До конца этого десятилетия НАСА планирует вернуть астронавтов на Луну впервые со времен эры Аполлона. Но на этот раз, благодаря программе «Артемида», это не будет «следы и флаги». Совместно с другими космическими агентствами и коммерческими партнерами долгосрочная цель состоит в том, чтобы создать инфраструктуру, которая позволит осуществлять «устойчивую программу исследования и освоения Луны». Если все пойдет по плану, несколько космических агентств создадут базы вокруг Южного полюса и бассейна Эйткен, что откроет путь для лунной промышленности и туризма.
Чтобы люди могли жить, работать и осуществлять различную деятельность на Луне, необходимы стратегии борьбы со всеми опасностями, не последней из которых является лунный реголит (или «лунная пыль»). Как узнали астронавты Аполлона, лунная пыль зубчатая, прилипает ко всему и может вызвать значительный износ костюмов, оборудования, транспортных средств и здоровья астронавтов. В новом исследовании команды техасских инженеров A&M реголит также представляет опасность столкновения, когда его подбрасывает шлейф ракеты. Учитывая множество космических кораблей и посадочных модулей, которые в ближайшем будущем будут доставлять экипажи и грузы на Луну, эта опасность заслуживает пристального внимания!
Исследование провели Шах Акиб Сарвар и Зохайб Хаснайн, доктор философии. Студент и доцент (соответственно) факультета машиностроения Дж. Майка Уокера '66 Техасского университета A&M. В своем исследовании Сарвар и Хаснайн исследовали столкновения между частицами лунного реголита, используя метод «мягкой сферы», в котором уравнения движения Ньютона и модель контактной силы интегрированы для изучения того, как частицы будут сталкиваться и перекрываться. Это отличает его от метода «твердых сфер», который моделирует частицы в контексте жидкостей и твердых тел.
В то время как лунный реголит варьируется от крошечных частиц до крупных камней, основным компонентом «Лунной пыли» являются мелкие силикатные минералы со средним размером 70 микрон. Они были созданы в течение миллиардов лет, когда на безвоздушную поверхность Луны ударили метеоры и астероиды, которые превратили большую часть лунной коры в мелкий порошок. Отсутствие атмосферы также означало отсутствие ветровой и водной эрозии (обычной здесь, на Земле). Наконец, постоянное воздействие солнечного ветра привело к тому, что лунный реголит стал электростатически заряженным, что означает, что он прилипает ко всему, к чему прикасается.
Когда астронавты Аполлона отправились на Луну, они сообщили о проблемах с реголитом, который прилипал к их скафандрам и попадал обратно в лунные модули. Оказавшись в их транспортных средствах, он прилипал ко всему и представлял опасность для здоровья, вызывая раздражение глаз и затруднение дыхания. Но с появлением на горизонте миссии «Артемида» и планируемой инфраструктурой, которую она повлечет за собой, возникает вопрос о том, как космический корабль (во время взлета и посадки) заставит реголит подбрасываться в большие количества и ускоряться до высоких скоростей.
Как Сарвар рассказал Universe Today по электронной почте, это один из ключевых факторов, почему лунный реголит станет серьезной проблемой для регулярной человеческой деятельности на Луне:
«Во время мягкой посадки на Луну с ретро-движением выхлопные шлейфы сверхзвуковых/гиперзвуковых ракет могут выбросить большое количество (108 – 1015 частиц/м3, наблюдаемых в миссиях «Аполлон») рыхлого реголита из верхнего слоя почвы. Из-за сил, создаваемых шлейфом – сопротивления, подъемной силы и т. д. – выброс может двигаться с очень высокой скоростью (до 2 км/с). Брызги могут нанести вред космическому кораблю и находящемуся поблизости оборудованию. Он также может блокировать обзор зоны приземления, нарушать работу датчиков, засорять механические элементы и ухудшать качество оптических поверхностей или солнечных панелей из-за загрязнения».
Данные, полученные в ходе миссий «Аполлон», послужили пробным камнем для Сарвара и Хаснайна, в том числе о том, как выбросы выхлопных газов из Аполлон-12 Лунный модуль (ЛМ) повредил Геодезист 3 космический корабль, расположенный на расстоянии 160 метров (525 футов). Этот беспилотный аппарат был отправлен для исследования региона Mare Cognitum в 1967 году и исследования лунного грунта перед миссиями с экипажем. Surveyor 3 также использовался в качестве целевой площадки для посадки Аполлон-12 В ноябре 1969 года его посетили астронавты Пит Конрад и Алан Бин.
Ущерб был уменьшен за счет того, что Surveyor 3 находился в кратере ниже места посадки Аполлона-12 LM. Другим примером является Аполлон-15 Миссия, приземлившаяся в районе Хэдли-Апеннин в 1971 году. Во время спуска LM астронавты Дэвид Р. Скотт и Джеймс Б. Ирвин не могли видеть место приземления, потому что их шлейф выхлопных газов создал над ним густое облако реголита. Это вынудило экипаж выбрать новую площадку для посадки на краю Белы, вытянутого кратера к востоку от региона. LM не смог достичь равновесия в этом месте и наклонился назад на 11 градусов, прежде чем стабилизироваться.
