月球遗产保护的NASA建议
发布时间:2019-05-30
出品:科普中国
制作:哈尔滨工业大学(深圳) 李会超
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  今年年初,某手机品牌的宣传广告在网络上走红。 

    


(宇航员:我在月球上摊上事儿了! 

截图自https://www.bilibili.com/video/av35593926 

    

  在这则广告架空虚构的场景中,一名登月的宇航员为了拍摄登月飞船上打出的横幅,不慎踩到了阿姆斯特朗留在月球表面的第一个脚印。 

    

  实际上,这并不只是一个让人捧腹不禁的创意,更是现实存在的风险。随着人类航天技术的不断进步,人类重返月球并对月球进行更全面、更深入的探测将在不久之后成为现实:我国的嫦娥四号已经实现人类在月球背面的首次着陆探测,而NASA计划中的深空门户空间站将在环绕月球的轨道上搭建起一个登陆月球的前进基地,并由此持续的向月球表面释放探测器,对月球进行系统性的探测。为了防止今后越来越频繁的探测破坏月球上的人类历史和科学遗产,NASA已经给出了相应的建议报告。 

  

  下降/着陆边界:避免飞船破坏遗产

  月球上,人类的遗产还真不少。 

    

  1959年苏联的月球-2号受控撞击月球,第一次在月球表面上留下了人造物体。上世纪六七十年代开展的阿波罗登月计划,更在月球表面留下了大量各类用途的人造物体。这其中,有土星五号火箭S-IVB上面级、登月舱、月球车等完成了任务的航天器,还有为纪念殉职宇航员而创作的倒下的宇航员”(The Fallen Astronauts)雕塑、美国国旗、宇航员勋章等具有精神价值的物品。 

    

  为了保护这些月球遗产不被未来的航天活动所破坏,NASA为这些人造物体制定了两个“保护区”范围:下降/着陆边界和人为活动边界。 

 

  下降/着陆边界是为了保护飞船“文物”免受飞行中的航天器所产生的效应所划定的。NASA建议,无论是航天器下降接近月球表面的轨迹,还是航天器低空飞掠的轨迹,均应处于以月球遗产为中心、半径为两公里的圆形范围之外。 

  

  通过理论计算和阿波罗登月任务时的实际观测,科学家们确信飞船发动机向月球表面喷出的高速燃气可以将大部分月球表面的月壤和沙砾吹拂到300/-2000/秒的速度,重量最小的月壤尘埃甚至可以被吹拂到2.37km/s以上,超越了月球逃逸速度而进入环绕太阳的轨道。如果飞船着陆或飞掠月球表面时距离某一月球遗产的距离太近,这些月壤和砂砾就有可能击打到这些月球遗产从而造成伤害。例如,阿波罗12号的着陆点距离先前着陆的测量员3号无人探测器的距离为155米。当阿波罗12号着陆时,发动机喷流扬起的沙砾打在了测量员3号的表面,造成了轻微的伤害。好在测量员3号所处的位置刚好位于一个撞击坑当中,其地理高程比阿波罗12号着陆点低4.3米,因此它实际上幸运的躲开了大部分沙砾的袭击。随后的分析表明,如果探测员3号的地理高程与阿波罗12号一致,其受到的打击程度将高出几个量级,很有可能造成探测器损坏等更严重的后果。 

  

  

(在测量员3号探测器附近执行取样任务的阿波罗12号宇航员皮特·康拉德。从图片中不难看出位于远处的阿波罗12号飞船登月舱的地理高程要高于测量员3号。图片来源:NASA 

   

  随着距离的增加,发动机吹起的沙砾所造成的伤害效应将会逐渐减弱。然而,如果保护范围划的太大,将会对今后的探测活动带来不小的限制。好在月球较小的半径为这个矛盾的解决提供了可能。计算表明,虽然发动机吹起的沙砾可以飞至距离飞船1.8公里的地方,但由于月球表面的曲率效应,大部分沙砾在此处已经距离月球表面较远,可以从月球遗产的上方飞过。将下降/着陆边界扩大到2公里,可以进一步应对飞船失控下坠等风险。 

   

  人为活动边界:避免宇航员打卡闯祸

  如果一艘登月飞船在距离月球遗产2公里以外的位置降落到月球表面,冒失的宇航员仍然可能通过种种方式来到遗产附近打卡,有可能酿成手机广告中不小心踩到阿姆斯特朗脚印的悲剧。 

    

