13.05.2022. - Как лучше всего построить посадочные площадки на Луне

Как лучше всего построить посадочные площадки на Луне

В ближайшем будущем НАСА, Европейское космическое агентство (ЕКА), Китай и Роскосмос планируют полеты на Луну с экипажем. Это будет первая прогулка астронавтов по поверхности Луны со времен Аполлона. Но, в отличие от «гонки на Луну», цель этих программ не в том, чтобы добраться туда первым и провести лишь несколько экспериментов. Это означает создание мест обитания на поверхности и на орбите, которые могут использоваться сменяемыми экипажами. В то время как НАСА и другие космические агентства намерены максимально использовать местные ресурсы — процесс, известный как использование ресурсов на месте (ISRU), — создание лунных баз по-прежнему потребует доставки с Земли большого количества материалов и оборудования. В недавнем исследовании Филип Метцгер и Грег Отри рассмотрели стоимость и энергопотребление строительства посадочных площадок на лунной поверхности. Рассмотрев различные методы строительства, они определили, что сочетание аддитивного производства и заливки полимера является наиболее эффективным и экономичным средством.

Филип Мецгер — научный сотрудник Флоридского космического института (FSI) Университета Центральной Флориды (UCF), бывший старший физик-исследователь Космического центра Кеннеди НАСА (KSC) и соучредитель KSC Swamp Works. Грег Отри — клинический профессор космического лидерства, политики и бизнеса в Школе глобального управления Thunderbird Университета штата Аризона (ASU) и председатель Рабочей группы по безопасности Консультативного комитета по космическим перевозкам (COMSTAC) Федерального управления гражданской авиации (США). ФАС). В своем исследовании Мецгер и Отри изучили различные методы строительства посадочных площадок на лунной поверхности. Каждый метод оценивался на основе трех основных факторов: необходимости доставки большого количества массы с Земли, уровня потребления энергии на лунной поверхности и времени, необходимого для завершения строительства. Каждый из этих факторов вносит свой вклад (прямо или косвенно) в общую стоимость лунной деятельности.

Среди своих выводов Мецгер и Отри определили, что две переменные являются наиболее важными при оценке методов строительства в космосе: транспортные расходы и задержки, связанные с процессом строительства. Как Мецгер объяснил Universe Today по электронной почте: «Я был удивлен, что сложность и надежность процесса строительства не играли большей роли. Сложная система потребует примерно на 50% больше первоначальных инвестиций, чтобы сделать ее такой же надежной, как более простые методы, и звучит увеличение стоимости на 50%». как много, но по сравнению со стоимостью лунной транспортировки и потерей ценности, если вы откладываете выполнение работ на Луне, оказывается, что увеличение стоимости разработки на 50% совершенно не имеет значения.

«Поэтому, если вы изобретаете более сложный метод работы, и этот метод быстрее и имеет меньшую массу, чем предыдущие методы, тогда он того стоит. Это идет вразрез с нашей естественной склонностью космических технологов. Мы думаем, что проще делать вещи, и мы думаем, что когда мы работаем далеко на Луне, еще более важно сохранять простоту. Но когда мы смотрим на это с экономической точки зрения, это чувство оказывается неверным. операции, более высокие технологии стоят больших первоначальных инвестиций». Кроме того, они обнаружили, что толщина площадок, тепловая среда (которая различается между внутренней и внешней площадкой) и частота запуска лунной программы также были важными факторами в установлении практических ограничений на время строительства. Короче говоря, экономическая эффективность каждого метода сводится к стоимости за килограмм запуска полезной нагрузки и скорости строительства. Они рассмотрели несколько вариантов, основанных на потребностях в энергии и на том, как они будут меняться в зависимости от тепловой среды.

В частности, были рассмотрены последние инновации в аддитивном производстве (3D-печать) и ISRU, которые уже много лет являются предметом исследований НАСА и ЕКА. При адаптации к лунной поверхности методы включают нагрев реголита микроволнами для создания расплавленной керамики (также известной как «спекание»), которая затем распечатывается и затвердевает при контакте с безвоздушной лунной средой, или добавление к реголиту связующего вещества (например, цемента). или полимер) для изготовления лунаркрета. «Некоторые методы требуют огромного количества энергии, что требует тяжелых энергетических систем на Луне. Другие методы требуют много тонн связующего, доставленного с Земли с большими затратами. Тем не менее, другие — очень, очень медленные процессы. сравнивать друг с другом, когда мы смотрим на это с экономической точки зрения.

