《自然》独家：为了2026年月面行走，NASA宇航员怎么训练的？
《自然》独家：为了2026年月面行走，NASA宇航员怎么训练的？
NASA正在进行大规模宇航员训练，以准备2026年月球南极的地质学研究。宇航员在模拟月面行走中，需学会在昏暗条件下寻找岩石和采集月壤样本。为此，NASA在亚利桑那州进行夜间舱外活动训练，以模拟月球南极的光照条件。除此之外，宇航员还需熟悉月球地形，学会在不同地貌中进行考察。目前，阿尔忒弥斯项目计划发射不早于2026年9月，中国已宣布计划在2030年前实现载人登月。
NASA宇航员Kate Rubins在夜间训练中为地质探测选取工具。来源：NASA/Josh Valcarcel
2024年5月，在月球南极诡异的朦胧光线中要如何看清东西，正让NASA宇航员Kate Rubins焦头烂额。Rubins小心翼翼地穿过月面上浓黑的阴影，宇航服头灯的一点微光照亮了她的道路。她正在这片火山地形中寻觅地质宝藏——能采样带回的月球岩石，这些岩石将揭开这个冰冻世界的秘密。作为半个多世纪以来第一个涉足月球的人，Rubins的历史性闯荡进展很顺利——要是不看一路上成堆的牛粪的话。
这片乱石遍布的平原并不是真正的月球，而是美国亚利桑那州北部高地的一片沙漠。NASA计划再次将人类送上月球，这项任务名为阿尔忒弥斯3号，Rubins和Andre Douglas两位宇航员正在参与的，是该任务史上规模较大的一次演习。若一切按计划推进，再过两年多一点，Rubins本人（或她的某位同事）就将真正踏上月球。因此，NASA正在对宇航员进行训练，以便他们能充分地利用驻留月球的宝贵时间——毕竟，自从1972年最后一次“阿波罗”（Apollo）载人任务以爆炸告终后，就再也无人踏上月球了。
“我们有很多要重新学习、找出办法的地方。”在美国休斯敦，NASA约翰逊航天中心（NASA’s Johnson Space Center，JSC。下文简称“约翰逊中心”）的行星科学家Juliane Gross说。Gross将负责监管阿尔忒弥斯号带回地球的月球样本。“可以说，我们就像是一边航行，一边绘制航路图。”
晚些时候Rubins告诉《自然》：“从很早开始，我们就把这些任务所需的严谨性融入其中了。”
2024年5月中旬的这次模拟月面行走期间，Gross等科学家云集约翰逊中心。亚利桑那州实地训练的航天员和休斯敦的任务控制员、科研团队要共同完成的是一件大事——通过实时合作，编制宇航员在模拟月面上的应做事项。带头科学家、知名宇航员和NASA高层均出席见证了这次历史性的测试。此时，距离NASA正式启动让人类重返月球的阿尔忒弥斯项目已六年有余；而这次测试让人感觉，阿尔忒弥斯项目的登月计划正在实现。
要想实现阿尔忒弥斯3号的登月计划，NASA需要投入约1000亿美元，用于火箭、载人舱、着陆系统等设施的研发。1969年的阿波罗11号登月任务中，阿姆斯特朗和奥尔德林成为了先登上月球的人；与当年一样，让宇航员不仅能登上月球，还能平安归来，是阿尔忒弥斯3号的首要目标。
不过，科学研究也是阿尔忒弥斯项目不可或缺的基本内容，NASA说。NASA已经大幅扩充了宇航员训练，纳入了更多野外地质学的内容，以便乘组人员习得如何考察月球地貌方法，如何选取岩石采样对象，如何推演相应区域的地质史。
在阿波罗项目的最后三次任务中，此类训练已经见到了成效。据约翰逊中心退休月球地质学家Dean Eppler介绍，当时每位执行任务的宇航员都接受了约1000小时的科学培训。“我们参照阿波罗项目的做法，因为它非常成功。”例如，在1971年的阿波罗15号任务中，两位试飞员出身的宇航员发现并带回了一块闪着微光的碎片，后来科学家发现，这是一块原始月壳。人们亲切地把这块岩石样品称为“创世岩（the Genesis Rock）”，科学家们由此进一步了解了40多亿年前月球由全月规模的岩浆洋凝固而成的过程。
21世纪头20年间，NASA让宇航员接受了从国际空间站观测地球的培训。如今，宇航员正在通过造访小行星撞击坑、火山地貌等，体验身处月球的感觉。“这样，踏上月球表面时宇航员能知道，哪怕实际情况和想得不一样也没关系。”宇航员地质培训带头人、约翰逊中心地质学家Cynthia Evans说。
月球南极的光照条件恶劣，为了在这种异常光照环境下工作，宇航员必须有所准备。来源：NASA/Josh Valcarcel