Исследования, проведенные после этих миссий, привели к выводу, что рассеяние, вероятно, было вызвано столкновениями между частицами реголита. Как указал Сарвар, эти примеры иллюстрируют, насколько нарушенный реголит может стать опасностью, особенно там, где поблизости расположены другие космические корабли и объекты:
«Два приведенных выше примера из эпохи Аполлона не были достаточно серьезными, чтобы поставить под угрозу успех миссии. Но будущие миссии «Артемиды» (и CLPS) будут проходить на южном полюсе Луны, где почва, как предполагается, будет значительно более пористой/слабой, чем в экваториальном и среднеширотном регионах приземления Аполлона. Кроме того, ожидается, что посадочные модули «Артемида» будут доставлять гораздо большую полезную нагрузку, чем «Аполлон», и поэтому для замедления потребуется большая тяга. В результате могут возникнуть глубокие кратеры (не наблюдавшиеся на Аполлоне) из-за шлейфов выхлопных газов ракеты, которые взорвут реголит под гораздо большими углами, чем те, которые наблюдались ранее (~ 1-3 градуса над землей)».
В соответствии с долгосрочными целями программы «Артемида» НАСА планирует построить инфраструктуру вокруг южного полярного региона, чтобы обеспечить «устойчивую программу исследования и освоения Луны». Сюда входит базовый лагерь Артемиды, состоящий из фундамента наземной среды обитания, обитаемой мобильной платформы, лунного вездехода (LTV) и Лунных ворот на орбите. «Таким образом, защита людей, сооружений или близлежащих космических кораблей от опасностей частиц лунного реголита имеет первостепенное значение», — сказал Сарвар.
Аналогичные исследования показали, что облака реголита, образовавшиеся при приземлении и взлете, также могут представлять угрозу для безопасной работы Лунных ворот и лунных орбитальных аппаратов. Эти угрозы привели к проведению масштабных исследований о том, как можно уменьшить количество лунной пыли во время будущих миссий. Как уже отмечалось, Сарвар и Хаснайн использовали метод мягких сфер для оценки рисков, связанных со столкновениями частиц:
«В этом методе соседним частицам разрешено перекрывать друг друга на небольшую величину, что рассматривается как косвенная мера деформации, ожидаемой при реальном столкновении частица-частица. Это значение перекрытия, наряду с соответствующими свойствами материала лунного реголита, затем используется в представлении слайдера «пружина-приборка-трение» для расчета сил в каждом событии столкновения. Неупругость, возникающая при столкновении, варьируется от совершенно неупругой до очень упругой.
«Наши результаты показывают, что высокоэластичные столкновения между относительно крупными зернами реголита (~ 100 микрон) приводят к тому, что значительная их часть выбрасывается под большими углами (некоторые могут вылетать под углом ~ 90 градусов). Остальные зерна, однако, содержатся в области под небольшим углом (
Что касается мер безопасности, Сарвар и Хаснайн предполагают, что бермы или ограждения вокруг зоны приземления являются способом уменьшить выбросы брызг. Однако, как показывают их исследования, определенный процент частиц реголита может разлететься под большими углами из-за столкновений, что делает берны или ограждения недостаточными. «Лучшим решением для будущих миссий Артемиды было бы строительство посадочной площадки», — сказал Сарвар. «В связи с этим группа из нескольких организаций, включающая сотрудников как из академических кругов (включая доктора Хаснайна), так и из промышленности, работает над разработкой технологии распыления глинозема в полете или посадочных площадок FAST».
Метод FAST предполагает использование лунных аппаратов, оснащенных частицами глинозема, которые выбрасываются во время посадочных маневров. Затем они сжижаются шлейфами двигателей, образуя на поверхности Луны расплавленный алюминий, который охлаждается и затвердевает, образуя стабильную посадочную поверхность. НАСА также исследовало, как можно построить посадочные площадки с использованием технологии спекания, при которой реголит подвергается микроволновой обработке для создания расплавленной керамики, которая затвердевает при контакте с космосом. Другая идея состоит в том, чтобы построить посадочные площадки со взрывными стенами для сдерживания выброшенного реголита, который техасская строительная компания ICON включила в свою концепцию среды обитания «Лунный фонарь».
Увы, экспериментальные исследования лунного реголита очень сложны, поскольку лунные условия сильно отличаются от земных. Это включает в себя более низкую гравитацию (примерно 16,5% земной), вакуумную среду и экстремальные колебания температуры. Вот почему исследователи вынуждены в значительной степени полагаться на численное моделирование, которое обычно фокусируется на силах шлейфа и в значительной степени игнорирует роль столкновений частиц. Но, как отметил Санвар, их исследование дает ценную информацию и показывает, почему важно учитывать это часто упускаемое из виду явление при планировании будущих лунных миссий:
«[However,] наши исследования столкновений частиц показали, что это очень важное явление, которое следует учитывать для точного предсказания траектории реголита, и, следовательно, его необходимо учитывать. В этой области все еще остается много проблем, таких как отсутствие знаний о коэффициенте восстановления частиц реголита (который определяет потерю энергии при столкновении), эффектах распределения реголита по размерам, последствиях турбулентных шлейфов и т. д. Мы надеемся прояснить некоторые этих неопределенностей в будущем и внесет свой вклад в создание более полной лунной модели PSI для более безопасной посадки на Луну Артемиды».
Дополнительная литература: Acta Astronautica
