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为什么直立登陆月球这么难
今年，两艘航天器在月球表面倾斜着陆。在月球上较弱的引力下，比你想象的更容易翻倒。
上个月，当机器人着陆器奥德赛成为50多年来第一个着陆月球的美国制造航天器时，它以一个角度翻倒。这限制了它在月球表面所能做的科学研究，因为它的天线和太阳能电池板没有指向正确的方向。
仅仅一个月前，日本航天局发射的另一个航天器，智能月球探测器(SLIM)，也在着陆时倾倒，最终倒在头上。
为什么突然出现了航天器像奥运会体操运动员表演地板运动一样在月球上翻滚的现象？在那里直立着陆真的那么困难吗？
在互联网和其他地方，人们指出奥德赛着陆器的14英尺高度(从着陆脚底部到顶部太阳能电池板)是其倾斜着陆的一个影响因素。
Intuitive Machines，奥德赛的制造商，是否在制造航天器时犯了一个明显的错误？
该公司的官员提供了对这种高瘦设计的工程解释，但这些互联网评论家确实有道理。
高大的物体比矮胖的物体更容易翻倒。在月球上，引力只有地球上引力的六分之一，翻倒的倾向更大。
这不是一个新的认识。半个世纪前，阿波罗号宇航员在月球上跳跃时就有亲身体验，有时还会摔倒在地。
上周，前NASA工程师、现任佛罗里达大学行星科学家Philip Metzger在社交媒体网站X上解释了为什么在月球上保持站立更困难的数学和物理原理。
“我实际上已经进行了计算，这真的很可怕，”Metzger博士说。“在月球引力下，可以使这样一个大小的着陆器倾斜的侧向运动只有每秒几米。”(每秒一米，在日常美国单位中，略多于每小时两英里。)
稳定性的问题有两个方面。
第一个是静态稳定性。如果某物以很大的角度站立，如果重心在着陆腿的外侧，它就会翻倒。
在这里，事实证明，倾斜的最大角度在地球上和月球上是一样的。它在任何世界，大小不同，都是一样的，因为引力抵消了方程式。
然而，如果航天器仍在移动，答案就会改变。奥德赛应该垂直着陆，水平速度为零，但由于导航系统的问题，它在着陆时仍在侧向移动。
“基于地球的直觉现在是一种责任，”Metzger博士说。
他举了推倒厨房冰箱的例子。“它太重了，轻轻一推不会把它推倒，”Metzger博士说。
但是你用一块泡沫塑料代替它，形状像冰箱，模仿月球引力下真实冰箱的重量，“然后轻轻一推就会把它推倒，”Metzger博士说。
假设航天器保持完整，它将在着陆脚接触地面的接触点旋转。
Metzger博士的计算表明，对于像奥德赛这样的航天器，着陆腿在月球上的宽度需要比在地球上宽大约两倍半，以抵消相同量的侧向运动。
例如，如果六英尺宽足以在地球上以最大水平速度着陆，那么腿必须相距15英尺，以免在月球上以相同的速度侧向倾斜。
为了设计简单，奥德赛的着陆腿没有折叠，SpaceX Falcon 9火箭的直径限制了着陆腿可以展开的宽度。
“因此，在月球上，你必须设计使着陆时的侧向速度非常低，比在地球引力下着陆时低得多，”Metzger博士在X上写道。
当我去年二月访问Intuitive Machines在休斯顿的总部和工厂时，我也想知道着陆器的形状。
“为什么这么高？”我问。
Intuitive Machines首席执行官Steve Altemus回答说，这与装载航天器液态甲烷和液态氧推进剂的罐有关。
氧气的重量是甲烷的两倍，所以如果氧气罐放在甲烷罐旁边，着陆器就会不平衡。相反，两个罐子堆叠在一起。
“这创造了高度，”Altemus先生说。
Scott Manley在X和YouTube上对火箭进行评论，他指出，Altemus先生在十年前在NASA时领导开发了一个更矮、更矮胖的着陆器。
这个名为Morpheus的测试着陆器也使用了甲烷和氧气推进剂，但燃料罐成对配置以保持重量平衡。它从未打算飞入太空。
在一次采访中，Manley先生说，这种设计也可以用于Intuitive Machines的着陆器，但会使航天器更重、更复杂。
如果航天器需要两个甲烷罐和两个氧气罐，航天器的结构需要更大、更重。罐子也会更重。
“你有更多的表面积，所以有更多的表面需要隔热，”Manley先生说。他还补充说，这也需要“更多的管道和更多的阀门，更多的故障点”。
对于南极地区着陆点，奥德赛的高度提供了另一个优势。在月球底部，阳光以低角度照射，产生长长的阴影。如果奥德赛保持直立，航天器顶部的太阳能电池板将长时间保持在阴影之外，为任务产生更多的能量。
在访问Intuitive Machines期间，该公司首席技术官Tim Crain表示，航天器被设计为即使在10度或更大的坡度上着陆时也能保持直立。导航软件被编程为寻找坡度为5度或更小的地点。
由于奥德赛用于测量高度的激光仪器在下降过程中不起作用，航天器比计划更快地降落在12度的坡度上。这超过了它的设计限制。奥德赛在表面上滑行，折断了六条腿中的一条，并倾斜到一边。
如果激光仪器在运行，“我们将钉住着陆，”Altemus先生在上周的新闻发布会上说。
同样的问题将适用于SpaceX的庞大星舰，该星舰将在2026年尽快将两名NASA宇航员带到月球表面。
星舰，高如16层楼，必须完全垂直降落，避免明显的坡度。但这些应该是可解决的工程挑战，Metzger博士说。
“它消除了动态稳定性的一些误差余量，但并没有消除所有的误差余量，”Metzger博士谈到高大的着陆器时说。“只要航天器上的其他系统都在运行，你剩下的余量是可以管理的。”
本文译自 The New York Times，由 BALI 编辑发布。