來源：AIR & SPACE MAGAZINE
撰文：Ralph Lorenz
翻譯：任天
如何登陸一個陌生的星球？
古代的探險家和地圖制作者往往用海怪和龍來填補航海圖上未知的區(qū)域，與此類似，今天人類的探測器在探索其他星球時，也面臨著種種未知的危險，有些是真實的，也有些是想象的。在太空探索的早期階段，美國國家航空航天局（NASA）曾一度擔心阿波羅號著陸器可能會像陷入流沙一樣，沉到月球塵埃之中。隨著前往其他天體的探測器越來越多，我們對太陽系的了解也越來越深入，所面臨的潛在威脅似乎也變得更加不可思議，比如木衛(wèi)二上巨大的冰棘，以及土衛(wèi)六上驚人的波濤。
目前科學家對其他星球的表面和大氣狀況并不完全了解，很難甚至不可能在實驗室進行復制。應用物理實驗室的行星科學家花了將近 30 年時間，試圖預測這些環(huán)境條件可能帶來的危險，以便為穿越太陽系的探測器在設計和運行上提供保護。即使我們知道某些行星的環(huán)境很完美（這其實有點矛盾，因為如果已經(jīng)知道的話，我們還有必要再派探測器過去嗎？），并且很適合在地球環(huán)境中對探測器的硬件進行測試（通常我們不知道確切的壓力和溫度，重力條件也很難匹配），對于大多數(shù)項目而言，時間和金錢的成本也都非常高。
因此，我們必須把握問題的主要方面。有些風險確實需要事先進行測試，但其他問題或許可以通過分析或類比來消除。而且，由于許多風險都是只能主觀感知的，因此在任務中建立信心往往在交流上是一種挑戰(zhàn) —— 與其說是一門科學，倒不如說是一種藝術。在外星探索中，有些風險是真實存在且不可避免的，人類必須接受這一點。
無人駕駛的勘測者 3 號著陸器。勘測者計劃的探測結果消除了人們對月球表面可能像流沙一樣吞沒著陸器的擔憂
陷入月球塵埃？
1961 年，美國總統(tǒng)約翰?肯尼迪宣布美國將在這個十年結束前將人類送上月球。但要做到這一點，首先必須計算出月球著陸器的支撐腳應該有多大。月海（月球上比較低洼的平原）的表面可能覆蓋著一層厚厚的微細塵埃，可能承受不了著陸器的重量，反而會像流沙一樣，使著陸器完全下沉，不留一絲痕跡。
地質學家在觀察了月球上的山峰和隕石坑之后，發(fā)現(xiàn)這種情況很難出現(xiàn)。研究者對月球表面在晝夜周期中的快速冷卻過程進行了測量，發(fā)現(xiàn)月表最外層部分至少有幾毫米的厚度呈“蓬松”狀態(tài)。這一事實表明，這種擔憂可能受到了超出應有程度的關注。多年后，航天器設計師考德威爾?約翰遜回憶起有一次會議，工程師歐文?梅納德最后惱怒地宣布：月球一定就和亞利桑那州一樣！沒有其他情況。我們就來設計一個像這樣的起落架。
幸運的是，在阿波羅任務之前的一系列無人著陸器任務，即月球勘測者計劃，為阿波羅登月艙的設計提供了保證。月球表面并不會將飛船和宇航員吞沒，已經(jīng)設計好的阿波羅登月艙起落架也確定可以使用。
1976 年，火星崎嶇的地形讓美國國家航空航天局的任務規(guī)劃者十分苦惱，他們不得不依靠低分辨率的軌道圖像來為海盜號飛船選擇安全的著陸點
海盜號計劃（Viking program）在選擇火星著陸點時也主要考慮到了危險的地形。該計劃由兩個航天器（海盜 1 號和海盜 2 號）組成，各自都包括軌道器和著陸器。軌道器發(fā)回的圖像使 NASA 科學家能夠近距離考察潛在的著陸點。最初，海盜 1 號計劃于 1976 年 7 月 4 日登陸火星（它甚至具有一個特殊的美國建國 200 周年的紀念標志）。然而，隨著地質學家通過軌道器觀察到越來越多的火星景觀，根據(jù)分辨率較低的早期任務圖像所選擇的地點就顯得越來越可怕。他們看到，這些地點似乎是坑坑洼洼的，或者被厚厚的沙子覆蓋。不過，海盜號軌道器的圖像分辨率也只有 100 米，因此只能看到較大的地貌特征。