阿尔忒弥斯3号将造访月球南极，这是宇航员从未涉足过的区域。由于此处纬度较高，阳光环绕时，这里的光线不仅非常刺眼，与月面形成的角度也很陡峭。一些区域的光照极为明亮，阴影区域则极为深暗，这种环境下强烈的明暗差异让宇航员的工作很不容易。
2024年5月的这次舱外活动（EVA）训练在亚利桑那州弗拉格斯塔夫（Flagstaff）北面的圣弗朗西斯科火山区进行。1960年代，NASA和美国地质调查局（USGS）就曾在此为阿波罗项目训练宇航员。2024年5月的这次测试被命名为“舱外活动和人类月面移动能力联合测试团队”（JETT5），测试地点是一片私人场地，离一处被称为“SP”的火山灰锥不远（SP是“粪罐”的缩写，因为该火山口及其熔岩流呈现出的形态，就像打翻了便壶流了一地。）
亚利桑那SP火山口（SP Crater）的卫星图片，从中可见在宇航员训练中模拟月球环境的火山口和熔岩流。来源：NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS, and US/Japan ASTER Science Team
2023年，美国地质调查局的地质学家为测试区域绘制了地图，发给训练期间云集约翰逊中心“科学顾问室（ science back room）”的研究人员。研究人员拟定了四次模拟月面行走，每次均从着陆点出发，前往区域内的各处熔岩流、峡谷等地貌进行考察。“这就与我们在阿尔忒弥斯项目中的工作紧密关联。”美国地质调查局的地质学家Lauren Edgar说。Edgar是JETT5科学团队的带头人之一。
在四次月面行走中的第三次，Rubins和Douglas穿上了按日后阿尔忒弥斯乘组的登月服装仿制的宇航服。他们离开“着陆器”，穿过用带子串起来的一组橙色杆子，冷不丁就“登陆”了月球表面——尽管这里蚁丘和牛粪有点多。
Rubins和Douglas拍摄了照片，开始了岩石采集，并把观测见闻用无线电传回任务控制中心。两人的效率非常高，他们按照精心拟定的任务清单工作，进度很快就比计划提前了10分钟。
约1600千米之外的休斯敦，两人的工作速度引起了Brett Denevi的注意。Denevi是约翰·霍普金斯大学应用物理实验室（the Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland）的一名行星地质学家，是当晚的科学顾问室负责人。
行星地质学家Brett Denevi与其他研究人员探讨宇航员在模拟月面行走期间的应做事项。来源：Michael Starghill Jr forNature
于是，Denevi向“科学帮”（the science scrum）征求想法——顾问室里有一张摊满了地图的桌子，“科学帮”这个非正式称呼指的是围坐桌旁的一群科学团队成员。其中有四位科学家，每位都代表了JETT5针对该区域的一项主要研究目标：地表演化进程；岩石之间的年代关系；火山历史；以及这片模拟月球南极的土壤中是否冻结了挥发性元素。最后，“科学帮”决定询问两位宇航员，能否采集一管侵蚀沉积物。
凿入样品管（drive tube）是金属圆柱体，地质学家可用其采集软沉积物核心的样本。阿波罗探月项目时期，从1969年到1972年，NASA宇航员采集了多管月壤样本，这些样本揭示了宇宙射线如何撞上月面的过程。现在，Denevi及其团队希望采集的，是一份附近岩石露头遭到侵蚀后的沉积物。这可是个不小的不情之请：宇航员要完成这项工作，得先把其它计划事项放在一边。
测试过程中的每一项决策都必须通过实时论证，并仔细记录。“不能只说我们要那块石头。”Denevi当晚的副手、得克萨斯大学埃尔帕索分校（the University of Texas El Paso）地质学家José Hurtado说，“必须清楚说明为什么我们要某块特定岩石，它为什么跟我们的重点事项相关。”
Denevi走向一个带着通讯耳机的人，递给他一张纸条：“我们想采集一管样品。这是坐标。”
接着，科学家的请求传给了任务控制中心，得到了批准；飞行控制人员随即通知宇航员继续前进，采集科学家请求的样品。科学顾问室获得了这一晚的大胜利，欢声雷动。“成了！”地图桌旁的一位科学家振臂欢呼。很快，任务音频中出现了一阵阵叮叮当当的声音，那是Rubins正在把样品管插进地面。
对月面上的宇航员进行实时定位，是NASA正努力攻克的难题之一。来源：Michael Starghill Jr forNature
