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NBA正规买球官方网站:在月球上建造着陆平台的最佳方法是什么?
发布日期:2022-05-12 11:03    点击次数:57
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在不久的将来,美国国家航空航天局(NASA)、欧洲航天局(ESA)、中国和俄罗斯航天局(Roscosmos)都将实行载人登月任务。这将是自阿波罗时代以来宇航员首次在月球表面行走。但与“登月竞赛”不同的是,这些项目的目标不是第一次登月,只留下少量的实验和登陆器(即“脚印和旗帜”任务),而是要在月球表面建立持久的人类存在。这意味着要在月球表面和轨道上创造可供轮换人员使用的栖息地。

虽然,NASA 和其他航天机构打算尽可能地利用当地资源 —— 这一过程被称为原位资源利用(ISRU)—— 但创建月球基地仍需要从地球运送大量材料和机械。在最近的一项研究中,两位科学家研究了在月球表面建造着陆平台的成本和能源消耗。在考虑了各种施工方法后,他们确定增材制造和聚合物灌注相结合是最有效和最具成本效益的方法。

菲利普·梅茨格(Philip Metzger)是中佛罗里达大学(UCF)佛罗里达空间研究所(FSI)的科学家,美国宇航局肯尼迪空间中心(KSC)的前高级研究物理学家,KSC沼泽工程的联合创始人。格雷格·奥特里(Greg Autry)是亚利桑那州立大学(ASU)雷鸟全球管理学院空间领导、政策和商业的教授,也是联邦航空管理局(FAA)商业空间运输咨询委员会(COMSTAC)安全工作组主席。

上图:艺术家绘制的从月球基地起飞的星际飞船。

在他们的这项新研究中,主要研究了在月球表面建造着陆平台的不同方法。每种方法的评估都基于三个主要因素:从地球运送大量物质的需求,月球表面的能源消耗水平,以及完成建设所需的时间。这些因素中的每一个都(直接或间接地)贡献了月球活动的总成本。

研究中,他们确定了在评估空间施工方法时最重要的两个变量:运输成本和施工过程造成的延误。正如菲利普·梅茨格说明的那样:

“令我惊讶的是,施工过程的复杂性和可靠性没有发挥更大的作用。一个复杂的系统需要大约50%的前期投资,才能使其与简单的方法一样可靠。50%的成本增加听起来很多,但与月球运输的成本和推迟在月球上做事情所造成的价值损失相比,事实证明,50%的额外开发成本完全是无关紧要的。”

“所以,如果你发明了一种更复杂的方法来做事情,而且这种方法比以前的方法更快、质量更低,那么它是值得的。这与大家作为空间技术专家的自然倾向背道而驰。大家认为保持简单是更好的,大家认为当大家在遥远的月球上进行操作时,保持简单甚至更重要。但当大家从经济角度来看,这种感觉并不是真的。在月球作业的经济环境下,更高的技术值更大的前期投资。”

随着进一步的研究,他们发现,垫层的厚度、热环境(内垫和外垫之间不同)和月球计划的发射节奏,也是建立实际施工时间限制的重要因素。简而言之,每种方法的成本效益归结为发射有效载荷的每公斤成本和施工速度。他们考虑了几个基于能源需求以及如何根据热环境的变化而变化的能源需求。

上图:欧空局关于月球南极周围栖息地的概念,称为月球村。

特别是,他们考虑了增材制造(3D 打印)和 ISRU 方面的最新创新,这些创新多年来一直是 NASA 和 ESA 的研究主题。 当适应月球表面时,这些方法需要用微波加热风化层以产生熔融陶瓷(也称为“烧结”),然后打印出来,在没有空气的月球环境中凝固,或者添加粘合剂(如水泥或聚合物),形成“月球混凝土”。

一些方法需要大量的能量,这需要在月球上安装沉重的能源系统。其他方法则需要花费巨大的成本从地球上运来大量的粘合剂。还有一些是非常非常缓慢的过程。这两位科学家想看看当大家从经济角度看问题时,这些不同因素之间的比较情况。

