Моделирование посадки на луну

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 19.09.2024

Мягкая посадка на поверхность Луны осуществляется строго по вертикальной траектории, поэтому место посадки может иметь минимальный размер. Непосредственно у поверхности Луны реактивная струя тормозных двигателей сдувает лунную пыль, которая образует облако вокруг места посадки. Все частицы лунной пыли имеют острые грани и обладают абразивными свойствами. Занесенная в обитаемый объем на скафандрах или носимых предметах, пыль становится опасной для здоровья космонавтов. Для минимизации пылеобразования при посадке аппаратов на Луну предлагается создание беспылевой монолитной площадки (космодрома). Космодром размером 100×100 м с толщиной монолитного базальтового покрытия 0,1 м может быть построен одним автоматизированным строительным 3D-принтером на солнечной энергии за 250 лунных дней.

English

The trajectory of soft lunar landing is strictly vertical, therefore the place of landing can be minimal in size. At the surface of the Moon the jet stream of brake engines blows off lunar dust which forms a cloud around the place of landing. All particles of lunar dust have sharp sides and have abrasive properties. Brought in habitable volume (e.g. on space suits or wearable objects), dust becomes dangerous to cosmonauts’ health. In order to minimize dust pollution during lunar landing the creation of a dustless monolithic platform (cosmodrome) is suggested. The cosmodrome of 100×100 meters in size with a monolithic basalt covering 0.1 m thick can be constructed by one solar-powered automated building 3D-printer in 250 lunar days.

Все планы России и других стран по освоению ресурсов Луны предусматривают создание на ее поверхности постоянных баз и периодические (или постоянные) пилотируемые экспедиции к ним. В отсутствии атмосферы на Луне мягкая посадка космических аппаратов на лунную поверхность может осуществляться с помощью реактивных двигателей, причем энергетически выгодно, чтобы максимальное торможение аппарата происходило непосредственно перед посадкой. При этом тормозными двигателями неизбежно будут подниматься облака пыли, находящейся на поверхности Луны.

Типичная пылинка на лунной поверхности состоит из множества спаянных в сложную структуру стекол и микрокристаллов, каждый из которых имеет острые грани, расположенные под разными углами. Подобная пыль субмикронных размеров легко сцепляется даже с самыми гладкими поверхностями, после чего вся поверхность становится абразивной.

Эта пыль миллиарды лет накапливалась из перерабатываемого микрометеоритами вещества, но она не подвергалась никакой эрозии и сохранила свои абразивные свойства .

На рис. 1 показаны типичные формы пылинок с лунной поверхности . Каждая пылинка состоит из множества спаянных в сложную структуру стекол и микрокристаллов, причем каждый из них имеет острые грани, расположенные в пылинке под разными углами. Подобная пыль субмикронных размеров легко сцепляется даже с самыми гладкими поверхностями, после чего покрытая пылью поверхность становится абразивной. Всякое трение с нею приводит к интенсивному износу поверхностей.

Заряженные пылинки легко прилипают ко всем поверхностям космических аппаратов. Астронавты НАСА, перемещаясь по поверхности Луны, неоднократно падали, из-за чего их скафандры оказывались изрядно перепачканы лунной пылью (рис. 2).

Проблему усложняет, помимо прочего, и крайне высокая проникающая способность малоразмерных лунных пылинок. Частицы пыли были обнаружены даже во внутренних частях скафандров, внутри всех приборов лунных аппаратов. В движущихся частях аппаратуры лунная пыль приводила к интенсивному износу трущихся поверхностей и к сокращению срока службы приборов. Герметичность контейнеров для образцов, соприкасавшихся с лунной пылью, была нарушена.

Все это создает сложно решаемую проблему защиты аппаратуры, скафандров и обитаемых помещений от опасной лунной пыли.

Одним из эффективных методов предотвращения попадания пыли в обитаемые помещения лунной станции представляется создание обеспыленных площадок (космодромов) на осваиваемых территориях. Если на поверхности Луны будет устроена площадка, не содержащая пыли, то для астронавтов, прилунившихся на эту площадку, будут созданы условия с минимальными возможностями контактов с пылью.

