Якщо протягом кількох наступних років на Місяці дійсно з’явиться база, виникне питання у регулярних злетах та посадках. А для них — спеціалізовані будівлі та споруди. І вони вже розробляються інженерами.
Стартові майданчики на Місяці як нова інженерна задача
Інженери потребують якісних даних, щоб створювати довговічні споруди. Навіть будівельники Великих пірамід знали, що вапняк, який вони використовували для зведення цих гігантських споруд, буде стійким при укладанні один на одний, навіть не маючи таблиць міцності цих каменів на стиск. Але при спробі побудувати споруди на інших світах, таких як Місяць, інженери ще не знають багато про місцеві матеріали. Проте, через високу вартість доставки великих обсягів матеріалів із Землі, їм доведеться навчитися використовувати ці матеріали навіть для таких критично важливих застосувань, як посадковий майданчик для підтримки посадки / зльоту величезних ракет, що використовуються в операціях з поповнення запасів.
У новій статті, опублікованій в Acta Astronautica, Шірлі Дайк та її команда з Університету Пердью описують, як побудувати місячну посадкову площадку, маючи лише мінімальні попередні знання про властивості реголіту, що використовується для її будівництва.
Але навіщо взагалі будувати посадкову площадку? Хіба Starship або інша ракета з подібною вантажопідйомністю не може просто приземлитися там, де її алгоритм польоту визнає достатньо рівну ділянку землі? Теоретично так, однак струмінь від ретроградних ракет підніме величезну кількість каменів і пилу, що може пошкодити не лише сусідні споруди (наприклад, новостворену місячну базу), а й саму ракету.
Щоб уникнути такої долі, розробники місій загалом погоджуються з необхідністю створення більш структурованої «злітно-посадкової смуги», подібної до тієї, яку ми використовуємо майже щодня на Землі. Постає питання, чи можна відтворити такі злітно-посадкові смуги на Місяці, використовуючи місцеві місячні матеріали?
Не так, как мы строим их здесь. Для строительства посадочной площадки на Луне нужно использовать местный реголит, поскольку стоимость доставки на лунную поверхность достаточного количества бетона для строительства посадочной площадки с использованием материалов земного происхождения была бы слишком высокой.
Але, за словами доктора Дайка, ми все ще дуже мало знаємо про механічні властивості місячного реголіту, особливо про міцність його частинок після спікання, що є найпопулярнішим на сьогодні методом створення міцної, твердої структури з реголіту на місці, яка могла б служити посадковою площадкою.
Місячний реголіт як будівельний матеріал для пускових майданчиків
Кожен, хто знайомий із випробуваннями місячного реголіту, напевно, ставить запитання: чому б просто не використовувати симулянти для проведення попередніх випробувань? Цей матеріал є найближчим до реального місячного реголіту, і його використовують для всього: від випробувань збагачення до вирощування рослин. Але, за словами доктора Дайк, симулянти називаються симулянтами не без причини. Хоча деякі властивості матеріалу можуть бути однаковими, єдиний спосіб дійсно дізнатися, як матеріал буде реагувати, особливо в такому унікальному середовищі, як Місяць, — це випробувати його на місці.
При проєктуванні посадкової площадки слід враховувати два основні фактори: її механічні властивості (тобто напруження / деформація під дією сили) та теплові властивості (тобто ступінь розширення / стискання при різних температурах). Хоча багато властивостей спечених реголітових матеріалів невідомі, автори змогли оцінити структурні властивості на основі тієї нечисленної інформації, яка є в літературі.
Одна з теорій полягала в тому, що спечений реголіт буде крихким і слабкішим при розтягуванні (розриванні), ніж при стисканні. Очікується, що він також буде дуже теплоізоляційним, тому навіть прямий вибух від ретроракети корабля Starship лише різко нагріє верхні 8 см плити. Однак це призводить до тріщин кожного разу, коли корабель стартує з майданчика.
