_ Noul studiu abordează modul în care misiunile lunare vor ridica praful lunar

Înainte de sfârșitul acestui deceniu, NASA intenționează să returneze astronauții pe Lună pentru prima dată de la epoca Apollo. Dar de data aceasta, prin Programul Artemis, nu va fi o afacere „amprente și steaguri”.

Cu alte agenții spațiale și parteneri comerciali, scopul pe termen lung este crearea infrastructurii care să permită pentru un „program susținut de explorare și dezvoltare lunară”. Dacă totul decurge conform planului, mai multe agenții spațiale vor avea baze în jurul Polului Sud- Bazinul Aitken, ceea ce va deschide calea pentru industriile lunare și turism.

Pentru ca oamenii să trăiască, să lucreze și să conducă diverse activități pe Lună, sunt necesare strategii pentru a face față tuturor pericolelor – dintre care nu cel mai mic este regolitul lunar (sau „praful de lună”). După cum au învățat astronauții Apollo, praful de lună este zimțat, se lipește de orice și poate cauza uzură semnificativă a costumelor, echipamentelor, vehiculelor și sănătății astronauților.

Într-un nou studiu al unei echipe de ingineri Texas A&M, regolitul prezintă, de asemenea, un pericol de coliziune atunci când este ridicat de rachete. Având în vedere numeroasele nave spațiale și aterizatoare care vor livra echipaje și marfă pe Lună în viitorul apropiat, acesta este un pericol care merită o atenție deosebită.

Studiul a fost realizat de Shah Akib Sarwar și Zohaib Hasnain, un Ph.D. Student și profesor asistent (respectiv) la Departamentul de Inginerie Mecanică J. Mike Walker '66 de la Universitatea Texas A&M. Pentru studiul lor, Sarwar și Hasnain au investigat ciocnirile particule-particule pentru regolitul lunar folosind metoda „sferei moale”, în care ecuațiile de mișcare ale lui Newton și un model de forță de contact sunt integrate pentru a studia modul în care particulele se vor ciocni și se vor suprapune.

Acest lucru îl diferențiază de metoda „sferei dure”, care modelează particulele în contextul fluidelor și solidelor.

În timp ce regolitul lunar variază de la particule mici la roci mari, componenta principală a „prafului de lună” este minerale fine, silicate, cu o dimensiune medie de 70 microni. Acestea au fost create de-a lungul a miliarde de ani, deoarece suprafața fără aer a lunii fără aer a fost lovită de meteoriți și asteroizi care au transformat o mare parte din scoarța lunară într-o pulbere fină.

Absența unei atmosfere a însemnat, de asemenea, că eroziunea de către vânt și apa (obișnuită aici pe Pământ) era absentă. În cele din urmă, expunerea constantă la vântul solar a lăsat regolitul lunar încărcat electrostatic, ceea ce înseamnă că aderă la orice atinge.

Când astronauții Apollo s-au aventurat pe Lună, au raportat că au probleme cu regolitul care s-ar lipi de lor. costume și să fie urmăriți înapoi în modulele lor lunare. Odată ajuns în vehiculele lor, ar adera la toate și a devenit un pericol pentru sănătate, provocând iritații oculare și dificultăți respiratorii.

Dar cu misiunile Artemis la orizont și infrastructura planificată pe care o va implica, există problema modul în care navele spațiale (în timpul decolării și aterizării) vor face ca regolitul să fie ridicat în cantități mari și accelerat la viteze mari.

Așa cum Sarwar a relatat cu Universe Today prin e-mail, aceasta este una dintre modalitățile cheie regolitul lunar va fi o provocare majoră pentru activitățile umane obișnuite de pe Lună:

„În timpul unei aterizări uşoare retro-propulsive pe Lună, penele de evacuare a rachetelor supersonice/hipersonice pot ejecta o cantitate mare (108–1015 particule /m3 văzut în misiunile Apollo) de regolit liber din stratul superior al solului."