Предлагается использовать пленочные сферические зеркала-концентраторы для фокусировки солнечного излучения на лунной поверхности . В фокусе зеркала температура превысит 1500 градусов, при которой плавится лунный реголит. Если использовать зеркало диаметром 4 м, то собираемое им излучение позволит плавить 10 г реголита в секунду. На этом принципе возможно создание солнечного строительного 3D-принтера, в котором материал лунных пород будет переплавляться в монолитную структуру заданной формы. Обязательное и необходимое условие – полное расплавление реголита. В литературе встречается много публикаций с описанием аналогов солнечного строительного 3D-принтера, в которых сфокусированный солнечный луч нагревает приготовленный материал и обеспечивает его спекание в прочную структуру [5, 6]. Такой вариант строительного принтера для лунных условий непригоден.

Лунный реголит, по своей природе имеющий свойства базальтов, имеет принципиально низкую теплопроводность. Слой реголита, нагреваемый лучистым притоком энергии, будет расплавляться только на поверхности, что приведет к спеканию материала, то есть к соединению частиц реголита получившимся расплавом на небольшую глубину.

Рис. 3. Прогретый сфокусированным пучком солнечного света слой реголитовой засыпки (а) и очищенный от неспаянных частиц спеченный образец (b)

На рис. 3 показан результат прогрева пучком сфокусированного солнечного света слоя имитатора лунного реголита. Слой оплавился только на поверхности, образовав пористую структуру. После того как с оплавленного образца удалили неспаявшиеся частицы реголита, стало видно, что спеченный образец малопригоден для строительства лунного космодрома. Мало того, что пористый материал сильно уступает по прочности монолитному, его неровная поверхность способна скорее накапливать в порах пыль, чем очищаться от нее.

В солнечном строительном 3D-принтере производится не спекание, а плавление реголита. Аналогом такого режима нагрева можно считать обычную дуговую сварку, в которой расплав сварочного электрода наплавляется на подложку в выбранной точке.

Мы же предлагаем использовать солнечный строительный 3D-принтер, в котором производится не спекание, а плавление реголита. Для этого реголит нужно насыпать в зону плавления по мере его сплавления с подложкой. Пятно разогрева можно перемещать по строящейся поверхности, обеспечивая постепенное формирование монолитной структуры любой формы и любого размера . Аналогом такого режима наплавления можно считать обычную дуговую сварку, в которой расплав сварочного электрода наплавляется на подложку в выбранной точке. Получившаяся поверхность будет слегка волнистой, но гладкой.

Рис. 4. Концепция строительного 3D-принтера на солнечной энергии

Анализ космических снимков лунной поверхности в местах посадок автоматической станции Surveyor 3 и пилотируемого корабля Apollo-11 показывает, что струи газов из посадочных двигателей этих аппаратов выдули лунную пыль из круга радиусом порядка 300 м . Это подтверждается и прямыми оценками запыленности аппарата Surveyor 3 пылью, сдутой при посадке Apollo-11. Поэтому при посадке аппаратов в любом месте площадки 100×100 м можно не сомневаться, что посадочные двигатели полностью очистят от пыли всю площадку.

Автоматический солнечный 3D-принтер с пленочными зеркалами может иметь очень малую массу (не более 400-500 кг). Возможно, средства для борьбы с лунной пылью в рабочих помещениях лунной станции потребуют большей массы, чем солнечный 3D-принтер, поэтому формирование космодрома на Луне выглядит перспективным решением.

Литература:

3. Попель С.И., Голубь А.П., Лисин Е.А., Извекова Ю.Н., Атаманюк Б.Г., Дольников Г.Г., Захаров А.В., Зеленый Л.М. Удары высокоскоростных метеороидов и отрыв пылевых частиц от поверхности луны // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2016. Т. 103. № 9. С. 641-646.

5. Багров А.В., Сысоев А.К., Сысоев В.К., Юдин А.Д. Моделирование спекания имитаторов лунного грунта солнечным излучением // Письма о материалах. 2017. Т. 7. Вып. 2. С. 130-132.

6. Meurisse A., Makaya A., Willsch C., Sperl M. (2018). Solar 3D printing of lunar regolith. Acta Astronautica. 152. Pp. 800-810. DOI: 10.1016/j.actaastro.2018.06.063

9. Багров А.В., Дмитриев А.О., Леонов В.А., Юдин А.Д., Москатинев И.В., Сысоев В.К. Оптическая система глобального позиционирования для Луны // Актуальные вопросы проектирования автоматических космических аппаратов для фундаментальных и прикладных научных исследований (выпуск 2) / Сост. В. В. Ефанов. Химки: НПО им. С.А. Лавочкина, 2017. С. 86-91

10. Кайдаш В.Г., Шкуратов Ю.Г. Нарушения структуры лунной поверхности, вызванные космическими аппаратами // Астрономический вестник. 2012. Том 46. № 2. С. 119–130.

