月球着陆激波诱导尘埃条纹形成机制：多相流不稳定性指纹的解码

本研究破解了月球着陆时火箭尾流与月壤相互作用产生稳定径向条纹的谜题。通过理论分析、实验模拟和数值计算，研究人员发现这些条纹源于超音速层流射流压缩剪切层产生的G?rtler不稳定性，其形成的涡旋结构卷扬颗粒形成条纹。该发现揭示了地外着陆中颗粒-流体相互作用的新机制，为未来月球/小行星着陆策略优化提供了理论基础。

　　

当阿波罗飞船的发动机喷流冲击月球表面时，一个令人费解的现象始终困扰着科学家：无论着陆点地形如何变化，发动机尾流总会产生高度规律的放射状尘埃条纹。这些如同指纹般的图案在后续嫦娥任务中再次出现，暗示着背后存在尚未揭示的物理机制。传统理论难以解释为何在不同土壤性质、发动机设计和着陆质量条件下，条纹数量却能保持相对稳定。这个谜题直接关系到未来月球基地建设的着陆安全——不受控的尘埃扩散不仅会降低能见度，还可能损坏精密设备。

美国宇航局马歇尔太空飞行中心的研究团队通过创新性的多尺度研究揭开了这个谜底。他们发现这些"尘埃指纹"实际上是超音速层流射流中G?rtler不稳定性产生的涡旋阵列在地表的"投影"。当火箭发动机喷流（Mach数M_e=5.3）在近真空环境中冲击月壤时，其压缩剪切层（compressed shear layer）的曲率会触发这种特殊的流动不稳定性，形成规则的逆向旋转涡对（counter-rotating vortex pairs）。这些纵向涡旋像微型龙卷风一样，将颗粒从沟槽中卷起并在相邻涡旋之间沉积，形成明暗相间的条纹图案。相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究团队采用了三大关键技术：1）在75m3真空舱内模拟月球环境（2.67Pa），使用高速摄影记录150μm硅砂颗粒的喷射动态；2）NO-PLIF（平面激光诱导荧光）技术可视化单相流场结构，精确测量压缩剪切层厚度δ和曲率半径R；3）高精度数值模拟求解三维可压缩Navier-Stokes方程，采用浸入边界法处理喷嘴几何。特别值得注意的是，实验覆盖了宽范围的喷流压力比η_e=P_e/P_∞（从3.4到500），为现象解释提供了系统数据。

【实验结果】部分揭示的关键发现包括：

1. 条纹数量n与喷流压力比η_e存在明确标度律：n~η_e^1/3，该关系通过线性不稳定性理论完美预测。当η_e≈500时，条纹数量趋于稳定（约30-70条），这与阿波罗15号（70条）和嫦娥4号（30条）的实测数据高度吻合。

1. 压缩剪切层厚度δ~η_e^1/6，曲率半径R~η_e^1/3，这些尺度关系通过PLIF技术直接验证（图4）。当η_e>500时，射流边界变得弥散，不再形成清晰条纹，这解释了为何着陆器在较高空时只产生无定形尘埃云。

1. 数值模拟显示涡对起源于喷嘴出口附近（Supplementary Fig.2），其波长λ=2πδ/β（β为最大增长率波数）决定了最终的地表条纹间距。这种"印记效应"使得即使着陆器姿态不同（阿波罗相机倾斜 vs 嫦娥垂直拍摄），仍能保持图案稳定性。

研究结论部分指出，月球极低的环境压力（~10^-9Pa）使通常湍流的超音速射流保持层流状态，这是G?rtler不稳定性得以发展的关键。该发现不仅解释了半个世纪来的观测谜题，更建立了地外着陆尘埃预测的物理模型：1）适用于所有无大气天体（如小行星）；2）指出火星不会出现类似条纹（因其大气使射流湍流化）；3）提出通过调节η_e可主动控制尘埃扩散范围。论文建立的δ~η_e^1/6标度律，为未来着陆器发动机设计提供了重要理论工具。