|
Первые многоразовые стартовые площадки на Луне
|
|
|
|
Инженерам нужны надежные данные для создания долговечных объектов. Даже проектировщики Великих пирамид знали, что известняк, который они использовали для строительства этих массивных сооружений, будет устойчивым, если его сложить друг на друга, даже если у них не было таблиц прочности этих камней на сжатие.
|
|
|
|
Но при попытке построить сооружения на других планетах, таких как Луна, инженеры еще мало что знают о местных материалах. Тем не менее, из-за затрат на доставку большого количества материалов с Земли им нужно будет научиться использовать эти материалы даже для таких важных применений, как посадочная площадка для поддержки посадки/ подъема массивных ракет, используемых в операциях по пополнению запасов.
|
|
|
|
В новой статье Ширли Дайк и ее команды из Университета Пердью, опубликованной в журнале Acta Astronautica, описывается, как построить лунную посадочную площадку, обладая лишь минимальными предварительными знаниями о свойствах материала реголита, используемого для ее строительства.
|
|
|
|
Но зачем вообще строить посадочную площадку? Не может ли "Звездолет" или аналогичная ракета большой грузоподъемности просто приземлиться там, где, по мнению алгоритма полета, достаточно ровный участок земли? Теоретически, да, однако шлейф от ретроградных ракет поднимет огромное количество камней и пыли, потенциально повреждая не только близлежащие сооружения (например, недавно построенную лунную базу), но и саму ракету.
|
|
|
|
|
|
|
Чтобы избежать этой участи, разработчики миссий в целом сходятся во мнении о необходимости создания более структурированной "посадочной площадки", подобной той, которую мы используем почти ежедневно на Земле. Несмотря на недавние сообщения о том, что ракета "Союз" разрушила посадочную площадку на космодроме Байконур, посадочные площадки на Земле хорошо изучены и отлично справляются со своей задачей, являясь основой для запуска ракет на протяжении десятилетий. Но можем ли мы воспроизвести их, используя лунные материалы?
|
|
|
|
Не так, как мы строили бы их здесь. Строительство посадочной площадки на Луне потребовало бы использования местного реголита, поскольку стоимость доставки достаточного количества бетона на лунную поверхность для строительства посадочной площадки из материалов земного происхождения была бы непомерно высокой.
|
|
|
|
Но, по словам доктора Дайка, мы все еще многого не понимаем в механических свойствах лунного реголита, особенно в том, какой прочностью обладают элементы, когда их спекают вместе, что в настоящее время является излюбленным процессом для создания цельной, твердой структуры из реголита на месте, которая могла бы служат посадочной площадкой.
|
|
|
|
Любой, кто знаком с испытаниями лунного реголита, вероятно, задается вопросом: почему бы им просто не использовать имитаторы для проведения предварительных испытаний? Этот материал максимально приближен к реальному на Луне, и его использовали для всего - от испытаний на обогащение до выращивания растений. Но, по словам доктора Дайка, "симулянты называются симулянтами не просто так". Хотя некоторые свойства материала могут быть одинаковыми, единственный способ по-настоящему узнать, как будет реагировать тот или иной материал, особенно в такой уникальной среде, как Луна, - это протестировать его на месте.
|
|
|
|
При проектировании посадочной площадки учитываются два основных фактора: ее механические свойства (т.е. напряжение/деформация под действием силы тяжести) и ее тепловые свойства (т.е. насколько сильно она расширяется/сжимается при различных температурах). Хотя многие свойства спеченных материалов из реголита неизвестны, авторы смогли оценить структурные свойства, основываясь на том небольшом количестве информации, которое имеется в литературе.
|
|
|
|
Одна из теорий заключалась в том, что спеченный реголит должен быть хрупким и слабее поддаваться растяжении (растаскиванию на части), чем сжатию (сближению). Также ожидается, что он будет обладать высокой теплоизоляцией, поэтому даже прямой выброс из реактивной ракеты космического корабля приведет к значительному нагреву только верхних 8 см плиты. Однако это приводит к растрескиванию при каждом старте корабля с площадки.