"Datorită forțelor generate de penaj — tragere, ridicare etc. — ejecta poate călători la viteze foarte mari (până la 2 km/s). Spray-ul poate dăuna navei spațiale și echipamentelor din apropiere. De asemenea, poate bloca vederea zonei de aterizare, poate perturba senzorii, înfunda elementele mecanice și poate degrada suprafețele optice sau panourile solare prin contaminare."

Datele obținute din misiunile Apollo au servit drept piatră de încercare pentru Sarwar și Hasnain, care includeau modul în care ejecta din penarul de evacuare de la Modulul Lunar Apollo 12 (LM) a deteriorat nava spațială Surveyor 3, situată la 160 de metri (525 de metri). ft) departe. Acest vehicul fără echipaj fusese trimis să exploreze regiunea Mare Cognitum în 1967 și să caracterizeze solul lunar înainte de misiunile cu echipaj.

Surveyor 3 a fost, de asemenea, folosit ca loc țintă de aterizare pentru Apollo 12 și a fost vizitat de astronauții Pete. Conrad și Alan Bean în noiembrie 1969.

Daunele au fost atenuate de faptul că Surveyor 3 se afla într-un crater sub locul de aterizare al Apollo 12 LM. Un alt exemplu este misiunea Apollo 15 care a aterizat în regiunea Hadley–Apennine în 1971. În timpul coborârii LM, astronauții David R. Scott și James B. Irwin nu au putut vedea locul de aterizare, deoarece penarul lor de evacuare a creat un nor gros de regolit. deasupra ei.

Acest lucru a forțat echipajul să aleagă un nou loc de aterizare pe marginea Béla, un crater alungit la estul regiunii. LM nu a putut atinge o poziție echilibrată în acest loc și s-a înclinat înapoi cu 11 grade înainte de a se stabiliza.

Cercetările efectuate de când au avut loc aceste misiuni au condus la concluzia că ciocnirile dintre particulele de regolit au cauzat probabil împrăștierea. După cum a indicat Sarwar, aceste exemple ilustrează modul în care regolitul perturbat poate deveni un pericol, mai ales acolo unde alte nave spațiale și facilități sunt poziționate în apropiere:

„Cele două exemple de mai sus din epoca Apollo nu au fost suficient de severe pentru a pune în pericol succesul misiunii. Dar viitoarele misiuni Artemis (și CLPS) vor avea loc pe polul sud lunar, unde se presupune că solul este semnificativ mai poros/slab decât regiunile de aterizare ecuatoriale și de latitudine medie Apollo.”

„De asemenea, , se așteaptă ca aterizatoarele Artemis să livreze sarcini utile mult mai mari decât Apollo și, prin urmare, necesită mai multă forță pentru a încetini. Ca urmare, se poate produce craterizare adâncă (nevăzută în Apollo) din cauza penajelor de evacuare a rachetelor și explodează regolitul la unghiuri mult mai mari decât acelea. văzut anterior (~1-3 grade deasupra solului).”

În conformitate cu obiectivele pe termen lung ale Programului Artemis, NASA intenționează să construiască infrastructură în jurul regiunii polare de sud pentru a permite un „program susținut de explorare și dezvoltare lunară”. Aceasta include tabăra de bază Artemis, constând dintr-un habitat de suprafață de fundație, o platformă de mobilitate locuibilă, un vehicul de teren lunar (LTV) și Poarta Lunară pe orbită.

„Ca atare, protejarea oamenilor, a structurilor, sau navele spațiale din apropiere de pericolele particulelor de regolit lunar reprezintă o preocupare primordială”, a spus Sarwar.

Cercetări similare au arătat cum norii de regolit cauzați de aterizare și decolare ar putea reprezenta, de asemenea, un pericol pentru funcționarea în siguranță. a Porţii Lunare şi a orbitatorilor lunari. Aceste amenințări au condus la cercetări considerabile asupra modului în care praful lunar poate fi atenuat în timpul misiunilor viitoare. După cum sa menționat, Sarwar și Hasnain au folosit metoda sferei moale pentru a evalua riscurile prezentate de ciocnirile particule-particule:

„În această metodă, particulele adiacente li se permite să se suprapună într-o cantitate mică, care este luată în considerare. ca o măsură indirectă a deformației așteptate într-o coliziune reală particule-particule.Această valoare de suprapunere, împreună cu proprietățile materiale relevante ale regolitului lunar, este apoi utilizată într-o reprezentare cu glisor cu arc-dashpot-frecare pentru a calcula forțele în fiecare eveniment de coliziune. inelasticitatea implicată într-o coliziune variază de la complet inelastică la foarte elastică."

