“Это первые шаги к открытию транспортных маршрутов Солнечной системы для человечества и роботов-добытчиков ресурсов.”
Если будущее сложится так, как предсказывают некоторые эксперты, Луна станет оживленным космопортом. Космические аппараты будут регулярно приземляться и стартовать с лунной поверхности, образуя звенья цепочки поставок, обслуживающей лунные поселения, научные станции и доставляющей оборудование для добычи полезных ископаемых. На начальном этапе это будет хаотичное движение ракет, поднимающих облака пыли и разбрасывающих обломки. Недавно группа экспертов собралась, чтобы обсудить, что мы знаем и чего не знаем о том, как управлять “аэропортом” на Луне.
23 июля 2024 года Консорциум по инновациям на поверхности Луны провел семинар по вопросам создания взлетно-посадочных объектов на Луне. Консорциум работает под эгидой Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса в Лореле, штат Мэриленд. Специалисты из государственных учреждений, университетов и частного сектора обменялись идеями по проектированию, анализу и строительству взлетно-посадочных объектов, а также определили технологические пробелы, которые необходимо устранить для создания устойчивого присутствия на Луне.
Содержание
Совместные усилия
Предстоит принять важные решения о том, как создать инфраструктуру, необходимую для того, чтобы естественный спутник Земли стал крупным транспортным узлом и мог поддерживать долгосрочное пребывание человека.
“Создание человеческого присутствия на поверхности Луны – это коллективная задача”, – сказал Йен Йен, инженер-строитель, специализирующийся на безопасной и надежной инфраструктуре для Луны. Он также является докторантом Горной школы Колорадо.
“Вероятно, прежде чем на Луне появится постоянное человеческое присутствие, потребуется запустить и доставить на лунную поверхность значительную массу грузов”, – сказал Йен в интервью Space.com. “Нам необходимо сотрудничество специалистов из всех отраслей промышленности, чтобы создать успешную и эффективную лунную инфраструктуру”.
Реактивные струи
Йен предвидит появление на Луне более крупных взлетно-посадочных аппаратов. Их прибытие и отбытие означает более мощные реактивные струи, взаимодействующие с лунным ландшафтом.
“Смягчение последствий воздействия реактивных струй в настоящее время является популярной областью исследований, поскольку газ из сопел ракеты может создавать кратеры на поверхности и генерировать высокоскоростные выбросы реголита, которые могут повредить конструкцию аппарата или любой объект в окрестностях зоны посадки”, – сказал он.
Чтобы уменьшить эти разрушительные последствия, в список тем для обсуждения входит строительство и использование взлетно-посадочных площадок (ВПП). Любой проектировщик поверхности ВПП должен знать, к какому классу относится лунный посадочный модуль.
Многоразовые, легко ремонтируемые
“ВПП, скорее всего, должны быть многоразовыми или легко ремонтируемыми”, – сказал Йен, – “чтобы обеспечить безопасную и эффективную доставку людей, грузов и материалов на поверхность Луны и обратно”.
По словам Йена, при создании ВПП можно использовать некоторые хорошо зарекомендовавшие себя методы проектирования и строительства из земной практики гражданского строительства. Инженеры-строители и проектировщики уже давно разрабатывают аналогичные системы, которые сейчас используются для посадочных площадок SpaceX Falcon и Blue Origin New Shepard.
Любая конструктивная система опирается на два компонента, позволяющих создавать проекты, сказал Йен, а именно: ожидаемые нагрузки и свойства материалов.
Йен сказал, что для лунного рельефа прилагаются значительные усилия по разработке конструкционных материалов. Эта работа еще продолжается.
Прочные конструкции
“Проблема заключается в закрытом характере критериев нагрузки от реактивной струи”, – отмечает Йен.
Однако в настоящее время эти критерии остаются конфиденциальными в рамках программы НАСА по коммерческим лунным полезным нагрузкам (CLPS) и производителями систем посадки человека, сказал он, и к ним можно получить доступ только на основании юридически обязывающих соглашений о неразглашении.
В связи с этим Йен участвует в работе Американского общества инженеров-строителей. Эта группа приступила к разработке руководящих принципов “Проектирования, анализа, строительства и эксплуатации лунной инфраструктуры”.
На повестке дня стоят такие вопросы, как: типы требуемого строительства и материалов, воздействие на окружающую среду, а также работа с лунным реголитом и породами для обеспечения прочности конструкций.
Обычно реактивные струи при вертикальном взлете и посадке оказывают физическое давление и тепловой поток на поверхность взлета и посадки, отмечает Йен. Различные сопла ракет, ориентация и размеры приведут к разному давлению и концентрации тепла.
