Повреждения космических кораблей на лунной орбите

Повреждения космических кораблей на лунной орбите от выбросов посадочных модулей

Учитывая ожидаемый рост количества миссий, это может стать серьезной проблемой

Путешествие на Луну (1902)

Луна представляет собой безвоздушное тело с пониженной гравитацией и ракета, приземляющаяся на её поверхность, потенциально может создать выбросы на высоту, превышающую орбитальную, или даже полностью за пределы Луны. Для планирования лунных миссий важно понимать траектории и потоки выбросов для защиты орбитальных космических кораблей. Защита может быть обеспечена за счет расчета времени приземления относительно положения орбитального космического судна, а также за счет строительства или развертывания посадочных площадок. Учитывая низкую гравитацию на Луне (16,5% от земной), космические корабли поднимают много лунного реголита (так называемой лунной пыли) во время взлета и посадки. Реголит состоит из силикатных минералов, созданных миллиардами лет метеорами и микрометеоритами, ударявшими по поверхности, обладает электростатическим зарядом, очень абразивен и наносит ущерб машинам и оборудованию. Авторы рассмотрели, какой ущерб весь этот реголит может нанести на орбите летящему посланнику человечества.

Мелкая пыль ускоряется выхлопами ракеты до чрезвычайно высокой скорости, а на Луне нет атмосферы, поэтому нет ничего, что могло бы замедлить пыль, пока она не столкнется с каким-либо другим объектом на лунной поверхности, либо на орбите. Это может привести к чрезвычайно высокому уровню пескоструйной обработки близлежащих объектов. Существуют различные режимы взаимодействия в зависимости от условий выхлопного потока ракеты, условий реголита и условий планетарной среды (в основном атмосферы и гравитации). Высадки на Луну в рамках программы «Аполлон» и небольших роботизированных миссий включили режим поверхностной эрозии, при котором поток газа, движущийся горизонтально по поверхности почвы, увлекает отдельные частицы. Площадку под лунным модулем Аполлона-11 после приземления тщательно вычистили, но центрального кратера не обнаружили.

Другие режимы наблюдались в экспериментальных работах. К ним относятся: нарушение несущей способности, диффузионный поток, диффузное газовое извержение и псевдоожижение, вызванное ударом. Неясно, сможет ли более крупный лунный посадочный модуль вызвать какой-либо из них. Эти режимы могут создать глубокий кратер под посадочным модулем, и это перенаправит поток газа, отправив выбросы в более восходящее направление. Кроме того, они могут вызывать более высокую скорость вовлечения в газовый поток. Чтобы количественно оценить выбросы почвы и пыли из выхлопных газов ракет, провели компьютерное моделирование и анализ изображений, полученных с предыдущих лунных миссий. Выполнили около 400 экспериментов используя самолет с пониженной гравитацией. Провели эксперименты в вакуумной камере, заполненной АО-1А, имитатором лунного грунта, созданным учеными НАСА, и обнаружили, что скорость эрозии увеличивается, когда газ разрежен, показали, как траектории выбросов зависят от углов, скоростей и размеров частиц.

Результаты показали, что выбросы будут иметь различное воздействие на орбитальные космические корабли, в зависимости от характера и высоты их орбит. На почти прямолинейной гало-орбите, высоко над Луной, получат лишь незначительные повреждения. На них будет воздействовать от 1000 до 10 000 частиц на квадратный метр (расчеты для посадочных модулей порядка 40 тонн), но размеры частиц очень малы, а скорость удара низкая, поэтому ущерб предполагается незначительным. На низкой лунной орбите ситуация намного хуже. Если космический корабль на низкой лунной орбите пролетит в неподходящее время вблизи места приземления на Луну, через слой выброса, он получит серьезные повреждения с сотнями миллионов ударов на квадратный метр. Хотя частицы малы, они находятся в режиме гиперскорости, около 4% стеклянных поверхностей аппарата будут сколы, а ущерб накапливается при многократном воздействии.

Все большее число коммерческих космических компаний планируют проводить регулярные миссии на спутник, обеспечивая все: от перевозки полезной нагрузки и экипажа до лунного туризма. Растущее присутствие человека будет означать значительное увеличение активности на лунной поверхности. Учитывая ожидаемый рост количества высадок на царицу ночи, это может стать серьезной проблемой, для решения которой потребуется международная координация.

Заключение. Космический аппарат на низкой лунной орбите может понести значительные повреждения, если время его выхода на орбиту окажется на пути конуса выброса от большого лунного корабля. За время прохождения через конус выброса длительностью 11,5 мс космический аппарат испытает в общей сложности 7 мг/см2, соударяющийся с грунтом на сверхскорости. Повреждения будут сильнее для посадочных аппаратов с большей массой и меньшим количеством двигателей, а также если они продолжат запускать двигатели на расстоянии менее 1,5 м от поверхности. Скорость эрозии при нахождении двигателя на высоте 1,5 м над поверхностью составляет 19 238 кг/с.

Филип Т. Мецгер (Philip Metzger), Университет Центральной Флориды, Джеймс Дж. Мантовани (James G. Mantovani), NASA, США, опубликовали работу "Повреждения космических кораблей на лунной орбите от выбросов посадочных модулей", 17-я Международная конференция по инженерии, науке, строительству и эксплуатации в сложных условиях, апрель 2021 г.

12.02.2024