CC BY
299
.МГСУ
ИССЛЕДОВАНИЯ ГРУНТОВ ЛУНЫ. ИСТОРИЯ и ПЕРСПЕКТИВЫ
RESEARCHES OF THE LUNAR SOILS. HISTORY AND
PROSPECTS
Л.И. Черкасова L.I. Cherkasova
ГОУ ВПО МГСУ
Дается краткий обзор этапов исследования лунных грунтов. Рассказывается о вкладе в реализацию «лунной» программы сотрудников кафедры механики грунтов, оснований и фундаментов МИСИ-МГСУ.
The short review of investigation lunar soils is given. It is told about the contribution to realization of the "lunar" program of employees of chair of mechanics of soils, and faundations of MISI-MGSU
В юбилейный год 90-летия университета уместно вспомнить участие ученых МГСУ в одном из приоритетных проектов прошлого века - исследованиях грунтов Луны. Значение этой работы можно оценить на фоне краткого экскурса в историю лунных исследований.
Первые представления о строении Луны сформированы в результате астрономических наблюдений с Земли, на основе которых было принято деление лунной поверхности на два основных типа: материковый, характеризуемый пересеченным рельефом и светлой окраской, и морской - с более ровным рельефом и темной окраской. Тогда же был выделен характерный элемент Лунной поверхности - кратеры.
Затем, на основании радиофизических измерений и первых панорам, полученных искусственными спутниками, были сформулированы несколько гипотез о составе и происхождении лунных грунтов. Однако, полученные «бесконтактными» методами сведения имели противоречивый характер и, по словам одного из исследователей, снимки космических аппаратов представляли собой «магическое зеркало», в котором каждый ученый видел отражение своей собственной теории.
В середине прошлого века достоверные сведения о физико-механических свойствах лунного грунта стали необходимы, так как двумя ведущими странами мира, США и СССР, были приняты программы посадки автоматических станций на Луну.
Испытания посадочных систем, шасси луноходов, конструирование приборов требовали огромного числа натурных экспериментов на земных полигонах с соответствующим покрытием.
Фотографии лунной поверхности были поразительно похожи на некоторые земные ландшафты. Это сходство и результаты радио-физического определения химиче-
ского состава пород были положены в основу методики исследования свойств лунных грунтов по их аналогам.
Участки земной поверхности, наиболее соответствующие фотографиям поверхности Луны по своему рельефу, микро-рельефу и предполагаемой глубине распространения рыхлых грунтов, сложены современными вулканическими отложениями, которые не подверглись еще эрозионным процессам и почвообразованию. На пяти испытательных полигонах, часть которых находилась в вулканических районах Камчатки, отрабатывался процесс посадки автоматических станций, и испытывалось оборудование полевых испытаний грунта на Луне. Вот на этом этапе в исследованиях принял участие профессор кафедры МГрОиФ И.И.Черкасов
Первые автоматические лунные станции (АЛС) проходили наземные испытания, имитирующие посадку на Луну. Испытания проводились путем сбрасывания станций с заданной высоты на поверхность испытательного стенда, выполненную из моделирующих лунную поверхность материалов и регистрации усилий и ускорений в элементах конструкций. Корпуса станции «Луна-9» и «Луна-13», впервые совершивших мягкую посадку, были выполнены в форме шара. АЛС «Луна-9» имела диаметр около 50 см, и массу 17 кг. Шар находился в мягкой оболочке, образованной эластичными мешками. Оболочка наполнялась газом. «Гигантский мяч упал на грунт Луны с небольшой высоты и, совершив несколько прыжков, остановился, прокатившись по уклону. Устройство, соединяющее амортизирующие мешки, разомкнулись. Затем, корпус АЛС опустился на поверхность грунта. Через несколько минут «Луна-9» уже передавала на землю панорамы поверхности, позволившие оценить мелкие детали рельефа»[1]. «Луна-13» впервые доставила на Луну приборы, предназначенные для исследования грунта.
Все последующие АЛС «Луна-16,-20 и 24», опускались на четыре опоры. Параллельно на Луне работали американские АЛС, которые имели собственный двигатель, и опускались на поверхность Луны на три ноги. Исследования сопровождались регулярным обменом полученной информацией ведущих ученых СССР и США. Успешные «прилунения» советских и американских станций доказали эффективность исследования механических свойств Лунных грунтов на грунтах-аналогах.
Изучение физико-механических свойств грунтов в СССР выполнялось несколькими научными коллективами, в том числе из МГСУ и НИИОСП. Проф. И.И.Черкасов принимал участие в создании прибора грунтомера-пенетрометра, входившего в комплект оборудования АЛС «Луна-13».