|
|
|
|
Но посадка/взлет - не единственный серьезный стресс, которому подвергнется площадка. На нее также повлияет 28-дневный лунный цикл смены дня и ночи, при котором температура будет сильно варьироваться. Расширению и сжатию, которым подвергалась бы подушка в течение этого цикла, препятствовало бы трение о рыхлый реголитовый грунт под ней — еще одно механическое свойство, которое мы не понимаем.
|
|
|
|
Авторы понимают, что, если изменения температуры не распределяются равномерно по всей толщине плиты, расширение горячего слоя может привести к скручиванию всей плиты, создавая деформирующее напряжение, которое может привести к растрескиванию.
|
|
|
|
Принимая во внимание эти особенности, команда предполагает, что для 50-тонного посадочного модуля толщина площадки должна составлять около трети метра (или 14 дюймов для наклонного модуля). Когда его спросили, почему бы просто не сделать прокладку толще, чтобы обеспечить достаточную погрешность, доктор Дайк отметил в интервью UT, что увеличение глубины увеличит вероятность разрушения прокладки при термических нагрузках, что на самом деле приведет к более быстрому выходу прокладки из строя, чем у уменьшенной версии.
|
|
|
|
Тем не менее, существует несколько возможных вариантов выхода из строя. Одним из них является отслаивание. В этом процессе сколы на прокладке откалываются из-за теплового расширения/сжатия. Несмотря на то, что пусковая площадка может быть спроектирована таким образом, чтобы сохранять свою общую структурную целостность, со временем, при повторных взрывах ракет, это может привести к нарушению структурной целостности площадки, в результате чего она не сможет поддерживать ракеты одинакового размера.
|
|
|
|
Но, пожалуй, самой большой проблемой является разрушение самой подушки. Это может быть вызвано термическими воздействиями, сколами, нарушающими ее целостность, или даже падением ракеты под неправильным углом. В процессе проектирования практически на каждом шагу возникают неопределенности, поэтому доктор Дайк и ее соавторы предлагают простой способ доказать работоспособность прокладки - провести тестирование на месте.
|
|
|
|
Скорее всего, первым шагом в исследовании Луны не будет строительство площадки для последовательных посадок/запусков ракет. Ранние миссии могли бы собрать больше данных о материале, который будет использован для создания площадки, и они особенно хорошо подходят для проведения испытаний на месте в условиях лунной гравитации и атмосферных условий, которые трудно воспроизвести здесь, на Земле.
|
|
|
|
Как только посадочная площадка будет окончательно установлена, ее оснащение приборами и сбор данных помогут со временем усовершенствовать конструкцию. Доктора Дайка больше всего интересует, как площадка деформируется под нагрузкой, а также во время экстремальных температурных циклов день/ночь. Обладая этими знаниями, она могла бы предсказать, как будут образовываться трещины, и, возможно, заранее разработать стратегию их устранения.
|
|
|
|
Устранение этих трещин и создание площадки в целом, скорее всего, будет делом роботов — либо телеуправляемых, либо полностью автономных. Попытка построить такую площадку с использованием человеческого труда, особенно когда этот человек облачен в громоздкий скафандр, который является единственным, что поддерживает его жизнь в космическом вакууме, неосуществима. Итак, по словам доктора Дайка, роботы станут абсолютно важной частью уравнения для строительства посадочной площадки и ее обслуживания после того, как она будет уже построена.
|
|
|
|
На данный момент до создания первой платформы, вероятно, еще много лет, поскольку НАСА и другие агентства все еще активно работают над возвращением астронавтов на Луну. Надеемся, что по мере продолжения этого процесса инженеры на Земле получат больше данных, которые позволят усовершенствовать их модели того, как может работать посадочная площадка на Луне.
|
|
|
|
Но даже если они этого не сделают, предложенный в статье итеративный процесс тестирования, обучения и проектирования может в конечном итоге привести к созданию конструктивно надежной и, следовательно, безопасной точки входа к нашему ближайшему межпланетному соседу.
|
|
|
|
Источник
|
