为什么直接登陆月球如此困难？

上个月，当奥德修斯号机器人着陆器成为 50 多年来第一艘登陆月球的美国制造的航天器时，它发生了一定角度的翻转。 这限制了它在月球表面可以进行的科学研究，因为它的天线和太阳能电池板没有指向正确的方向。

就在一个月前，日本航天局发射的另一艘航天器“月球勘察智能着陆器”（SLIM）也在着陆过程中发生翻转，最终头朝下。

为什么突然流行宇宙飞船像奥运会体操运动员做自由体操一样在月球上滚动？ 直接降落在那里真的那么难吗？

在互联网和其他地方，人们指出奥德修斯着陆器的高度——从着陆脚底部到顶部太阳能电池板的高度为 14 英尺——是其着陆不稳定的一个因素。

奥德修斯的制造商直觉机器公司以这种方式建造星际飞船是否犯了一个明显的错误？

公司官员为这种细长的设计提供了工程上的理由，但网上评论者的观点是有道理的。

长物体比短而粗的物体更容易掉落。 在月球上，重力是地球重力的六分之一，翻船的可能性更大。

这并不是一个新的认识。 半个世纪前，阿波罗宇航员有过在月球表面跳跃、有时坠落地球的亲身经历。

上周，前 NASA 工程师、现中佛罗里达大学行星科学家 Philip Metzger 在社交媒体网站 X 上解释道， 数学和物理 为什么留在月球上这么困难？

“我已经算过，这真的很可怕，”梅茨格博士说。 “在月球重力作用下，能够翻转这种尺寸着陆器的横向运动仅为每秒几米。” （按日常美国单位计算，每秒一米相当于每小时两英里多一点。）

这个稳定性问题有两个部分。

首先是静稳定性。 如果某个物体以大角度站立，如果重心位于着陆腿之外，则该物体将会掉落。

事实证明，地球上的最大倾斜角与月球上的最大倾斜角相同。 在任何世界，无论大小，都是一样的，因为重力抵消了这个方程。

然而，如果航天器仍在移动，答案就会改变。 奥德修斯本应以零水平速度垂直着陆，但由于导航系统的问题，他落地时仍在侧向移动。

“基于地面的直觉现在是一种负担，”梅茨格博士说。

他举了一个试图把冰箱推进厨房的例子。 “它太重了，即使是简单的推动也无法推动它，”梅茨格博士说。

但你可以用一块冰箱形状的聚苯乙烯泡沫塑料代替它，模拟月球重力下真正冰箱的重量，“然后轻轻地推它，”梅茨格博士说。

假设航天器保持一体，它将在着陆脚接触地面的接触点处旋转。

梅茨格博士的计算表明，对于像奥德修斯这样的航天器，着陆腿在月球上的距离必须是在地球上的两倍半，才能遇到相同量的横向运动。

例如，如果 6 英尺宽足以以最大水平速度降落在地面上，则腿之间的距离应为 15 英尺，这样您就不会以相同的横向速度翻转到月球上。

为了简化设计，奥德修斯的着陆腿没有折叠，而将其升入太空的 SpaceX 猎鹰 9 号火箭的直径限制了着陆腿可以展开的距离。

“因此，在月球上，你必须设计成在着陆时保持非常低的横向速度，远低于飞行器在地球重力下着陆的速度，”梅茨格博士在 X 上写道。

去年 2 月，当我参观 Intuitive Machines 位于休斯敦的总部和工厂时，我也想知道着陆器会是什么样子。

“为什么这么高？” 我问。

直觉机器公司首席执行官史蒂夫·阿尔特姆斯回答说，这是装有飞船液态甲烷和液态氧燃料的储罐。

氧气的重量是甲烷的两倍，因此如果氧气罐放在甲烷罐旁边，着陆器就会不平衡。 相反，两个坦克叠在一起。

“它创造了这个高度，”阿尔特姆斯先生说。

斯科特·曼利（Scott Manley）对火箭队进行评论 X 和 YouTube指出，阿尔蒂姆斯先生十年前在美国国家航空航天局 (NASA) 时领导了一种较短的、占地式着陆器的开发。

这个名为“Morpheus”的测试着陆器也使用甲烷和氧气燃料，但储罐成对配置以保持重量平衡。 它从来没有打算飞入太空。

曼利在接受采访时表示，该设计也适用于直觉机器着陆器，但会使航天器变得更重、更复杂。

如果航天器需要两个甲烷罐和两个氧气罐，那么航天器结构就必须更大、更重。 坦克也会更重。

“你有更多的表面积，所以有更多的隔热空间，”曼利说。 他补充说，还需要“更多的管道、更多的阀门、更多可能出错的东西。”

对于南极地区的着陆点来说，奥德修斯的高度提供了另一个优势。 在月球底部，阳光以低角度照射，形成长长的阴影。 如果奥德修斯保持直立，航天器顶部的太阳能电池板将在阴影中停留更长时间，为任务产生更多电力。

在参观 Intuitive Machines 期间，该公司首席技术官 Tim Crane 表示，该航天器的设计即使在 10 度或以上的斜坡上着陆时也能保持直立。 导航软件被编程为寻找坡度不超过五度的地方。

由于奥德修斯号上用于测量高度的激光仪器在下降过程中不起作用，航天器在 12 度的斜坡上下降得比计划的要快。 这超出了其设计极限。 奥德修斯沿着屋顶滑落，摔断了六条腿中的一条，并翻到了一边。

阿尔蒂莫斯在上周的新闻发布会上表示，如果激光器正常工作，“我们就会成功着陆”。

同样的担忧也适用于 SpaceX 的大型航天器，该航天器将于 2026 年将两名 NASA 宇航员送上月球表面。

这艘航天器有 16 层楼那么高，必须完全垂直下降并避开大斜坡。 但梅茨格博士说，这些挑战必须是可解决的工程挑战。

“它消除了动态稳定性中的一些误差幅度，但并没有消除所有误差幅度，”梅茨格博士谈到更长的着陆器时说道。 “只要航天器上的其他系统正常工作，剩下的余量是可以控制的。”