References:

3. Popel' S.I., Golub' A.P., Lisin E.A., Izvekova Ju.N., Atamanjuk B.G., Dol'nikov G.G., Zaharov A.V., Zelenyj L.M. Udary vysokoskorostnyh meteoroidov i otryv pylevyh chastic ot poverhnosti luny. Pis'ma v Zhurnal jeksperimental'noj i teoreticheskoj fiziki, 2016, vol. 103, no. 9, pp. 641-646. DOI: 10.1134/S002136401609006X

5. Bagrov A.V., Sysoyev A.K, Sysoev V.K, Judin A.D. Modelirovanie spekanija imitatorov lunnogo grunta solnechnym izlucheniem. Pis'ma o materialah, 2017, vol. 7, iss. 2, pp. 130-132. DOI:10.22226/2410-3535-2017-2-130-132

6. Meurisse A., Makaya A., Willsch C., Sperl M. (2018). Solar 3D printing of lunar regolith. Acta Astronautica. 152. Pp. 800-810. DOI: 10.1016/j.actaastro.2018.06.063

7. Bagrov A.V., Leonov V.A., Sysoev V.K. O vozmozhnosti stroitel'stva obitaemyh pomeshhenij na Lune do provedenija pilotiruemoj missii. Proceedings of the International XI Conference “Manned Flights to the Space” (Zvezdnyj Gorodok, 10-12 November 2015). Zvezdnyj Gorodok, Gagarin Research&Test Cosmonaut Training Center, 2015, pp. 13-14.

9. Bagrov A.V., Dmitriev A.O., Leonov V.A., Judin A.D., Moskatinev I.V., Sysoev V.K. Opticheskaja sistema global'nogo pozicionirovanija dlja Luny. Aktual'nye voprosy proektirovanija avtomaticheskih kosmicheskih apparatov dlja fundamental'nyh i prikladnyh nauchnyh issledovanij (iss. 2). Ed. by V.V. Efanov. Khimki, Izdatel Lavochkin Association, 2017, pp. 86-91.

10. Kajdash V.G., Shkuratov Ju.G. Narushenija struktury lunnoj poverhnosti, vyzvannye kosmicheskimi apparatami. Astronomicheskij vestnik, 2012, vol. 46, no. 2, pp. 119-130.

История статьи:

Поступила в редакцию: 17.10.2018

Принята к публикации: 05.11.2018

Модератор: Плетнер К.В.

Конфликт интересов: отсутствует

Нил Армстронг и Эдвин Олдрин (архив НАСА)

КСМ совершал разворот и пристыковывался к ЛЭМ с обратной стороны. Вся эта система выходила на окололунную орбиту, двое астронавтов перемещались в ЛЭМ, который затем отсоединялся и брал на себя роль спускаемого аппарата, совершая посадку на лунную поверхность. В это время КСМ продолжал свой полет по лунной орбите с третьим астронавтом на борту.

Схема лунного экспедиционного модуля

Бросается в глаза то, что ЛЭМ, хотя и является, по идее, самостоятельным летательным аппаратом, имеет нехарактерную для последних обтекаемую форму, а скорее смахивает на какое-то насекомое. Впрочем, на Луне атмосферы нет, и поэтому вопрос о ее сопротивлении вроде как снимается сам собой. Возможно, форма ЛЭМ и впрямь принципиального значения не имеет.

Но ведь, в любом случае, он должен быть способен преодолевать лунное притяжение: оно хоть и меньше земного, но все-таки существует. Соответственно, для этого модуль должен быть оснащен системой двигателей, которые мы видим на схеме. Есть они и на снимке НАСА, где такой же лунный модуль гордо красуется на поверхности Луны.

Обычный листодув производит давление порядка 0,035 атмосферы, но и это слабое дуновение образует в земле маленькие воронки и вместе с листьями сдувает пыль и песок. А тяжелый ЛЭМ умудрился прилуниться, не только не образовав сколько-нибудь заметной вмятины, но даже и не сдув пыль.

Если принять во внимание отсутствие на Луне атмосферы, задерживающей пылинки, нетрудно представить себе, какой колоссальный выброс пыли и близлежащих камней устроил бы мощный ракетный двигатель в космическом вакууме! Те же луномобили, разъезжая по Луне (якобы), выбрасывали из-под колес буквально каскады пыли и камней. А уж во время посадки лунного модуля пыль и камни из-под сопла должны были бы разлетаться по всему Морю Спокойствия. А тут даже пылинки не потревожили!

