繪圖與算法如何敲定阿爾忒彌斯三號着陸點

SpaceX 載人着陸系統（HLS）搭載的阿爾忒彌斯三號機組人員最理想的着陸點會在哪裡？

這是一項近期研究提交給《宇航學報》且在arXiv預印本服務器上可用所希望解決的問題，因爲一個國際科學家團隊對月球南極地區內可能的着陸點進行了調查，此前美國國家航空航天局（NASA）於 2022 年 8 月選定了 13 個候選着陸區，這還有可能爲未來任務確定着陸點啓用新的方法。

在這裡，《今日宇宙》與來自卡塔赫納技術大學的胡安·米格爾·桑切斯 - 洛薩諾博士以及來自米蘭理工大學的埃洛伊·佩尼亞 - 阿森西奧博士討論了這項研究，內容涉及研究背後的動機、重要發現、確定最終着陸點的原因、到沙克爾頓隕石坑的位置，還有如果着陸器小於 HLS 是否會改變結果等。

那麼，這項研究背後的動機是什麼？

桑切斯 - 洛薩諾博士告訴《今日宇宙》：“我們的動機在於首次將其他研究領域中成熟的方法引入太空探索的背景，爲阿爾忒彌斯三號着陸點的選擇過程貢獻力量。

“具體而言，我們認定地理信息系統與多標準決策（GIS-MCDM）方法相結合，在評估和優先考慮候選着陸點方面能夠提供重要價值。

“因此，我們意在向 NASA 展示這些方法的實用性，並通過確定和推薦最合適的着陸位置將其付諸實踐。”

在這項研究中，研究人員運用這些方法對 NASA 先前確定的月球南極附近 13 個候選着陸區內的 1247 個位置進行了分析，以確定 HLS 最精確的着陸點。

他們把地理信息系統 - 多準則決策（GIS-MCDM）方法和理想解相似性排序技術（TOPSIS）算法相結合，以此來分析特定標準，包括月球表面可見度、HLS 宇航員的視線、永久陰影區（PSRs）、陽光照射、與地球的直接通信、地質單元以及豐富的鎂鐵質（富含鐵或鎂的火山岩）材料，從而實現了這一目標。

那麼，這項研究最爲重要的發現究竟是什麼呢？

佩尼亞 - 阿森西奧博士對《今日宇宙》說道：“除了證明多準則決策在這些挑戰中的適用性之外，我們的分析依據可見度、太陽光照、與地球的直接通信、地質多樣性以及鎂鐵質材料的存在等標準，確定了 DM2 站點（諾比爾邊緣 2）是最佳着陸點。

“在我們的研究中確定的九個最佳地點都在這個區域裡。讓人驚訝的是，這個地點不在科學界最爲青睞的區域當中。

DM2 站點是 13 個候選着陸區中最遠的着陸區之一，距離沙克爾頓隕石坑約 250 公里（150 英里），而沙克爾頓隕石坑的一部分直接位於月球南極。研究人員確定的最佳着陸點的確切位置是南緯 84°12'5.61" 和東經 60°41'59.61"，就在一個 PSR 隕石坑附近。

PSR 隕石坑具有探索重要性的原因在於，這些隕石坑特別深，或許數十億年來陽光都未曾抵達其深處，這就可能致使它們潛在地存有了水冰沉積物。

因此，選擇 DM2 站點的具體原因是什麼，又有哪些潛在的備用着陸點呢？

桑切斯 - 洛薩諾博士向《今日宇宙》表示：“DM2 站點在幾個關鍵標準上表現出色，包括最高的日照百分比、可探索含冰區域的最佳比例以及與地球的延長通信窗口。我們所採用的決策方法，特別是 TOPSIS 技術，其優勢在於具有補償性質。

“這種方法允許僅有可接受值的標準被具有出色值的其他標準所抵消，從而對替代方案進行全面排名。因此，最佳位置附近的着陸點也可能提供具有高度可接受性的非常可行的選擇。”

關於備用站點，佩尼亞 - 阿森西奧博士向《今日宇宙》表示：“作爲潛在的備用站點，我們認爲 DM1（阿蒙森邊緣）特別引人注目，因爲它在所有評估參數上提供的平均值始終較高。我們還強調了 004 站點，它位於沙克爾頓隕石坑的邊緣，我們的分析表明這是最佳着陸點之一。”

如前所述，確定最優着陸點的主要標準之一是 HLS，它將試圖自 1972 年阿波羅 17 號以來首次將人類送上月球表面。然而，HLS 的高度幾乎是阿波羅着陸器的 10 倍，分別爲 50 米（160 英尺）和 5.5 米（17.9 英尺），這意味着着陸更大的航天器有其自身的好處和挑戰。

需要指出的是，阿波羅最初的航天器設計要求在月球表面着陸一艘大型航天器，稱爲直接上升，沃納·馮·布勞恩最初贊成採用這種方法。然而，直接上升技術被放棄，轉而採用月球軌道交會（LOR）技術，據稱由於需要在月球表面着陸的航天器較小，這種技術風險較小。

因此，如果使用比 HLS 更小的着陸器（即阿波羅大小的），這將如何影響着陸點的選擇？

佩尼亞 - 阿森西奧博士對《今日宇宙》表示：“這將直接影響我們的結果，因爲我們考慮了諸如着陸器接收的用於能量充電的太陽光照、從着陸器窗口的可見度（以幫助宇航員進行艙外活動和開展艙內科學研究）以及與地球的直接通信等標準。

“較低的着陸器可能會加大當地地形帶來的挑戰，阻擋視線和陽光。然而，它也可能爲着陸器提供更高的穩定性（通過降低其質心高度），有可能降低地形坡度的安全限制，從而爲探索開闢新的着陸點選項。”

隨着阿耳忒彌斯三號任務的着陸點持續引發爭論，美國國家航空航天局目前計劃在明年晚些時候發射阿耳忒彌斯二號，搭載四名機組人員，其任務將像 1968 年 12 月的阿波羅 8 號一樣繞月飛行並返回地球。

此外，商業航天工業也在自行嘗試在月球南極附近着陸，即將到來的 IM - 2 任務由直覺機器公司承擔，該公司今年早些時候成功地讓自 1972 年以來的第一艘美國航天器在月球上着陸。

這項研究表明，可以運用大量方法來確定阿耳忒彌斯任務以及可能整個太陽系中其他行星體的其他任務的最佳着陸點，尤其是使用繪圖和機器學習算法。

因此，當我們接近阿爾忒彌斯三號任務以及自阿波羅 17 號以來的首次人類着陸時，隨着人類繼續其在宇宙中的旅程，這些方法將不斷髮展和改進，以開發更先進的着陸方法。

桑切斯 - 洛薩諾博士對《今日宇宙》表示：“這項研究表明了工程項目和商業領域中的方法，像多標準決策技術，是如何被用於解決國際天文界所關注的決策問題的，例如所提出的案例研究：爲阿爾忒彌斯三號任務選定最佳着陸點。”