NASA 決定使用一項新的技術：雷達。從地球發(fā)射到火星的無線電信號在火星表面反射回來形成的圖像表明，火星表面的粗糙度在波長范圍（約 10 厘米）之內，這與著陸安全關系重大。如果著陸器橫跨一塊直徑只有 50 厘米的巖石，它的腹部可能就會被擠壓到；或者，如果剛好一個支撐腳落在一塊這么大的巖石上，著陸器的傾斜可能就會妨礙挖掘樣品，或使其天線不能指向正確的方向。
然而，負責接收這些數(shù)據(jù)的人是電氣工程師，他們用數(shù)學術語來描述這些發(fā)現(xiàn)，而數(shù)學術語在地質學家看來既模糊又陌生，因此雷達數(shù)據(jù)可能沒有得到應有的重視。事實上，即使能對所有數(shù)據(jù)進行最細致的綜合分析，也只能得出某種猜測。幸運的是，海盜 1 號在美國建國 200 周年紀念日 16 天后（1976 年 7 月 20 日）安全著陸。海盜 2 號于當年 9 月 3 日夜安全著陸，盡管它的一個腳墊落到了一塊巖石上（海盜 1 號的圖片顯示，一塊能破壞著陸器的巖石就在幾米開外）。
卡西尼號飛船用其雷達儀器繪制了土衛(wèi)六北極的地圖，生成了土衛(wèi)六湖泊的偽彩色圖像。研究人員通過模型計算出這些甲烷海洋中波浪的大小，為向麗姬亞海發(fā)射探測器做準備
月球洞穴將是人類的下一個家園？
月球的洞穴不僅在科學上很不可思議，它們還可能是未來人類的家園。
登陸月球后我們會發(fā)現(xiàn)月球上是存在洞穴的。我們對月球洞穴的了解還不多，但目前所掌握的信息已經(jīng)足以使它們成為未來太空探險者的目標。事實上，月球洞穴有朝一日很可能會成為人類的家。它們可以為月球居民提供庇護所，以躲避可能造成傷害的惡劣環(huán)境條件。一些研究者甚至已經(jīng)在開始規(guī)劃在月球上尋找合適居住地點的探險任務。
夏威夷的 Nāhuku-Thurston 熔巖管
如果選擇居住在月球洞穴中，那我們最好對它們有足夠的了解。地球上的許多洞穴是因侵蝕而形成的，而這在沒有空氣和水流的月球上是不可能的。研究者已經(jīng)證實，月球洞穴是由火山活動產生的。當熱熔巖噴發(fā)到溫度較低的表面時，其外部首先冷卻；當熔巖流的外部變硬時，內部可以繼續(xù)保持熔融狀態(tài)。此外，熾熱的熔巖也會在周圍的巖石中形成管道。無論是哪一種方式，當剩余的熔巖流失后，會留下一條中空的通道?？茖W家將這種洞穴為“熔巖管”。熔巖管是熔巖洞的一種，我們可以在地球上很多地方找到這種地貌，比如冰島、濟州島和東非大裂谷等。大多數(shù)熔巖管都只有一兩公里長，但也有特例，比如夏威夷莫納羅亞火山東南坡的卡祖穆拉（Kazumura）洞穴，至少有 65 公里長，有些地方的寬度超過 20 米。澳大利亞昆士蘭州的 Udara 熔巖管的長度超過 100 公里。
月球的熔巖管可能會使地球上最大的熔巖管相形見絀。月球熔巖管的直徑可達 4.8 公里，足以容納整個曼哈頓島。不過，即使在阿波羅任務完成半個世紀后，科學家仍然不太了解月球熔巖管的作用。在 20 世紀 70 年代，人們做出了一些看似很有根據(jù)的猜測，但它們主要基于對月球物質的過時認識。盡管如此，幾十年來人們一直在引用這些數(shù)字。
