从阿波罗到阿耳忒弥斯：利用NASA的超级计算机推进登月计划

美国国家航空航天局（NASA）的"阿耳特弥斯"（Artemis）任务旨在扩大月球探索的范围，这些任务面临着新的挑战，因为着陆器体积更大，运行风险更高。这些任务必须在低重力和多尘表面等具有独特挑战的环境中驾驭复杂的月球着陆和升空。资料来源：帕特里克-莫兰，美国宇航局艾姆斯研究中心/安德鲁-韦弗，美国宇航局马歇尔太空飞行中心

通过"阿耳特弥斯"，NASA 计划在月球表面执行人类和机器人任务，探索比以往更多的月球区域。由于未来的着陆器将比阿波罗着陆器更大，配备的发动机也更强劲，因此与着陆和升空期间的操作相关的任务风险要大得多。由于美国宇航局的目标是在月球上建立持续的人类存在，因此任务规划人员必须了解未来的着陆器在未开发的月球表面着陆时是如何与月球表面相互作用的。

在月球上着陆非常棘手。当宇航员和有效载荷飞抵月球表面时，航天器通过启动火箭发动机来抵消月球的引力，从而控制飞船的下降。这种情况发生在地球上难以复制和测试的极端环境中，即低重力、无大气层以及月球碎屑的独特性质，尤其是月球表面一层细小、尖锐、松散的尘埃和岩石会对航天器造成极大威胁。

美国宇航局位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心的研究人员制作了阿波罗12号着陆器发动机羽流与月球表面相互作用的模拟动画。该动画描述了发动机关闭前最后半分钟的下降过程，显示了羽流在平坦的计算表面上施加的预测力。这种力被称为剪应力，是施加在一定面积上的横向力或侧向力，是流体流经表面时造成侵蚀的主要原因。这里，波动的径向图案显示了预测的剪应力强度。较低的剪切应力为深紫色，较高的剪切应力为黄色。资料来源：帕特里克-莫兰，美国宇航局艾姆斯研究中心/安德鲁-韦弗，美国宇航局马歇尔太空飞行中心

着陆和升空带来的风险和挑战

每次航天器着陆或升空时，其发动机都会向表面喷射出超音速的炽热气体羽流，强大的力量会掀起尘埃，并将岩石或其他碎片高速抛射出去。这会造成视觉障碍和尘埃云等危险，从而干扰导航和科学仪器，或对着陆器和附近的其他硬件和结构造成损坏。此外，羽流还会侵蚀着陆器下方的地表。

虽然阿波罗级着陆器没有形成陨石坑，但即将执行的阿耳特弥斯任务计划中的较大型着陆器对表面的侵蚀程度如何，是否会在着陆区迅速造成陨石坑，从而给着陆器的稳定性和着陆器上的宇航员带来风险，这些都是未知数。

为了提高对羽面相互作用（PSI）的认识，美国宇航局位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心的研究人员开发了新的软件工具，用于预测美国宇航局项目和任务的PSI环境，包括人类着陆系统、商业月球有效载荷服务计划和未来的火星着陆器。这些工具已被用于预测即将执行的月球任务中的陨石坑和视觉遮挡，并帮助美国宇航局最大限度地降低未来着陆任务中航天器和乘员的风险。

NASA 马歇尔团队最近制作了阿波罗 12 号着陆器发动机羽流与月球表面相互作用的模拟，预测的侵蚀与着陆时发生的情况非常吻合。(该动画描述了发动机熄火前最后半分钟的下降过程，显示了羽流对平坦计算表面施加的预测力。这种力被称为剪应力，是施加在一定面积上的横向力或侧向力，是流体流经表面时造成侵蚀的主要原因。这里，波动的径向图案显示了预测的剪应力强度。较低的剪应力为深紫色，较高的剪应力为黄色。

这些模拟在位于加利福尼亚硅谷美国宇航局艾姆斯研究中心的美国宇航局高级超级计算设施的 Pleaides 超级计算机上运行了数周，产生了数 TB 的数据。