«Мы перевели все в реальную стоимость: стоимость транспортировки массы с Земли, стоимость энергии, доставленной на Луну, потерю экономической ценности, если мы будем долго строить. методы обеспечивают наилучшую ценность для лунных операций». Они обнаружили, что микроволновое спекание обеспечивает наилучшее сочетание низкой массы и высокой скорости по сравнению с другими методами. Особенно это касалось строительства внутренней, высокотемпературной зоны лунной посадочной площадки (там, где происходят взлеты и посадки ракет). Этот метод также является наиболее выгодным для строительства внешней низкотемпературной зоны, если и когда транспортные расходы высоки.

Однако в случае, если транспортные расходы на поверхность Луны удастся удержать на уровне 110 долларов за кг (около 50 долларов за фунт), наиболее рентабельным методом будет переход на инфузию полимеров. Они также подготовили оценки общей стоимости строительства базового лагеря Артемиды (229 миллионов долларов) — наземной среды обитания, которую НАСА намеревается построить вокруг бассейна Южный полюс — Эйткен. Они были основаны на оговорке о том, что транспортные расходы снизятся с их нынешнего уровня в 1 миллион долларов за кг (454 545 долларов за фунт) до 300 000 долларов за кг (~ 136 360 долларов за фунт).

Метцгер сказал: «Мы обнаружили, что стоимость строительства посадочной площадки в рамках программы НАСА «Артемида» вполне доступна — примерно такая же стоимость, как у космического корабля класса «Дискавери» (300 миллионов долларов). Это крошечная стоимость по сравнению со многими другими элементами космического корабля. Программа пилотируемых космических полетов. За эти деньги программа создаст первый постоянный объект, построенный в другом мире, а также доставит строительных роботов на Луну, чтобы они могли начать выполнять другие задачи, такие как строительство жилья для людей».

Эти оценки снижаются до 130 миллионов долларов, если транспортные расходы могут быть дополнительно снижены до 100 000 долларов за кг (45 455 долларов за фунт) или до 47 миллионов долларов, если они упадут ниже 10 000 долларов за кг (4545 долларов за фунт). В конечном счете, Мецгер и Отри продемонстрировали, что лунную базу можно построить по доступной цене, а цена будет зависеть от того, в какой степени затраты на запуск продолжат снижаться в ближайшие годы. Эти выводы имеют особое значение, учитывая количество космических агентств, стремящихся построить аванпосты в бассейне Южный полюс и Эйткен в этом и следующем десятилетии.

В дополнение к базовому лагерю Артемиды ЕКА планирует создать постоянную базу, известную как Международная лунная деревня. Как духовный преемник Международной космической станции (МКС), эта база будет принимать сменяющиеся экипажи астронавтов, длительные пребывания и научные операции на Луне. Не так давно представители китайской и российской космических программ собрались вместе, чтобы объявить об общем видении лунной базы — Международной станции исследования Луны (ILRS).

В преддверии грядущей эры исследования Луны НАСА и другие космические агентства продолжают исследовать технологии, которые позволят осуществлять рентабельное строительство на Луне. Это включает в себя производственный процесс ISRU, известный как система адаптивной модификации Regolith (RAM), впервые разработанный исследователями из Техасского университета A&M. Этот процесс направлен на создание инфраструктуры на ранней стадии, которая облегчит транспортировку оборудования для агломерации или полимеризации.

Компания Masten Space Systems при поддержке Института передовых концепций (NIAC), Honeybee Robotics, Texas A&M и Университета Центральной Флориды (UCF) разрабатывает концепцию лунного спускаемого аппарата. Эта концепция включает в себя процесс, известный как метод распыления глинозема в полете (FAST), при котором посадочный модуль впрыскивает частицы алюминия в сопла своих посадочных двигателей, чтобы создать собственную посадочную площадку, что также смягчает проблему выброса лунной пыли.

В этом и следующем десятилетии человечество вернется на Луну, на этот раз, чтобы остаться. Не только несколько космических агентств отправят астронавтов, но и коммерческие партнеры будут привлечены для предоставления услуг по транспортировке полезной нагрузки и экипажа. Лунные туристы и даже поселенцы могут в конечном итоге последовать за ними, что приведет к постоянному присутствию людей и первому поколению «лунитов» (или «психов»). Эти многонациональные усилия способствуют инновациям во многих секторах и приводят к приложениям для жизни здесь, на Земле. В конце концов, если мы собираемся гарантировать, что люди смогут преодолеть экологическую проблему, с которой мы сталкиваемся на Земле, и жить в космосе, мы должны быть изобретательными.

Источник