在一个6米(20英尺)直径的圆圈上铺设186公斤(410磅)的颗粒。然后,着陆器将再盘旋2.5秒,而垫子在着陆前会被冷却。

Masten说,下一步将是在月球环境中测试这一概念。如果成功,它可以大大降低探索和开发月球的成本,不仅为在月球,而且为火星和太阳系其他地方的新任务开辟道路。

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