阿波羅 15 號所拍攝的蜿蜒月溪
多虧了“輝夜號”（Kaguya）號月球人造衛(wèi)星，科學家們才找到了更確鑿的證據(jù)。這是一個不規(guī)則的長方體探測器，正式名稱為“月球科學與工程探測器”（SELENE），由日本宇宙航空開發(fā)機構于 2007 年發(fā)射升空，目的是測量月球的引力場并觀察其表面。在觀測月球古老的馬利厄斯丘陵時，輝夜號的一臺攝像機拍攝到了一個不尋常的坑洞，其大小和一架波音 747 飛機相當。
月球古老的馬利厄斯丘陵有一個不尋常的坑洞，其大小和一架波音 747 飛機相當，它很可能是一個熔巖管系統(tǒng)的“天窗”
然而，目前科學家還沒有看到月球熔巖管的內部圖像，在此之前，他們還無法下任何定論。它們有多大、有多長、有多廣，我們都還不清楚。然而，盡管了解不多，但深入這些洞穴并加以利用的想法卻早已有之。利用月球熔巖管作為人類居所的概念并不新鮮，至少在 20 世紀 80 年代就已存在，而這也是科學家們一開始就想要尋找熔巖管的重要原因之一。
2019 年，探索月球洞穴的努力突然向前推進了一大步。有 5 個研究小組向歐洲空間局（ESA）發(fā)送了探索計劃，希望用不同的方法 —— 包括系繩探測車、機器蜂群、重力測量儀等 —— 來解決上述問題。目前，歐洲空間局已經(jīng)將 5 個方案減少為 2 個。在正在進行的一項更高級的研究中，兩組研究人員將在同一項任務的分別完成不同方面的工作。
DAEDALUS 號球形探測車的想象圖
當然，人類想要探索的不僅僅是月球洞穴。畢竟，熔巖管并不局限于月球。類似的洞穴可能存在于水星、木衛(wèi)一以及其他任何具有類似地球熔巖的星球上。火星肯定存在熔巖管，它們也曾被提議作為人類的居住地。這些洞穴甚至可能是火星生命的避難所。事實上，這顆紅色星球正是 BRAILLE 項目的終極目標。
土衛(wèi)六的波濤
卡西尼 - 惠更斯號是一架前往土星系統(tǒng)的空間探測器，也是由 NASA 和歐洲空間局（ESA）合作進行的任務。該任務由兩部分組成：環(huán)繞土星的卡西尼號和登陸土衛(wèi)六的惠更斯號。2005 年 1 月 14 日，惠更斯號在土衛(wèi)六著陸并傳回數(shù)據(jù)，成為首個在外太陽系天體完成登陸的探測器。
卡西尼 - 惠更斯號揭示了土衛(wèi)六是一個由液態(tài)甲烷組成的湖泊和海洋的世界。2010 年又提出了一項后續(xù)任務：將一艘太空艙濺落到土衛(wèi)六的北極海域 —— 直徑約 400 公里的麗姬亞海（Ligeia Mare）?？ㄎ髂崽栆呀?jīng)拍攝了這片海域的全地形清晰地圖。
這個落到麗姬亞海的太空艙實際上是一個浮標，它會隨著水流和風飄過這片液態(tài)甲烷海洋，用聲納測量其成分和深度，并記錄天氣數(shù)據(jù)，以了解這些奇異的大氣和海洋如何相互作用。通常而言，航天器工程師對聲納并不太熟悉，但幸運的是，負責管理這個項目的約翰霍普金斯應用物理實驗室已找到不少聲納專家。
該太空艙將直接將數(shù)據(jù)傳回地球，這只有在土衛(wèi)六北半球的夏季才有可能實現(xiàn)，那時太陽和地球都在地平線以上，從麗姬亞海上方就能看到。這就需要一個小型天線，在太空艙在波濤中上下擺動時，一直鎖定著地球。這在原理上并不十分困難：游輪提供衛(wèi)星電視信號時也會用到類似的技術。但如果要實現(xiàn)靈活的天線指向，首先需要評估太空艙的移動速度，而這就要求知道波的大小和周期。