大家可以把一切都转化为实际成本:从地球运输质量的成本;在月球上输送能源的成本;如果需要花很长时间进行建设,经济价值的损失。综合起来,就可以看到哪些建造方法为月球作业提供了最好的价值。

这两位科学家发现,与其他方法相比,微波烧结提供了低质量和高速的最佳组合。对于建造月球着陆台的内部高温区(起飞和着陆火箭燃烧发生的地方)尤其如此。如果运输成本很高,这种方法也最有利于构建外部低温区。

上图:阿特弥斯(Artemis)基地营。

然而,如果到月球表面的运输成本可以保持在每公斤110美金(约每磅50美金),最具成本效益的方法就是聚合物灌注。他们还估算了建造阿特弥斯(Artemis)基地营(2.29亿美金)的总成本 —— 美国宇航局打算在月球南极-艾特肯盆地周围建造地表栖息地。这些是基于这样的警告,即运输成本将从目前的每公斤 100 万美金(每磅 454545 美金)降至每公斤 300000 美金(每磅约 136,360 美金)。正如菲利普·梅茨格总结的:

“大家发现,在 NASA 的 Artemis 计划期间建造着陆台的成本相当实惠 —— 与 NASA 探索级航天器的成本(3 亿美金)大致相同。与载人航天计划的许多其他要素相比,这是一个很小的成本。以这笔费用,该计划将创建第一个在另一个世界建造的永久性设施,它还将把建筑机器人运送到月球,这样他们就可以开始做其他任务,比如建造人类栖息地。”

如果运输成本可以进一步降低至每公斤 100,000 美金(每磅 45455 美金),则这些估计将降至 1.3 亿美金,如果运输成本低于每公斤 10000 美金(每磅 4545 美金),则这些估计值将降至 4700 万美金。最终,梅茨格和奥特里证明了建造一个月球基地是可以负担得起,而价格将取决于未来几年发射成本继续下降的程度。鉴于,希翼在本十年和未来十年内在南极-艾特肯盆地建立前哨基地的航天机构的数量,这些发现具有特别重要的意义。

除了阿耳特弥斯基地营地,欧空局还计划建立一个名为“国际月球村”的永久基地。作为国际空间站(ISS)的精神继承者,这个基地将容纳宇航员的轮换、长期停留和在月球上的科学操作。不久前,中国和俄罗斯太空项目的代表也齐聚一堂,宣布了建立月球基地 —— 国际月球研究站(ILRS)的共同愿景。

上图:艺术家描绘的月球村的概念图。

由于对即将到来的月球探索时代的预期,美国宇航局和其他航天机构将继续研究能够在月球上进行经济高效建造的技术。这包括由德克萨斯 A&M 大学的研究人员开创的称为 Regolith Adaptive Modification System (RAM) 的 ISRU 制造工艺。该过程的重点是提供有助于烧结或聚合设备运输的早期基础设施。

在先进概念研究所 (NIAC)、蜜蜂机器人、德克萨斯 A&M 和中佛罗里达大学 (UCF) 的支撑下,Masten 空间系统企业还在开发月球着陆器概念。这个概念结合了一种称为“飞行氧化铝喷射技术(FAST)”的过程,即着陆器将铝颗粒注入其着陆推进器喷嘴,形成自己的着陆平台,这也缓解了月球灰尘被扬起的问题。

在这个十年和下一个十年,人类将重返月球,这一次人类会留下来。不仅多个太空机构将派遣宇航员,而且商业合作伙伴也将提供有效载荷和船员运输服务。月球游客甚至定居者最终可能都会随之而来,导致永久的人类存在和第一代“月球人”。

这一跨国努力正在多个领域促进创新,并导致地球生命的应用。毕竟,如果大家要确保人类能够克服大家在地球上面临的生态问题,并生活在太空中,就需要大家有创造力!

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