一项关于火箭如何侵蚀月球土壤的新理论做出了惊人的预测：动力月球着陆可能会抛射出比之前认为的多 4 到 10 倍的物质。这项工作表明，如果未采取充分的预防措施，火箭扬起的月球尘埃将对月球上的货物和宇航员构成严重的喷砂危害。
新计算背后的物理学家 菲尔·梅茨格 是世界顶级的火箭羽流如何与行星表面相互作用的专家之一。现在他的研究已发表在期刊伊卡洛斯的两项研究中，他呼吁在全球范围内就该问题加强合作，因为各个航天机构正在规划长期的月球基础设施——包括人类前哨站。
“月球尘埃可能对航天器造成的损害程度可能比我们之前认为的严重一个数量级，”梅茨格说，他是中佛罗里达大学斯蒂芬·W·霍金微重力研究与教育中心的主任。“国际社会需要制定协议和国际协定，以便多方可以在月球上开展行动。”
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“这些[研究]很重要，至少对于工程和安全问题而言，”科罗拉多大学博尔德分校的月球物理学家米哈伊·霍拉尼补充道，他没有参与这些研究。“人们至少应该为可能的后果做好准备，即这些羽流实际上比之前估计的要严重得多。”
月球尘埃是被陨石撞击粉碎而成的，是非常糟糕的东西。月球尘埃这种锯齿状的物质会缠住宇航服的关节，堵塞散热器，刺激宇航员的眼睛和肺部——而这仅仅是在低速下搅起的物质。月球缺乏大气层，因此当火箭在那里着陆时，没有空气减缓被扬起的物质。被火箭尾气加速的小尘埃颗粒可以传播数公里，甚至逃离月球。
几十年来，研究人员已经知道火箭抛射的尘埃会损害月球设备。1969年11月，阿波罗12号登月舱在距离美国宇航局名为勘测者3号的机器人探测器约160米（520英尺）处着陆，实现了展示精确着陆的目标。但是当阿波罗12号宇航员检查勘测者3号时，他们发现它被尘土覆盖。返回地球的探测器样本显示出严重的喷砂损伤，包括字面意义上的陨石坑。
对喷砂的担忧已经影响了美国宇航局的政策。该机构在 2011 年发布了非约束性指南，建议小型月球着陆器不应在阿波罗着陆点两公里范围内着陆，以保护这些区域免受尘埃影响。该指南由当时在美国宇航局工作的梅茨格共同起草，基于数千次模拟。但是，两公里截止距离本身只是一个任意的占位符，随着月球着陆的基础理论的改进而重新审视。2011 年的缓冲区只是从一个六英尺高的人的角度来看的月球地平线的视距。
来自过去的喷砂
梅茨格的新研究重新审视了由伦纳德·罗伯茨提出的有影响力的理论。伦纳德·罗伯茨是一位才华横溢的威尔士裔美国宇航局研究员，曾参与阿波罗计划。罗伯茨开发了复杂的方程式来计算火箭尾气在下降到月球尘土飞扬的表面时会如何表现。
1963 年，罗伯茨还估计了月球土壤将如何反过来响应火箭的羽流。正如罗伯茨设想的那样，火箭尾气流过月球表面会通过剪切掉单个颗粒来侵蚀月球土壤，就像强风连根拔起风滚草一样。罗伯茨还提出了一个反馈回路理论，该回路将限制侵蚀速率。当气体拾取土壤颗粒时，它会将动量传递给颗粒，从而反过来降低气体的动量。
几十年来，罗伯茨的理论一直是计算月球着陆引起的侵蚀和爆炸半径的关键工具。例如，梅茨格和同事反复使用数据引导的罗伯茨方法改进来计算阿波罗12号着陆器扬起了多少月球土壤，最近一次是在 2015 年估计为 2.6 公吨。