第一步，當然是估計風速，約翰?霍普金斯大學應用物理實驗室的科學家已經(jīng)有了土衛(wèi)六大氣環(huán)流的計算機模型。單個模型提供的數(shù)據(jù)可能不夠準確，但研究人員分析了 4 個獨立的模型。盡管這些模型在季節(jié)時間和風向上有所不同，但至少在風速范圍上是一致的，最大風速為每秒 1 米。
然后是平均風速與平均浪高的關系。在這里，需要對地球的經(jīng)驗關系加以修正。例如，土衛(wèi)六的大氣層比地球的空氣密度更大，因此更容易產生波浪。但是，土衛(wèi)六的重力又比地球更小，在重力較低的情況下，波浪會變得更大，但在一定尺寸下，波的移動速度會更慢?？紤]到這些因素，研究人員確定，風速為每秒 1 米時的平均浪高將是中等的 0.2 米。但并非所有波浪都是同等規(guī)模的，來自不同方向的波浪會隨機疊加，產生某種統(tǒng)計分布。例如，可能有千分之一的波浪是平均高度的兩倍。由于預期的任務時間是 6 個土衛(wèi)六日（相當于 90 個地球日，約 200 萬個波周期），因此統(tǒng)計計算表明，有 99% 的把握不會遇到比平均水平大 4 倍的波浪。
這一切當中還有一個有趣的小問題，太空艙會像許多動力系統(tǒng)一樣，具有一個典型的搖擺周期。這意味著，最糟糕的搖擺角度和速度實際上與最強的風無關。盡管強風會產生更大的波，但大型波浪的速度較慢；反之，中等強度的風產生的波浪周期較短，盡管其振幅較小，但它們會與太空艙運動產生共振，導致更大的搖擺。通過這一分析，研究人員確定了太空艙天線需要多快的轉向速度才能與地球保持聯(lián)系。
最終，NASA 選擇了洞察號任務來研究火星的內部結構，而沒有選擇用“浮標”來探索土衛(wèi)六的海洋。不湊巧的是，如果探測器在 21 世紀 20 年代末到達土衛(wèi)六的話，其北半球的夏季將會結束，屆時也就不可能從麗姬亞海直接與地球通信了。
2026 年，NASA 將啟動“蜻蜓號”（Dragonfly）任務，開始重返土衛(wèi)六?？梢韵胍?，一架八翼直升機在另一個星球上的飛行將會面臨很多挑戰(zhàn)，任務團隊需要有條不紊地應對可能出現(xiàn)的各種風險，比如流沙、閃電和塵暴，并確定每種風險的可能性和后果。
由麥哲倫號探測器獲得的雷達圖像顯示了金星阿爾法區(qū)高原的三維立體特寫。未來的任務規(guī)劃者不僅要應對金星的復雜地形，還要應對其極端高溫 —— 早期的“先驅者金星計劃”就曾遭遇這一問題
金星的高溫
達芬奇號（DaVinci）是一架擬議中的探測器，目的是測量金星的大氣，并在降落時拍攝金星表面的圖像。美國最后一次（也是唯一一次）到達金星表面的任務是 1978 年的“先驅者金星計劃”，該任務由一個軌道飛行器和四個探測器組成，進入了地獄般的金星大氣層深處。盡管探測器總體上運行良好，但在下降過程中，它們的外部傳感器（尤其是溫度傳感器）都在同一高度 —— 約 12 公里處 —— 神秘失靈。當時科學家對此有多種猜測，包括可能是某種形式的放電，但對于相距數(shù)千公里的探測器來說，這種影響似乎是不太可能會如此巧合。