Малый объем АЛС определил необходимость конструирования миниатюрных приборов для полевых работ. Грунтомер-пенетрометр был предназначен для оценки механической прочности грунта. Этот прибор состоял из пластмассового корпуса, нижняя часть которого образует кольцевой штамп с наружным диаметром 12,00 см и внутренним диаметром 7,15 см. Внутри кольцевого штампа был помещен титановый стержень с конической нижней частью. Угол заострения конуса 103°. Перемещение стержня вглубь грунта измерялось потенциометром, сигнал которого передавался на телеметрическую систему. Верхняя часть титанового стержня служила корпусом реактивного двигателя твердого топлива, который и передавал усилие для погружения
Особое значение, для получения достоверных данных при полевых исследованиях на Луне, придавалось тарировке приборов в земных условиях на материалах-аналогах. В работе с материалами - аналогами также принимала участие группа сотрудников кафедры под руководством проф. Черкасова И.И. Для наземной тарировки приборов были использованы 14 различных материалов естественного и искусственного происхождения, в число которых входили пористая базальтовая и андезито-
.МГСУ
базальтовая лава, пенобетон и пеностекло, кварцевый песок, гранитная дресва, керамзитовый гравий, аглопоритовый и перлитовый песок. Искусственные аналоги позволяли избежать ошибок, связанных с неоднородностью естественных грунтов и испытывать образцы с заданными свойствами, например, плотностью и пористостью.
Расшифровка результатов работы грунтомера-пенетрометра позволила получить прочностные параметры поверхностного слоя лунного грунта: угол внутреннего трения менялся в диапазоне 30-36 градусов, удельное сцепление в диапазоне 0,119-0,045 И/см2.
Следующие АЛС «Луна-16,-20 и 24» осуществляли бурение скважин глубиной до 2-х м и доставку кернов.
Во время работы луноходов, их точная копия совершала те же манипуляции на склонах вулкана Толбачик на Камчатке.
Американские АЛС были снабжены для исследования грунта ковшами-манипуляторами. Но их основная задача заключалась в подготовке высадки космонавтов на Луну, и образцы грунта на землю они не передавали.
В результате обобщения проведенных исследований академиком А.П. Виноградовым были сделаны выводы об образовании поверхностного слоя грунта в результате дифференциации вещества магмы, которой сложены лунные моря, когда она прорывалась на поверхность в условиях космического вакуума. Излияние лавы сопровождалось ее кипением и дроблением на мелкие частицы. Состав лунной лавы базальтовый.
Признано, что причиной глубокого разрыхления лунных пород являются удары микрометеоритов. В результате действия тепловых взрывов и ударных эффектов метеориты способствуют образованию микрократеров и отверстий в частицах, появлению стекловидных шариков и спекшихся агрегатов.
Лунные горы сложены породами, содержащими анортозит, базальтовые лавы в них отсутствуют, однако процесс дробления метеоритами проявляется в полной мере.
Рыхлый поверхностный слой лунного грунта, возникший в результате вулканических процессов и сформированный под воздействием метеоритного дождя, получил название «реголит».
Более глубоко свойства лунного грунта изучались на Земле. И опять, существенно расширить диапазон испытаний удалось за счет проведения исследований с использованием материалов-аналогов.
Автоматические лунные станции не могли доставлять образцы массой более 100 г. Основная доля материала была доставлена американскими станциями «Аполлон» с космонавтами на борту. Всего на Землю было доставлено около 380 кг грунта. Но расход лунного вещества осуществлялся чрезвычайно экономно. В лаборатории нескольких стран были доставлены образцы массой 2-3 г. Ученые США и СССР получали образцы, доставленные с Луны станциями обеих стран, на основе паритетного обмена. Изучение Лунных грунтов в лабораторных условиях на Земле проводилось в специальных камерах, заполненных гелием или в вакууме при температуре 20-1400С при наибольшей массе образца 2 г. Большая часть грунта хранится в контейнерах и в настоящее время почти недоступна для ученых.
Исследования показали, что, несмотря на схожесть с некоторыми земными грунтами, реголит имеет свойства, не характерные для грунтов. В пробах реголита, доставленных «Луной-16» и экспедициями «Аполлон» были обнаружены силикатные стекловидные частицы в форме капли или правильных шариков диаметром 0,05-5 мкм и 40-480 мкм. Они не встречаются в земных грунтах.
