NASA启动研究太空人登陆月球技术难题

文丨关品方

据报导，NASA近期发起“月球接地挑战”（Lunar Grounding Challenge）计划，希望寻找能让登月太空人在返回登月器前安全释放累积电荷的技术方案，避免太空人宛如“行走的高压电容器”（walking,high voltage capacitor），因放电产生电弧，威胁太空衣、登月器甚至太空人的安全。

NASA不是已经总共有过12名美国宇航员踏上月球表面，并且全部安全返回地球的吗？为什么现在NASA要重新启动研究宇航员返回登月器前的放电程序？

笔者翻查资料，阿波罗计划一共6次成功登月任务（阿波罗11、12、14、15、16、17），每次2人踏上月面，总共12人。阿波罗13号（1970年）发生故障，没有降落月球，3名宇航员只是绕月，最后平安归来，没有登月。

12位登月者完整名单是阿姆斯特朗和奥尔德林（Apollo11），康拉德和艾伦宾（Apollo12），谢泼德和米切尔（Apollo14），斯科特和欧文（Apollo15），约翰杨和杜克（Apollo16），塞尔南和施密特（Apollo17）。这6次登月发生在1969至1972的四年间，分别是1969年7月和11月，1971年2月和7月，1972年4月和12月。如果包含只绕月、没有登月的人，NASA总共有24名宇航员到达月球附近，全部安全返回地球；其中12人真正踏上月球地上的，就是上面这份名单。

当年在NASA的计划中还有阿波罗18、19和20号三次登月任务，但从未发射、没有登月。阿波罗18号原定计划1973年登月，目标是哥白尼环形山。1970年9月，阿波罗13号遇险之后，美国国会削减航天预算，阿波罗计划只批准到17号。NASA评估风险后，除了早前已取消了阿波罗20号之外，决定取消阿波罗18和19号。于是阿波罗17号成为人类迄今为止最后一次登月。

笔者2011年9月看过荷李活一部科幻电影，名为《Apollo 18（阿波罗18号）》，讲秘密登月发现外星生物。那是完全虚构的科幻片，以伪纪录片的科幻恐怖形式表达，不是真实历史。故事用“寻获旧录像带”的拍摄手法，编造一个被NASA隐瞒秘密登月任务的故事，全属虚构。当年一度误导不少观众、信以为真。

事实是阿波罗18号的指令舱后来被用在阿波罗-联盟测试计划（ASTP，1975年美苏太空对接）。那次只是近地轨道飞行，没有去月球；但因为用了阿波罗18号的指令舱，引起混淆。阿波罗18号图纸上有，但火箭从未升空，没有任何人乘坐阿波罗18号飞往月球。NASA的阿波罗登月计划，到17号就戛然而止。

如今NASA以总奖金15万美元募集“月球接地挑战赛”方案，阻止静电在登月任务期间电击太空人或关键硬体设备。

NASA募集这项挑战提案的截止日期是2027年1月15日，希望产业及技术团队提出创新设计，解决未来阿提米丝（Artemis）登月任务可能面临的静电放电问题。

笔者尝试用通俗的语言解释何谓放电，是类似避雷针或地线的安排。家里插座用的单相三根线有火线L，零线N和地线PE（Protect Earth），漏电时把电导入大地，防止触电。插头上面那个金属脚就是接这条地线。因为月球没有插座可以“接地”，太空衣累积的大量电荷须要释放但可怎样释放？在地球上，物体累积的静电最普通的方法是接地释放。但月球环境截然不同，模拟结果显示太空人在月球表面活动时，太空衣可能因“摩擦起电”（tribocharging）与“电浆充电”（plasma charging）而逐渐累积电荷。摩擦起电是两种材料接触、摩擦或分离时产生的电荷转移；电浆充电与周遭带电粒子环境有关。在月球特殊的月心吸力和缺乏大气层的太空环境下，这些效应在太空衣与周遭设备之间形成显著电位差，让大量电荷累积在太空衣上。到了月球阴影区域，尤其是阳光长期无法照射的“永久阴影区”（Permanently Shadowed Regions，PSRs），这情况会进一步恶化。在这些区域，电子与离子的环境差异会造成太空衣累积大量负电荷。当一名带有高度负电荷的太空人完成月球表面活动、准备返回带有正电荷的月球着陆器时，两者之间的电位差可能带来风险：太空衣触碰到月球着陆器时可能瞬间放电，产生的电弧会损伤太空衣与周遭设备，造成太空人触电，甚至影响月球着陆器上的关键电子设备失灵。若放电发生在富氧环境的太空船内部，电火花飞出、更可能导致火灾风险。据报导，NASA2018年的一场火星模拟任务就曾因为乘组员遭遇电荷积累问题而中断，因此这问题并非前所未见。

此外还有：月尘让问题更难处理。宇航员在月球表面行走，由于月心吸力较轻（只有地心吸力的1/6；穿上太空衣后的宇航员在地球上的体重约120公斤，在月球上的体重只有约20公斤），走路时像跳跃，导致月尘飞扬，因而电弧可能弹出更远。月尘问题难缠，是因为月球表面的细微尘埃不仅容易附着在太空衣上，同时可能改变放电模式。NASA表示，在月尘悬浮导致大量附着于太空衣上的环境下，电弧的跨度比较干净真空环境会延伸至更大距离。

NASA要求相关技术必须兼顾低质量、小体积及低功耗，同时还得承受月球表面的极端温度变化（昼夜温差达到摄氏300度）。相关设备（包括太空衣）不能只是一次性使用。依据NASA提出的挑战规范，相关技术必须能够支援最长10天任务期间内最多4次舱外活动（Extra Vehicular Activity，EVA），也就是俗称的“月球漫步”。

现在NASA寻找月球版“安全放电”技术，宣布该挑战赛分为多个阶段，包括概念设计、与评审讨论后的概念优化以及最终评选。NASA目前尚未公布这项静电防护技术实际投入的目标时间；只表示若计划顺利，将着手打造一个供太空人执行任务的长期月球基地，预计将在30年代（2030至2039）大致准备就绪。

问题的诡异之处就在这里。为什么NASA现在才研究这个放电问题？过去12位美国太空人是怎样在登月之后成功回到着陆舱、再飞返地球的呢？当年这个放电技术难关是怎样解决的？阿波罗11号到如今已经57年，NASA现在重启登月计划，为什么好像一切都是从头开始？问题存疑，不必说破。中国计划在2030年前登陆月球，届时或会真相大白，拭目以待就得。