在先驅者金星計劃的 12 年后，NASA 終于召開了一次研討會，以理清該任務中發(fā)生的一切。從零散發(fā)表的會議記錄來看，盡管用于傳感器布線的聚酰亞胺膠帶在測試中顯示出能經(jīng)受金星大氣高溫能力，但 Kynar 收縮管也被用來加固一些線路接頭。當這根管子被加熱到 600K（327 攝氏度）以上時，會釋放出腐蝕性的氟化氫氣體，攻擊聚酰亞胺膠帶，進而導致傳感器短路?？梢哉f，是一個看似無害的改進造成了意想不到的缺陷。對材料的慎重選擇將避免這個問題。事實上，蘇聯(lián)維加 2 號（VEGA-2）探測器的傳感器在 1985 年登陸金星時就經(jīng)受住了考驗。
在智利安第斯山脈查南托高原上，被稱為“懺悔者”的融凝冰柱大約有 2.1 米高。這種結構可能也存在于木衛(wèi)二上，或許會對從地球發(fā)射的著陸器構成威脅
木衛(wèi)二 —— 致命的冰矛
研究人員認為，木星冰冷的衛(wèi)星木衛(wèi)二有一個深約 100 公里的全球性海洋，其上方覆蓋著 15 公里厚的冰層。盡管尚不清楚生命是否會在這樣的環(huán)境中出現(xiàn)，但可能性是存在的。那么，目前對木衛(wèi)二表面的了解是否足以設計出一個著陸器呢？從伽利略號探測器獲得的圖像顯示了木衛(wèi)二崎嶇的表面，但這些圖像只覆蓋了這個星球的一小部分。因此，研究人員不得不再次思考木衛(wèi)二表面景觀的形成過程，以及其中潛藏的危險。
蒸發(fā)和冷凝的過程既可以在真空中發(fā)生，比如在木衛(wèi)二的表面，也可以在空氣中發(fā)生，并將冰從表面的日曬區(qū)域轉移到較冷的區(qū)域。平坦表面的凹陷會因冰的運輸而加劇，因此地球上的冰川經(jīng)常形成一種“杯狀”表面。這一過程有時會發(fā)展到極致，在安第斯山脈的一些區(qū)域，會形成 4 米半高的可怕的融凝冰柱，如同冰矛。這些結構被稱為“懺悔者”（penitent），因為看起來很像禮拜者懺悔時戴的白色兜帽。對宇宙飛船設計者來說，這種地貌簡直就是一場噩夢。
“像冰面一樣平滑”的說法并不適用于木衛(wèi)二。該星球被冰層覆蓋的部分地形被認為已經(jīng)破裂，并“漂流”到了新的位置
木衛(wèi)二固態(tài)冰蒸發(fā)的數(shù)學模型表明，盡管理論上可以形成融凝冰柱，但并不意味著它們真的會形成。而且，如果真的形成了融凝冰柱，它們會占據(jù)木衛(wèi)二的多少表面，是否足以對著陸器構成威脅？讓我們從另一個角度來思考這個問題：地球上的某些地點可以形成融凝冰柱，但外星飛船的設計者會把它們考慮進去嗎？也許雷達可以幫助解決這個問題，因為錐形的尖刺可以有效地通過多次反射吸收能量，就像用于聲學測試的消聲室墻壁。NASA 定于 2024 年發(fā)射的“歐羅巴快船”（Europa Clipper）任務將通過一系列設備來探索木衛(wèi)二，其雷達測量數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)將有助于一勞永逸地解決這個問題。
但就目前而言，月球是我們的下一個目標。月球的熔巖管深處依然保持神秘，但隨著時間的推移，它們正變得越來越接近現(xiàn)實。
在探索其他星球的過程中，任務規(guī)劃者最擔心的便是未知的潛在危險。他們的任務是將價值數(shù)十億美元的宇宙飛船送往數(shù)百萬公里外的外星世界，在這之前，弄清楚哪些環(huán)境條件會帶來多大的風險，應該如何應對這些風險，都是必不可少的重要工作。
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