Если в течение нескольких следующих лет на Луне действительно появится база, возникнет вопрос о регулярных взлетах и посадках. А для них — специализированные здания и сооружения. И они уже разрабатываются инженерами.
Стартовые площадки на Луне как новая инженерная задача
Инженеры нуждаются в качественных данных, чтобы создавать долговечные сооружения. Даже строители Великих пирамид знали, что известняк, который они использовали для возведения этих гигантских сооружений, будет устойчивым при укладке друг на друга, даже не имея таблиц прочности этих камней на сжатие. Но при попытке построить сооружения на других мирах, таких как Луна, инженеры еще не знают много о местных материалах. Однако из-за высокой стоимости доставки больших объемов материалов с Земли им придется научиться использовать эти материалы даже для таких критически важных применений, как посадочная площадка для поддержки посадки/взлета огромных ракет, используемых в операциях по пополнению запасов.
В новой статье, опубликованной в Acta Astronautica, Ширли Дайк и ее команда из Университета Пердью описывают, как построить лунную посадочную площадку, имея лишь минимальные предварительные знания о свойствах реголита, используемого для ее строительства.
Но зачем вообще строить посадочную площадку? Разве Starship или другая ракета с подобной грузоподъемностью не может просто приземлиться там, где ее алгоритм полета признает достаточно ровный участок земли? Теоретически да, однако струя от ретроградных ракет поднимет огромное количество камней и пыли, что может повредить не только соседние сооружения (например, новосозданную лунную базу), но и саму ракету.
Чтобы избежать такой участи, разработчики миссий в целом согласны с необходимостью создания более структурированной «взлетно-посадочной полосы», подобной той, которую мы используем почти ежедневно на Земле. Возникает вопрос, можно ли воссоздать такие взлетно-посадочные полосы на Луне, используя местные лунные материалы?
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 высока.
Но, по словам доктора Дайка, мы все еще очень мало знаем о механических свойствах лунного реголита, особенно о прочности его частиц после спекания, что является самым популярным на сегодняшний день методом создания прочной, твердой структуры из реголита на месте, которая могла бы служить посадочной площадкой.
Лунный реголит как строительный материал для пусковых площадок
Каждый, кто знаком с испытаниями лунного реголита, наверное, задается вопросом: почему просто не использовать симулянты для проведения предварительных испытаний? Этот материал является самым близким к реальному лунному реголиту, и его используют для всего: от испытаний обогащения до выращивания растений. Но, по словам доктора Дайка, симулянты называются симулянтами не без причины. Хотя некоторые свойства материала могут быть одинаковыми, единственный способ действительно узнать, как материал будет реагировать, особенно в такой уникальной среде, как Луна — это испытать его на месте.
При проектировании посадочной площадки следует учитывать два основных фактора: ее механические свойства (т.е. напряжение / деформация под действием силы) и тепловые свойства (т.е. степень расширения / сжатия при разных температурах). Хотя многие свойства спеченных реголитовых материалов неизвестны, авторы смогли оценить структурные свойства на основе той малочисленной информации, которая есть в литературе.
Одна из теорий заключалась в том, что спеченный реголит будет хрупким и слабее при растяжении (разрывании), чем при сжатии. Ожидается, что он будет очень теплоизоляционным, поэтому даже прямой взрыв от ретроракеты корабля Starship лишь резко нагреет верхние 8 см плиты. Однако это приводит к трещинам каждый раз, когда корабль стартует с площадки.
Риски разрушения для лунной стартовой площадки
Но приземление / взлет — не единственная серьезная нагрузка, которой подвергается площадка. На него также влияет 28-дневный цикл лунных суток, во время которого температура сильно колеблется. Расширению и сжатию, которым подвергается площадка во время этого цикла, противодействует трение с рыхлым реголитом под ним — еще одно механическое свойство, которое мы не понимаем.
Авторы знают, что если температурные изменения не распределяются равномерно по всей толщине плиты, расширение горячего слоя может привести к искривлению всей плиты, создавая деформационное напряжение, которое может привести к разрушению.
Учитывая эти особенности, команда предлагает, чтобы для 50-тонного посадочного модуля толщина подложки составляла примерно одну треть метра (или 14 дюймов). На вопрос, почему бы просто не сделать ее более толстой, чтобы обеспечить достаточный запас прочности, доктор Дайк в интервью Universe Today отметила, что увеличение толщины увеличит вероятность разрушения под действием термических напряжений, что фактически приведет к более быстрому выходу из строя площадки, чем в меньшей версии.
Цельность платформы
Однако есть некоторые типы разрушений, которые, как ожидается, могут произойти. Одним из них является откалывание. В этом процессе отложения откалываются из-за теплового расширения / сжатия. Хотя площадка может быть спроектирована так, чтобы сохранить свою общую структурную целостность. Со временем, при повторяющихся взрывах ракет, это может ухудшить структурную целостность площадки, что приведет к ее неспособности выдерживать ракеты такого же размера.
Но, пожалуй, наибольшее беспокойство вызывает разрушение самой платформы. Это может быть вызвано термическими нагрузками, ухудшающим ее целостность откалыванием или даже ракетой, которая приземляется под неправильным углом. Неопределенности возникают в процессе проектирования почти на каждом шагу, поэтому доктор Дайк и ее соавторы предлагают простой план для проверки работоспособности платформы — испытания на месте.
Скорее всего, первым шагом в исследовании Луны не будет строительство площадки для постоянных посадок / запусков ракет. Ранние миссии могут собрать больше данных о материале, который будет использоваться для площадки, и особенно хорошо подходят для проведения испытаний на месте в условиях лунной гравитации и атмосферы, трудно воспроизвести здесь, на Земле.
Перспективы строительства стартовой площадки
После того как посадочная площадка будет окончательно установлена, ее оснащение приборами и сбор данных помогут со временем усовершенствовать ее конструкцию. Доктор Дайк больше всего интересуется тем, как площадка деформируется под нагрузкой, а также во время экстремальных циклов нагрева / охлаждения днем и ночью. Имея эти знания, она сможет предсказать, как будут образовываться трещины, и, возможно, заранее разработать стратегию их устранения.
Устранение этих трещин и строительство площадки в целом, вероятно, будет прерогативой роботов — дистанционно управляемых или полностью автономных. Попытка построить такую площадку с помощью человеческого труда, особенно когда человек одет в громоздкий скафандр, который является единственным средством, поддерживающим его жизнь в вакууме космоса, является невыполнимой. Следовательно, по словам доктора Дайка, роботы будут абсолютно критической частью уравнения для строительства посадочной площадки и ее обслуживания после строительства.
Пока что до первого строительства еще далеко, поскольку NASA и другие агентства все еще активно работают над возвращением астронавтов на Луну. По мере продолжения этого процесса, надеемся, инженеры на Земле получат больше данных для усовершенствования своих моделей относительно того, как посадочная площадка может работать на Луне.
Но даже если этого не произойдет, итеративный процесс тестирования, обучения и проектирования, предложенный в статье, может в конечном счете привести к созданию структурно надежной, а значит, безопасной точки входа к нашему ближайшему межпланетному соседу.
По материалам phys.org
