Учёные и инженеры, работающие над будущими лунными миссиями, всё активнее обсуждают создание специализированных площадок на поверхности Луны, которые могут служить не только для посадки тяжёлых ракет и космических кораблей, но и для многоразовых запусков и возвратов аппаратов. Эта инфраструктура рассматривается как ключевой элемент для будущего освоения Луны, включая регулярные пилотируемые и грузовые миссии. Новая статья, опубликованная в научном журнале Acta Astronautica, подробно анализирует технологии и инженерные подходы к созданию лунных посадочных/запусковых платформ из местных материалов реголита — пылеобразного грунта, покрывающего поверхность спутника.
Почему нужны посадочные и стартовые площадки на Луне
При современных планах возвращения человека на Луну и создания постоянной инфраструктуры на её поверхности крайне важно иметь специальные подготовленные площадки, способные выдерживать мощные потоки газа и пыли, возникающие при посадке и взлёте крупных ракетных систем. Теоретически можно было бы посадить корабль непосредственно на лунный грунт, если алгоритм полёта сочтёт участок достаточно ровным. Однако на практике реактивные струи двигателя создают сильные потоки пыли и мелких камней, которые могут повредить оборудование базовых структур, соседние объекты или саму лётную аппаратуру.
На Земле подобные задачи решаются с помощью укреплённых бетонных или металлических платформ, но доставка этих материалов на Луну из Земли обходится чрезвычайно дорого и практически нецелесообразно. Поэтому в научной и инженерной среде считается необходимым разработать методы создания лунных инфраструктур из реголита на месте — с использованием принципов In-Situ Resource Utilization (ISRU).
Из чего будут строить лунные площадки
Реголит — это слой рыхлого грунта, покрывающего поверхность Луны и состоящий из пыли, мелких частиц и обломков горных пород, образовавшихся под действием метеоритных ударов и космических процессов. Такой материал существует на месте и может служить основным ресурсом для строительства. Но, как подчёркивают авторы исследования, до сих пор необходимые механические характеристики реголита недостаточно хорошо изучены. Это означает, что проектирование даже простой платформы требует дополнительных данных о том, как материал будет вести себя под нагрузками и в экстремальных температурных условиях.
В рамках статьи рассматривается технология спекания реголита (sintering) — процесс, при котором частицы грунта соединяются в более плотную и прочную структуру под действием нагрева без полного плавления. Такой подход потенциально позволяет получить твёрдую основу из местного материала, способную выдерживать механические нагрузки, связанные с посадкой и взлетом ракеты.
Основные свойства будущих лунных платформ
Инженеры выделяют два главных аспекта, которые необходимо учитывать при проектировании площадок из реголита:
- Механические свойства — способность выдерживать сжатие и растяжение под нагрузками, возникающими при посадке/взлёте, включая сдвиги, вибрации и давление реактивных струй.
- Термические свойства — реакция слоя материала на экстремальные перепады температуры в течение лунного дня и ночи, которые могут достигать сотен градусов Цельсия.
Авторы исследования проводят оценку прочности спечённого реголита, исходя из доступной литературы по лунным материалам, и делают предварительные выводы: спекание создаёт материал, который по прочности лучше выдерживает сжатие, чем растяжение, что важно учитывать при расчёте толщины и конфигурации платформы.
Толщина и структура первых платформ
Исследование приводит пример, что для размещения лендера массой примерно 50 000 кг площадка должна иметь толщину порядка 0,3 м (около 30 см). Такая толщина — компромисс между минимальной прочностью и риском термического растрескивания при значительных перепадах температуры между лунным днём и ночью. При этом увеличение толщины приводит к увеличению внутренних термострессов, что может ускорять появление трещин и разрушений.
Также отмечается, что с увеличением количества запусков и посадок механическое истирание и термическое старение поверхности платформы будут снижать её прочность. Один из процессов разрушения, называемый spalling, заключается в сколах поверхностного слоя из-за теплового расширения и сжатия. Со временем эти процессы могут ослабить поверхность площадки, снижая её способность выдерживать тяжёлые нагрузки.
Почему проверка на месте критична
Авторы статьи подчёркивают, что лунные симулянты грунта, используемые на Земле, не передают всех свойств настоящего реголита, особенно в условиях лунной гравитации и вакуума. Следовательно, проводимые лабораторные тесты на Земле могут лишь частично отражать реальное поведение материала на Луне.
Из-за этого они предлагают, что первым этапом освоения будет не строительство площадки, а сбор данных и испытания материала непосредственно на месте. Это может быть выполнено с помощью ранних автоматических миссий, которые ещё не будут заниматься строительством финального покрытия, но соберут ключевые данные о прочности, трещинообразованиях и реакции реголита на термические циклы.
Роботы — ключ к строительству
Создание инфраструктуры из реголита на Луне уже на первом этапе будет крайне сложной задачей для людей в скафандрах. Поэтому учёные подчёркивают, что автономные или дистанционно управляемые роботы станут важным элементом процесса строительства и обслуживания лунных площадок. Работа с роботами позволит минимизировать риски для людей и повысить эффективность строительства в условиях низкой гравитации и вакуума.
Первые роботизированные установки могут собирать, спекать и укладывать реголитовые блоки по заранее заданным алгоритмам. С течением времени и накоплением данных от первых площадок они смогут оптимизировать дизайн и методы обработки материала.
Порядок реализации
Учитывая текущий темп развития лунных программ и инфраструктуры, строительство первых многоразовых площадок остаётся проектом следующего поколения миссий. Прежде всего, требуется развитие технологий посадки и взлёта тяжёлых ракет, таких как SpaceX Starship, которая рассматривается в рамках программ по возвращению на Луну к концу 2020-х годов. Кроме того, миссии, такие как NASA Commercial Lunar Payload Services (CLPS), уже направлены к поверхности Луны для доставки роботов и научных приборов, что неизбежно дополняет базу знаний о реголите и условиях на поверхности спутника.
Заключение
Создание первых многоразовых посадочных и стартовых площадок на Луне — это комплексная инженерная задача, требующая сочетания новых методов строительства, глубокого понимания свойств лунного реголита и использования роботизированных систем. Эти площадки станут критически важными элементами будущей лунной инфраструктуры, обеспечивая безопасные посадки тяжёлых ракет и многоразовые запуски, что значительно расширит возможности регулярных миссий, научных исследований и будущей деятельности человека на естественном спутнике Земли.
Источники:
Статья создана по материалам https://www.universetoday.com/articles/engineering-the-first-reusable-launchpads-on-the-moon