Наличие стеклянных шариков вызвало вопрос о соотношении частиц различной формы в стабильной смеси, о влиянии их на уплотнение грунта и на взаимодействие с различными механизмами. Исследования на эту тему были выполнены проф. И.И. Черкасовым и его сотрудниками.
Пылеватые грунты Луны имели склонность к образованию комков, которые на фотографиях нельзя было отличить от камней. Это свойство объясняется наличием сцепления, зафиксированного при проведении полевых испытаний грунтомером на Луне.
В условиях лаборатории воспроизвести сцепление безводных пылеватых грунтов можно только путем замены сил Ван-дер-Ваальса в контактах на какие-либо другие. Меняя влажность материала-аналога, И.И.Черкасов добивался того, чтобы величина удельного сцепления материала-аналога была сопоставима с тем же параметром реголита, и, затем, с материалом-аналогом производились опыты в земных условиях.
При испытаниях образцов были получены значения плотности и механических характеристик реголита и его аналогов в зависимости от степени уплотнения. Кроме того, были получены практически важные данные о несущей способности лунного грунта.
В период осуществления полетов на Луну казалось, что время строительства стационарных лунных станций совсем близко. И хотя программа завершилась в конце 80-х годов, ученые с неохотой заканчивали работы по лунной тематике.
Последние практические разработки были связаны с планами на будущее: методами уплотнения рыхлых грунтов-аналогов для использования их в качестве основания и среды размещения сооружений, а также изготовления из них строительных материалов.
В условиях отсутствия конкуренции программы освоения Луны отодвинуты на второй план во всем мире, тем не менее, интерес к проблеме окончательно не угас.
Продолжает развиваться идея создания строительных материалов на Луне из реголита. В лаборатории Виржинского университета смешивались вулканический пепел с минеральными добавками и молотым базальтом. Смесь нагревалась при температуре 15000, в результате чего получался конструктивный материал для использования при строительстве на Луне. Результаты этих работ, проведенных в 2009 г., появились в Интернете и должны быть опубликованы в монографии американских ученых К. Ло-ган и Э. Файерсон (США).
Похожие испытания проводил И.И. Черкасов 40 лет назад. Испытывались образцы из термически укрепленного молотого базальта с минеральными добавками, которые также могут быть получены на Луне. При умеренном нагреве до 340-3600С были получены камневидные материалы, приближающиеся по своим свойствам к кирпичу или бетону.
Подводя итог работам, проводившимся на кафедре МГрОиФ более 40 лет назад, можно сказать, что участие в лунном проекте принесло свои плоды. Под руководством Черкасова И.И. сформировалась целая группа ученых, работавших над не имевшими аналогов в научной практике задачами. К этой группе принадлежит д.т.н. Петрухин В.П., в настоящее время директор НИИОСП, другие ученые, долгое время возглавлявшие кафедры механики грунтов в странах СНГ. Разработаны принципиально новые приборы и методики исследования грунтов. Анализируя результаты собственных исследований и изучая советскую и зарубежную научную литературу, Черкасов И.И.постарался обобщить экспериментальный опыт и изложить его в своих моногра-
.МГСУ
фиях, опубликованных в соавторстве с В.В. Шваревым. Эти монографии положили начало новой науке - грунтоведение Луны [1].
В настоящее время изучение реголита продолжается. Современными методами в образцах, доставленных на землю в прошлом веке, обнаружены и изучены двадцать три ранее неизвестные в природе и тридцать новых для Луны ультрадисперсных минеральных фазы [2]. Интерес к проблеме освоения Луны, может резко возрасти при наличии соответствующих условий. Приоритет в этом случае будет за теми, кто готов к продолжению таких исследований.
Литература:
1. Черкасов И.И., Шварев В.В.Грунтоведение Луны. М., Наука, 1979г.
2. Мохов А. В. Новые ультрадисперсные минеральные фазы лунного реголита по данным аналитической электронной микроскопии. Автореферат. Москва 2009
Literature:
1. Cherkasov, I.I., Shvarev V.V. Study of lunar soils. Pergamon Press, 1979.
2. Mokhov AV New ultra-dispersed mineral phases in the lunar regolith to the data of analytical electron microscopy. Abstract. Moscow 2009
Ключевые слова: лунный грунт, физические материалы-аналоги, реголит Keywords: Lunar soil, physical materials-analogs, regolith
Рецензент: зам. заведующего лабораторией оснований и фундаментов на слабых грунтах НИИОСН им. Н.М. Герсеванова - ОАО НИЦ «Строительство» д.т.н., почетный строитель
РФ Никифорова Н. С.
