月表風化層顆粒可劃傷儀器,新技術藉引擎點火迅速製造著陸墊

作者 | 發布日期 2021 年 09 月 27 日 14:47 | 分類 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


月球表面大部分覆蓋著一層風化層(lunar regolith),由隕石撞擊月球產生的小塵埃與大顆粒組成,形狀尖銳,對任何試圖著陸的人事物都具有危險性。為避免著陸時颳起的顆粒射傷儀器或引擎,科學家提出了一種「烹飪」月球土壤的方法,透過將氧化鋁陶瓷顆粒注入火箭發動機的羽流中,可於著陸前先將月球塵埃黏在一起、製造出一塊平坦的著陸墊。

承受了小行星與彗星幾十億年的轟炸,這些撞擊過程已把月球表層岩石撞碎成岩屑顆粒,稱為月壤,若是高度碎裂的岩床則稱為粗風化層,顆粒呈尖銳鋸齒狀,從太空服到機械都能造成損傷,1960 年代的阿波羅任務便曾因此面臨重大考驗。

當時,風化層導致著陸器、月表實驗科學儀器等設備磨損得比預期還快,因為來自發動機點火產生的爆炸將風化層顆粒變成高速彈射碎片,以每秒 3,000 公尺的速度在真空飛行,甚至劃破了太空人的太空防護服。

隨著未來新一代月球著陸器攜帶燃料抵達月表時將重達 20~60 噸,需要比阿波羅任務著陸器更大推力的發動機,也就是說當火箭在地表炸開一個坑時,揚起的塵埃量也更多,帶來的危險程度也隨之加劇了。

解決這問題的方法之一是建造一片平坦的著陸墊,就像機場使用的跑道。然而該怎麼在火箭降落地表前製造出一塊反顆粒衝擊的墊子呢?由 Honeybee Robotics 公司、德州農工大學、中佛羅里達大學組成的團隊合作想出了一個方法:趁著陸器在下降過程中將氧化鋁陶瓷顆粒注入燃料羽流,噴出時可沉積並將月表風化層固結成具高耐熱性和抗燒蝕性的硬墊,阻止細屑四射破壞儀器,該技術稱為 FAST(in-Flight Alumina Spray Technique)。

▲ FAST 技術示意圖。(Source:Masten

團隊利用了 Masten 公司的垂直起降火箭進行點火著陸模擬實驗,測試結果確認即使是阿提米絲計畫中巨大的載人著陸器,也可以透過發動機羽流大小和溫度來控制該製造多大的硬墊,在 10 秒內,FAST 技術可於直徑 6 公尺內噴出 186 公斤氧化鋁顆粒,而著陸器只需懸停 2.5 秒等待墊子冷卻後再著陸即可。

科學家希望接下來能前往月球環境測試這一概念,如果成功,將大幅降低探索月球的一部分成本。

(首圖來源:Masten