Скорее представляется вероятным, что макет модуля просто притащили и поставили на пол съемочного павильона, слегка припорошенного белой пылью и песком (или чем там еще ребята из НАСА имитируют лунный грунт).

Еще раз взглянем на новенькое чистенькое сопло главного двигателя. На схеме оно расположено в самом центре спускаемой платформы модуля, что, кстати, вполне логично и соответствует законам физики. Но на ЛЭМ, якобы стоящем на поверхности Луны, сопло (а, следовательно, и сам центральный двигатель) смещено к передней его части. А ведь по мере снижения ЛЭМ смещенное расположение сопла должно было нарушить равновесие неуклюжего аппарата и заставить его кувыркаться до самой поверхности Луны, сколько бы стабилизирующих движков ни пытались сохранить вертикальное положение модуля.

Далее. Правая опора ЛЭМ на самом краю снимка исчезает за кадром. Возьмите карандаш и набросайте продолжение этой опоры. Почему на снимке нет тени от нее? Ведь передняя опора ее отбрасывает – толщиной в половину диаметра самой опоры. А у флага, стоящего слева от ЛЭМ, тени нет вообще. Еще один интересный момент. Левая часть фотографии ярко освещена, правая же – более тусклая. Что это – еще одно недокументированное геологическое чудо, когда яркая белая пыль резко переходит в тусклую темную?

Освещение в демке работало на основе реальной физической модели. Все тени от астронавтов совпали с таковыми на реальных снимках

В 2019 году, на конференции GPU Technology Conference Europe, проходящей в городе Мюнхен, компания представила новое демо, в котором инженеры Nvidia решили перестроить прошлую сцену с высадкой, применив технологию трассировки лучей в реальном времени, чтобы "продвинуть" свои ускорители на базе архитектуры Turing и в очередной раз доказать скептикам, что американцы действительно были на Луне.

Глава компании, Дженсен Хуанг отметил, что с помощью данной технологии им удалось сымитировать физику света на предельно достоверном уровне. Это позволило получить изображение, которое выглядит как фото NASA, сделанные во время высадки на спутник Земли.

К слову, для создания демо-сцены еще 4 года назад было собрано множество данных: детальная модель костюма астронавтов, отражающая способность материалов скафандров и лунного модуля. В расчет брались даже свойства грунта и его пыли с поверхности Луны. Эти данные пригодились для создания прошлого демо, на базе которого создавалась новая демонстрация с применением RTX.

Космическое агентство раскрыло подробности дизайна нового лунного аппарата, который сможет доставить на спутник нашей планеты ровер.

Исследователи исходили из предположения, что платформа Lunar Gateway будет располагаться на почти прямолинейной гало-орбите около точки Лагранжа L2 – эта орбита на сегодняшний день – предпочтительный вариант размещения станции, позволяющий высадку астронавтов на южном полюсе Луны. Ученые смоделировали вариант, в котором экипаж в составе четырех астронавтов проведет на Луне около семи суток, варьируя количество ступеней и тип топлива. В общей сложности было проанализировано 39 вариантов будущей системы посадки человека на Луну. В том числе, проведено сравнение наиболее многообещающих вариантов по стоимости проекта

Команда использовала комплексный подход к оценке альтернативных конфигураций посадочных модулей, проанализировав множество вариантов с помощью скрининговых моделей. Сначала специалисты определили базовый набор архитектурных решений, включая количество ступеней и тип топлива для каждой ступени посадочного модуля.

Полученные данные были обобщены в виде математических моделей, с помощью которых ученые провели комплексное численное исследование вариантов построения системы, комбинируя различные архитектурные решения. На заключительном этапе проанализировали полученное пространство решений и отобрали предпочтительные варианты, которые могут быть интересны специалистам, участвующим в проектировании лунных посадочных модулей.

Ученые провели новый анализ структуры лунных камней и выяснили, что спутник Земли сформировался на 100 миллионов лет позже, чем считалось ранее. Ученые-астрономы из Научного Общества К.

После советской эпохи атомные реакторы перестали запускать в космос, но сегодня все постепенно меняется. К атомной энергетике для марсианских колоний примеривается Илон Маск, проекты лунных АЭС про.

Читайте также:

Моделирование посадки на луну

English

реклама