不过，这次夜间舱外行走也不是事事都这么顺利。飞行操作团队特地设置了一些难题，比如，一旦宇航员离着陆器太远，视频通讯就会切断。操作团队还人为设置了20分钟的图片下载延时，于是，科学团队经常不能实时看到宇航员采集的岩石。
身为微生物学家的Rubins还曾自嘲道，牛粪在亚利桑那州的牧场明明随处可见，但他们却要采集牛粪样品，把它放到地质采样袋里。
另一头，科学顾问室里正运行着多个音频环路和视频通话，声响嘈杂。除了“科学帮”外，还有一组研究人员聚在旁边的桌子，分析此次月面行走的图像；同时还有两位科学家在追踪宇航员的位置。
位于休斯敦的NASA约翰逊航天中心，大屏幕正展示宇航员在亚利桑那州进行“月面行走”的实时视频。约翰逊中心的科学家们讨论着宇航员训练期间的应做事项。来源：Michael Starghill Jr forNature
为了模拟月球南极的光照条件，JETT5组织者建造了一个“太阳推车”——就是给一个巨型聚光灯加上轮子，运到测试环境中。在Rubins和Douglas眼中，“太阳推车”就像是在月球上看到的太阳，距离遥远，贴着地平线上方转动。
两位宇航员小心翼翼地穿过昏暗的地形，只能用寥寥几种个人照明设施辅助工作。宇航员配备了头灯，只能照亮视线的方向；不过Rubins很开心还有手持灯，可以调节到自己想照亮的任意方向，她告诉任务控制中心：“我觉得，有一盏灯能照亮脚边绝对有必要。”宇航员的反馈在他们真正到达月球时会派上用场。
JETT5旨在开发工具和流程，用于阿尔忒弥斯3号的宇航员月面行走。但是，NASA面临的各种难题中，有很多都比选取采样岩石艰巨得多。阿尔忒弥斯项目的经费数额不比阿波罗项目——若折合成今日的美元，1960-1973年间，阿波罗项目及其前身的耗资超过了3000亿美元。阿尔忒弥斯项目的计划进度也相应放缓。
2022年底，阿尔忒弥斯1号对重型运载火箭和宇航员即将乘坐的载人舱进行了无人测试，时长共计25天，期间进行了绕月飞行。阿尔忒弥斯2号将搭载四名宇航员进行绕月飞行，但不进行月球着陆，计划发射时间不早于2025年9月；至于实行着陆的阿尔忒弥斯3号，计划发射时间则不早于2026年9月。接着，阿尔忒弥斯4号也将进行载人月球着陆，暂定2028年发射。另一边，中国已宣布了自己的计划——在2030年前实现载人登月。
NASA一直与其它航天机构就阿尔忒弥斯项目开展合作。Rubins就曾随欧空局进行额外的实地地质培训，包括在德国一处撞击坑的训练。
“你当然希望，宇航员能在一个我们控制得了、他们也能学到东西的地球环境下，更大限度地熟悉日后可能在太空中碰到的事。”Samuel Payler说。Payler协助领导了欧洲宇航员中心的宇航员科学培训。
这一晚的模拟月面行走进入尾声之际，Denevi和团队得到了一个惊喜。“有件非常重要的事忘了说。”正当Denevi和Douglas完成当晚工作准备收工时，Rubins告诉任务控制中心：“我发现了一块特好的石头，没告诉你们！”
这块神秘的岩石激起了科学顾问室的兴趣。Rubins说岩石的大小和垒球差不多，但没有再给出别的信息。于是，科学家们得开始琢磨如何在计划中放进这块石头，比如，这块岩石将占掉多少能从“月球”带回物品的配重。
宇航员们的宇航服和道具推车，都是按照日后阿尔忒弥斯项目宇航员登月时将使用的设备仿制的。来源：NASA/Josh Valcarcel
第二天晚上，在JETT5的最终阶段，两位宇航员完成了模拟月面行走（持续近4小时）。期间，他们采集了约38千克的岩石和月壤样本，达成了他们的主要目标。宇航员在亚利桑那州收好了他们的月球道具，与此同时，得克萨斯州的科学顾问室一下子拥挤了很多：飞行操作团队也来了，他们要一起做一场任务情况报告。
飞行控制员介绍了他们对JETT5进展情况的看法。听闻全程进展良好，科学顾问室松了一口气。科学团队带头人之一、NASA戈达德太空飞行中心矿物学家Cherie Achilles向在场众人表示：“感谢你们让我们能够进展科学工作——我想，看到这一切的发生是如此地有力量。”
很快，科学家们又盘算起了第二天更详细的任务情况报告。之后，还得填好表格，把文档定稿，还有论文要写。
NASA近期未计划再实行JETT5这样的大型测试，而会针对一些特定的探月工具，进行规模更小的测试。要把阿尔忒弥斯项目的种种梦想变成现实，NASA要做的工作还有很多。
本文原文来自《自然》杂志