"Rezultatele noastre arată că ciocnirile foarte elastice între granulele de regolit relativ mari (~100 microni) determină o parte semnificativă a acestora să se ejecteze în mare măsură. unghiuri (unele pot zbura la ~90 de grade). Restul boabelor sunt, totuși, conținute într-o regiune cu unghi mic (<3 grade) de-a lungul solului - care este în linie cu foaia de regolit vizibilă observată în timpul Apollo. misiuni.”

În ceea ce privește măsurile de protecție, Sarwar și Hasnain sugerează că bermurile sau gardurile din jurul unei zone de aterizare sunt o modalitate de a atenua spray-urile de ejecta. Cu toate acestea, după cum sugerează cercetările lor, un anumit procent de particule de regolit se pot împrăștia la unghiuri mari din cauza coliziunilor, ceea ce face ca bernele sau gardurile să fie insuficiente.

„O soluție mai bună pentru viitoarele misiuni Artemis ar fi construirea unei piste de aterizare. ”, a spus Sarwar. „În acest sens, o echipă cu mai multe organizații cu personal atât din mediul academic (inclusiv Dr. Hasnain) cât și din industrie lucrează la dezvoltarea tehnicii de pulverizare cu alumină în zbor, sau platforme de aterizare FAST.”

FAST. Metoda prevede aterizatoare lunare echipate cu particule de alumină care sunt ejectate în timpul manevrelor de aterizare. Ele sunt apoi lichefiate de plumurile de motor pentru a crea aluminiu topit pe suprafața lunii, care se răcește și se solidifică pentru a crea o suprafață stabilă de aterizare. NASA a investigat, de asemenea, modul în care platformele de aterizare ar putea fi construite folosind tehnologia de sinterizare, în care regolitul este explodat cu microunde pentru a crea ceramică topită care se întărește la contactul cu spațiul.

O altă idee este construirea de platforme de aterizare cu pereți de explozie pentru a conține regolitul ejectat, pe care compania de construcții din Texas ICON l-a inclus în conceptul său de habitat Lunar Lantern.

Din păcate, investigațiile experimentale referitoare la regolitul lunar sunt foarte dificile, deoarece condițiile lunare sunt foarte diferite de cele de pe Pământ. Aceasta include gravitația mai scăzută (aproximativ 16,5% din cea a Pământului), mediul în vid și variațiile extreme de temperatură. De aceea, cercetătorii sunt forțați să se bazeze în mare măsură pe modelarea numerică, care se concentrează de obicei pe forțele penelor și ignoră în mare măsură rolul coliziunilor particulelor. Dar, după cum a remarcat Sanwar, cercetările lor oferă o perspectivă valoroasă și ilustrează de ce este important să luăm în considerare acest fenomen adesea trecut cu vederea atunci când planificați viitoarele misiuni lunare:

„[Cu toate acestea,] cercetările noastre privind coliziunile de particule au arătat că acest lucru este un fenomen foarte important de luat în considerare pentru predicția precisă a traiectoriei regolitului și, prin urmare, trebuie inclus. În acest domeniu rămân încă o mulțime de provocări, cum ar fi lipsa de cunoștințe privind coeficientul de restituire a particulelor de regolit (care determină pierderea de energie într-un coliziunea), efectele distribuției mărimii regolitului, implicațiile penelor turbulente etc.”

„Sperăm să elucidam unele dintre aceste incertitudini în viitor și să contribuim la un model PSI lunar mai cuprinzător pentru aterizări lunare Artemis mai sigure. ."

Descoperirile sunt publicate în Acta Astronautica.

(Fluierul)