但是多年来，梅茨格注意到罗伯茨的理论存在一些令人烦恼的问题，包括与实验数据的矛盾。在飞机上飞行抛物线以模拟月球重力时，梅茨格进行了实验，其中气体射流一次向土壤中喷射约 10 秒。当射流形成陨石坑时，梅茨格发现陨石坑中心的初始侵蚀速率保持恒定，即使气体中积累了越来越多的尘埃颗粒——罗伯茨的理论认为这种积累应该控制侵蚀速率。
根据 梅茨格的新理论，当火箭尾气以惊人的速度平行于月球表面移动时，它对直接搅动土壤的作用非常小。相反，一小部分尾气分子扩散到土壤中，将一些动能传递给那里的颗粒。只有当进入土壤的动能通量足以将相当大的土壤颗粒向上推过其邻居时，才会发生侵蚀——在月球的情况下，高度约为四分之一毫米。一旦颗粒清除这个高度，尾气就会加速将它们带走。
虽然这看起来像是微小的技术修订，但它对月球爆炸半径的计算方式具有巨大的影响。在其中一项新研究中，梅茨格 根据阿波罗16号登月舱的镜头测试了他的新理论，这些镜头是从着陆器的窗户之一拍摄的。他发现他的理论很好地解释了着陆器火箭尾气在下降过程中抛出的尘埃如何阻挡了宇航员对附近陨石坑的视线。但他的计算也表明，阿波罗16号着陆器抛出了 11 至 26 公吨的月球土壤——这个数量至少是之前估计的四倍，剩余的大部分不确定性与土壤的性质难以确定有关。
美国宇航局总部空间技术任务理事会代理首席架构师米歇尔·蒙克说，这种上升趋势“表明我们有多么的无知，以及这种预测存在多少不确定性”。“我很高兴[梅茨格]继续在这个领域工作；我们非常依赖他的见解。”
新时代的旧法则
如果不采取预防措施，月球喷砂现在将构成比阿波罗时代更大的风险，当时着陆器较小，而且进入月球表面的机会也更加有限。到阿波罗计划结束时，阿波罗登月舱的着陆质量约为 7.5 公吨。现在，更大的飞行器已在规划中，SpaceX 的星舰有可能在月球上着陆 100 公吨或更多。还有一个节奏问题。阿波罗任务从未返回同一着陆点，但美国宇航局和中国国家航天局都设想建造人类宇航员将反复访问的月球前哨站。喷砂损伤是累积的，每次发射或着陆都会累积。
更复杂的是，许多国际机构和私营公司现在都在争取访问月球表面，这表明需要协调发射和着陆。但是，正如国际合作的需求一样，梅茨格说，任何外交上的快速解决方案也可能产生其他问题。《1967 年外层空间条约》是国际空间法的基础，各国不能声称对月球或任何其他天体拥有领土。但是，如果一个国家在一个特别适合人类居住的月球区域中心降落了一个敏感仪器，只是为了宣布其他国家在广阔半径范围内的月球着陆将有可能损坏该设备怎么办？“有人担心可能会有不良行为者想要规避《外层空间条约》并声称拥有事实上的领土，”梅茨格说。
存在潜在的工程解决方案。例如，基础设施可以建造在护堤或防护屏障后面，着陆区可以覆盖耐用、防尘的着陆垫。着陆器也可以使用放置在飞行器更高位置的推进器进行最终下降，以减少它们对土壤的搅动。曾为 SpaceX 提供咨询的梅茨格指出，根据公开的渲染图，SpaceX 似乎正在其当前的月球星舰设计中采用这种策略。
来自月球的更多数据可能即将到来。蒙克是月球羽流表面研究立体相机 (SCALPSS) 的首席研究员，SCALPSS 是一套美国宇航局相机套件，旨在绘制着陆器着陆前后正下方土壤的地图。SCALPSS 的第一个版本搭载在直觉机器公司的奥德修斯着陆器上，该着陆器于 2 月着陆，但它未能收集任何数据。升级版可能会最早于今年年底搭乘美国公司萤火虫航空航天公司建造的蓝色幽灵着陆器飞行。
“从原位着陆收集数据是最好的验证，”蒙克说。