绘图与算法如何敲定阿尔忒弥斯三号着陆点

SpaceX 载人着陆系统（HLS）搭载的阿尔忒弥斯三号机组人员最理想的着陆点会在哪里？

这是一项近期研究提交给《宇航学报》且在arXiv预印本服务器上可用所希望解决的问题，因为一个国际科学家团队对月球南极地区内可能的着陆点进行了调查，此前美国国家航空航天局（NASA）于 2022 年 8 月选定了 13 个候选着陆区，这还有可能为未来任务确定着陆点启用新的方法。

在这里，《今日宇宙》与来自卡塔赫纳技术大学的胡安·米格尔·桑切斯 - 洛萨诺博士以及来自米兰理工大学的埃洛伊·佩尼亚 - 阿森西奥博士讨论了这项研究，内容涉及研究背后的动机、重要发现、确定最终着陆点的原因、到沙克尔顿陨石坑的位置，还有如果着陆器小于 HLS 是否会改变结果等。

那么，这项研究背后的动机是什么？

桑切斯 - 洛萨诺博士告诉《今日宇宙》：“我们的动机在于首次将其他研究领域中成熟的方法引入太空探索的背景，为阿尔忒弥斯三号着陆点的选择过程贡献力量。

“具体而言，我们认定地理信息系统与多标准决策（GIS-MCDM）方法相结合，在评估和优先考虑候选着陆点方面能够提供重要价值。

“因此，我们意在向 NASA 展示这些方法的实用性，并通过确定和推荐最合适的着陆位置将其付诸实践。”

在这项研究中，研究人员运用这些方法对 NASA 先前确定的月球南极附近 13 个候选着陆区内的 1247 个位置进行了分析，以确定 HLS 最精确的着陆点。

他们把地理信息系统 - 多准则决策（GIS-MCDM）方法和理想解相似性排序技术（TOPSIS）算法相结合，以此来分析特定标准，包括月球表面可见度、HLS 宇航员的视线、永久阴影区（PSRs）、阳光照射、与地球的直接通信、地质单元以及丰富的镁铁质（富含铁或镁的火山岩）材料，从而实现了这一目标。

那么，这项研究最为重要的发现究竟是什么呢？

佩尼亚 - 阿森西奥博士对《今日宇宙》说道：“除了证明多准则决策在这些挑战中的适用性之外，我们的分析依据可见度、太阳光照、与地球的直接通信、地质多样性以及镁铁质材料的存在等标准，确定了 DM2 站点（诺比尔边缘 2）是最佳着陆点。

“在我们的研究中确定的九个最佳地点都在这个区域里。让人惊讶的是，这个地点不在科学界最为青睐的区域当中。

DM2 站点是 13 个候选着陆区中最远的着陆区之一，距离沙克尔顿陨石坑约 250 公里（150 英里），而沙克尔顿陨石坑的一部分直接位于月球南极。研究人员确定的最佳着陆点的确切位置是南纬 84°12'5.61" 和东经 60°41'59.61"，就在一个 PSR 陨石坑附近。

PSR 陨石坑具有探索重要性的原因在于，这些陨石坑特别深，或许数十亿年来阳光都未曾抵达其深处，这就可能致使它们潜在地存有了水冰沉积物。

因此，选择 DM2 站点的具体原因是什么，又有哪些潜在的备用着陆点呢？

桑切斯 - 洛萨诺博士向《今日宇宙》表示：“DM2 站点在几个关键标准上表现出色，包括最高的日照百分比、可探索含冰区域的最佳比例以及与地球的延长通信窗口。我们所采用的决策方法，特别是 TOPSIS 技术，其优势在于具有补偿性质。

“这种方法允许仅有可接受值的标准被具有出色值的其他标准所抵消，从而对替代方案进行全面排名。因此，最佳位置附近的着陆点也可能提供具有高度可接受性的非常可行的选择。”

关于备用站点，佩尼亚 - 阿森西奥博士向《今日宇宙》表示：“作为潜在的备用站点，我们认为 DM1（阿蒙森边缘）特别引人注目，因为它在所有评估参数上提供的平均值始终较高。我们还强调了 004 站点，它位于沙克尔顿陨石坑的边缘，我们的分析表明这是最佳着陆点之一。”

如前所述，确定最优着陆点的主要标准之一是 HLS，它将试图自 1972 年阿波罗 17 号以来首次将人类送上月球表面。然而，HLS 的高度几乎是阿波罗着陆器的 10 倍，分别为 50 米（160 英尺）和 5.5 米（17.9 英尺），这意味着着陆更大的航天器有其自身的好处和挑战。

需要指出的是，阿波罗最初的航天器设计要求在月球表面着陆一艘大型航天器，称为直接上升，沃纳·冯·布劳恩最初赞成采用这种方法。然而，直接上升技术被放弃，转而采用月球轨道交会（LOR）技术，据称由于需要在月球表面着陆的航天器较小，这种技术风险较小。

因此，如果使用比 HLS 更小的着陆器（即阿波罗大小的），这将如何影响着陆点的选择？

佩尼亚 - 阿森西奥博士对《今日宇宙》表示：“这将直接影响我们的结果，因为我们考虑了诸如着陆器接收的用于能量充电的太阳光照、从着陆器窗口的可见度（以帮助宇航员进行舱外活动和开展舱内科学研究）以及与地球的直接通信等标准。

“较低的着陆器可能会加大当地地形带来的挑战，阻挡视线和阳光。然而，它也可能为着陆器提供更高的稳定性（通过降低其质心高度），有可能降低地形坡度的安全限制，从而为探索开辟新的着陆点选项。”

随着阿耳忒弥斯三号任务的着陆点持续引发争论，美国国家航空航天局目前计划在明年晚些时候发射阿耳忒弥斯二号，搭载四名机组人员，其任务将像 1968 年 12 月的阿波罗 8 号一样绕月飞行并返回地球。

此外，商业航天工业也在自行尝试在月球南极附近着陆，即将到来的 IM - 2 任务由直觉机器公司承担，该公司今年早些时候成功地让自 1972 年以来的第一艘美国航天器在月球上着陆。

这项研究表明，可以运用大量方法来确定阿耳忒弥斯任务以及可能整个太阳系中其他行星体的其他任务的最佳着陆点，尤其是使用绘图和机器学习算法。

因此，当我们接近阿尔忒弥斯三号任务以及自阿波罗 17 号以来的首次人类着陆时，随着人类继续其在宇宙中的旅程，这些方法将不断发展和改进，以开发更先进的着陆方法。

桑切斯 - 洛萨诺博士对《今日宇宙》表示：“这项研究表明了工程项目和商业领域中的方法，像多标准决策技术，是如何被用于解决国际天文界所关注的决策问题的，例如所提出的案例研究：为阿尔忒弥斯三号任务选定最佳着陆点。”