  在整个阿波罗计划中,有两个任务具有特别的意义:一个当然是人类首次登月的阿波罗11号任务,标志着登月时代的开始。另一个则是阿波罗17号任务,标志着探月热潮的偃旗息鼓。 

    

  为了使这两个标志性事件的遗产得以永久保留,NASA为他们划定了人为活动边界:宇航员和月球车等人造物体,不要进入仍留在月球上的阿波罗11号飞船下降段周围50米的范围内。对于阿波罗17号,由于月球车增大了宇航员的活动范围,这一距离被增大到了225米。 

   

  

(阿波罗11号登月舱下降段上的纪念牌,上书:公元19697月,来自行星地球上的人踏足月球,我们为全人类的和平而来。这块纪念牌至今和阿波罗11号登月舱下降段一起留在月球上. 图片来源NASA 

    

  月球大气层的浓度几乎可以忽略,也没有较强的内禀磁场保护其免受带电粒子轰击。位于月球表面的航天器将直接受到太阳风粒子和宇宙射线的侵袭,而遗留在月球表面的阿波罗飞船及其附属探测仪器在数十年中因此发生的变化,有可能给科学家们带来新的发现与认识。对于阿波罗12号和阿波罗14-16号飞船(阿波罗13号在飞行期间发生险情,未能在月球着陆),NASA给出了1-3米的较小保护范围,希望在尽量保护遗产的前提下,在未来有可能时对这些老飞船的情况进行探测。 

   

  尽管已经过去四十多年,但由阿波罗11号、14号和15号安放在月球表面的激光发射器仍在科学研究中发挥作用。科学家瞄准和月球上发射器的位置发射一道激光后,通过捕捉反射器发射回来的激光光子,计算激光在一去一回的过程中所花费的时间并与光速相乘,就能得到地球和月球间的距离。要用激光准确的照射到表面积并不大的反射器,其难度与用枪击中3公里之外正在移动的硬币一样困难。由于光束不可避免的发散效应,即便对于直径高达3米的望远镜,也只能在通过激光平均发射1017个光子后才接收到一个光子。同时,在确定传播延迟时间时,要考虑激光穿过地球大气层时所发生的一些扰动和变化,进行相当复杂的计算后才能得到高精度的地月距离数据。 

   


(阿波罗11号纺织在月球表面的反射器。图片来源NASA 

    

  探测数据积累的时间越长,从中能反映的科学信息越多,而一旦今后的航天活动意外的接触了月球上的反射器,改变了他们的一些指标,已经积累的数据和未来获得的数据之间就会发生断档,科学价值会大打折扣。因此,NASA为月球遗产划定的人为活动边界也有助于已经成为历史的登月任务还能持续产出科学成果。 

    

  但是,近年来的观测表面,这些反射器反射激光的能力正在下降,科学家们认为阳光照射引起的形变、宇宙射线或太阳风粒子的侵蚀或月球表面尘埃在反射器上的沉积都有可能是这一问题的罪魁祸首。因此,科学家们也希望今后能对这些反射器的情况进行实地探测和考察。NASA为这些反射器划定的1米的人为活动边界,可以在尽量确保反射器安全的情况下,来使这些探测成为可能。 

  

(美国戈达德太空飞行中心正在使用激光测定地月距离。来源 Wikipedia。) 

   

  应该遵守的太空探索道德规范

  实际上,NASA通过这份报告给出的探测建议即便在美国国内都不具备法律效力,更没有通过联合国和平利用外空委员会(UNCOPUOS)和国际空间研究委员会(COSPAR)等国际机构缔结国际协议,没有任何事实上的约束力。 

    

  如果真的有哪个冒失鬼突破NASA划定的保护界限,踩坏了阿姆斯特朗的脚印,NASA除了捶胸顿足和严厉谴责之外,似乎也没有什么其他手段。 

    

  然而,任何一个有能力将航天器送上月球的国家或公司机构,必然深知探月之路的艰辛与不易,从而会尊重先前的月球遗产、遵循NASA的保护建议。毕竟,阿姆斯特朗虽然是一个美国人,但迈出的的确是人类的一大步。对月球遗产的尊重与保护,应该是航天活动所应经受的太空探索道德规范。 

 

(月球遗产保护报告封面。来源;NASA) 

   

  参考内容:NASA’s Recommendations to Space-Faring Entities: How to Protect and Preserve the Historic and Scientific Value of U.S. Government Lunar Artifacts NASA, 2011 

   

  (本文中标明来源的图片均已获得授权) 

关闭