Ризики руйнування для місячного стартового майданчика
Але приземлення / зліт — не єдине серйозне навантаження, якому піддається майданчик. На нього також впливає 28-денний цикл місячної доби, під час якого температура сильно коливається. Розширенню та стисканню, яким піддається майданчик під час цього циклу, протидіє тертя з пухким реголітом під ним — ще одна механічна властивість, яку ми не розуміємо.
Автори знають, що якщо температурні зміни не розподіляються рівномірно по всій товщині плити, розширення гарячого шару може призвести до викривлення всієї плити, створюючи деформаційне напруження, яке може призвести до руйнування.
Враховуючи ці особливості, команда пропонує, щоб для 50-тонного посадкового модуля товщина підкладки становила приблизно одну третину метра (або 14 дюймів). На запитання, чому б просто не зробити її товстішою, щоб забезпечити достатній запас міцності, доктор Дайк в інтерв’ю Universe Today зазначила, що збільшення товщини збільшить ймовірність руйнування під дією термічних напружень, що фактично призведе до більш швидкого виходу з ладу майданчика, ніж у випадку з меншою версією.
Цілісність платформи
Однак є деякі типи руйнувань, які, як очікується, можуть статися. Одним із них є відколювання. У цьому процесі відкладення відколюються через теплове розширення / стискання. Хоча майданчик може бути спроєктований так, щоб зберегти свою загальну структурну цілісність. З часом, за повторюваних вибухів ракет, це може погіршити структурну цілісність майданчика, що призведе до його нездатності витримувати ракети такого ж розміру.
Але, мабуть, найбільше занепокоєння викликає руйнування самої платформи. Це може бути спричинено термічними навантаженнями, відколюванням, що погіршує її цілісність, або навіть ракетою, яка приземляється під неправильним кутом. Невизначеності виникають у процесі проєктування майже на кожному кроці, тому доктор Дайк та її співавтори пропонують простий план для перевірки працездатності платформи — випробування на місці.
Найімовірніше, першим кроком у дослідженні Місяця не буде будівництво майданчика для постійних посадок / запусків ракет. Ранні місії можуть зібрати більше даних про матеріал, який буде використовуватися для майданчика, і особливо добре підходять для проведення випробувань на місці в умовах місячної гравітації та атмосфери, які важко відтворити тут, на Землі.
Перспективи будівництва стартового майданчика
Після того як посадковий майданчик буде остаточно встановлений, його оснащення приладами та збір даних допоможуть із часом вдосконалити його конструкцію. Доктор Дайк найбільше цікавиться тим, як майданчик деформується під навантаженням, а також під час екстремальних циклів нагрівання / охолодження вдень і вночі. Маючи ці знання, вона зможе передбачити, як утворюватимуться тріщини, й, можливо, заздалегідь розробити стратегію їхнього усунення.
Усунення цих тріщин і будівництво майданчика в цілому, ймовірно, буде прерогативою роботів — дистанційно керованих або повністю автономних. Спроба побудувати такий майданчик за допомогою людської праці, особливо коли людина одягнена в громіздкий скафандр, який є єдиним засобом, що підтримує її життя у вакуумі космосу, є нездійсненною. Отже, за словами доктора Дайк, роботи будуть абсолютно критичною частиною рівняння для будівництва посадкового майданчика і його обслуговування після будівництва.
Поки що до першого будівництва ще далеко, оскільки NASA та інші агенції все ще активно працюють над поверненням астронавтів на Місяць. У міру продовження цього процесу, сподіваємося, інженери на Землі отримають більше даних для вдосконалення своїх моделей щодо того, як посадковий майданчик може працювати на Місяці.
Але навіть якщо цього не відбудеться, ітеративний процес тестування, навчання та проєктування, запропонований у статті, може врешті привести до створення структурно надійної, а отже, безпечної точки входу до нашого найближчого міжпланетного сусіда.
За матеріалами phys.org