“На мой взгляд, сейчас приоритетом является установление условий нагрузки. Нельзя спроектировать конструктивную систему, такую как лунная ВПП, не имея критериев нагрузки”, – сказал Йен. Аналогия – это попытка спроектировать путепровод, не зная, какой тип транспортного средства будет по нему ездить, сказал он.
Повод для размышлений
Учитывая шесть миссий “Аполлон” в период с 1969 по 1972 год, в ходе которых на Луну высадились и благополучно вернулись двенадцать астронавтов, почему же вокруг посадки на Луну и старта с нее столько шума?
На эти вопросы ответов больше, чем вопросов, отвечает Джон Коннолли, профессор Техасского университета A&M, факультет аэрокосмической техники. Его предыдущая карьера в НАСА, длившаяся 35 лет, включала работу над программой агентства по созданию системы посадки человека “Артемида”, где он также работал с подрядчиками по созданию коммерческих лунных посадочных модулей.
“Мы знаем, что существует верхний слой рыхлого лунного реголита, который будет сдут практически любой двигательной установкой посадочного модуля. Но механика того, что происходит ниже, – по мере того как слой реголита становится более плотным и связанным с глубиной, – все еще является предметом спекуляций и требует многочасового моделирования на компьютере”, – рассказывает Коннолли.
Изменяющаяся плотность
Верхний слой “пушистого” реголита на Луне – это всего лишь покрытие для “плотного” более плотного лунного грунта, который находится на глубине менее метра, сообщает Коннолли.
“Знание того, что геотехнические свойства лунной поверхности быстро меняются в пределах этого первого метра, усложняет наши усилия по моделированию поверхности, поскольку приходится учитывать изменение плотности, сцепления, пористости и прочности на сдвиг”, – сказал Коннолли. “Струя двигателя лунного посадочного модуля, сдув рыхлый верхний слой реголита, продолжит взаимодействовать с обнаженным реголитом несколькими способами”.
Смоделировать это аналитически непросто, добавил Коннолли. Необходимо правильно смоделировать поток газа из сопла двигателя, а затем смоделировать, как газ будет взаимодействовать с лунным реголитом.
“Таким образом, вам почти нужно моделировать каждую частицу реголита в отдельности, как она смещается из почвенной матрицы, ускоряется в струе, ударяется о другие частицы и в конечном итоге оказывается на баллистической траектории”, – сказал Коннолли. И для этого потребуется огромное количество времени работы вычислительной гидродинамики на суперкомпьютере, сказал он.
Распылительное решение?
Нужно ли нам подготавливать взлетно-посадочную площадку, чтобы посадочные модули не продолжали разбрасывать лунный реголит с высокой скоростью, повреждая ценное оборудование на поверхности?
“Я считаю, что ответ – да, но, возможно, не сразу”, – советует Коннолли. Первоначально можно использовать сам рельеф Луны в качестве “защитного вала” для защиты поверхностного оборудования, сказал он. Просто выберите место посадки, где есть холм или гряда между ним и другими объектами.
Но если вы хотите продолжать садиться в том же месте, вам может понадобиться обработать его, чтобы устранить воздействие реактивных струй посадочных модулей, сказал Коннолли.
В этом случае можно было бы применить “носовой секрет носорога” – да, вы не ослышались. Так военные прозвали коммерческий полимерный состав, который распыляется на поверхности, подверженные пыли, и увеличивает прочность грунта, связывая частицы грунта.
“Военные распыляют жидкие полимеры для быстрой стабилизации грунтовых дорог и вертолетных площадок, и лунный аналог этой технологии можно было бы использовать для посадочных площадок”, – сказал Коннолли.
Если же потребуется долгосрочное решение, продолжил Коннолли, как в случае с постоянной лунной базой, куда регулярно прибывают и отправляются посадочные модули, то правильным ответом может стать обработка поверхности, например, глубокое спекание реголита.
Успех миссии
“Безопасные и надежные посадки, а в конечном итоге и запуски, на Луне необходимы для успешного выполнения миссии”, – сказал Роб Мюллер, старший технолог лаборатории механики сыпучих тел и операций с реголитом в рамках проекта NASA Swamp Works в Космическом центре имени Кеннеди во Флориде.
Мюллер сообщил, что данные, полученные с посадочных модулей CLPS NASA, позволят по-новому взглянуть на то, как ракетные двигатели влияют на материалы лунной поверхности.
Обладая этими знаниями, становится ясно, что возможно в долгосрочной перспективе, сказал Мюллер.
“В будущем мы увидим космодромы, создаваемые на поверхности Луны и других небесных телах Солнечной системы. Они будут использовать топливо, полученное на месте, например, водород и кислород из воды”, – сказал Мюллер. “Это первые шаги к открытию транспортных маршрутов Солнечной системы для человечества и роботов-добытчиков”.
Читайте также: Захваченная и уничтоженная луна развернула вращение Венеры, изменив ее навсегда
