Земля – космос – Луна - Самарий Наумович Минчин

Естественно, что наибольший интерес представляют спутники Юпитера и Сатурна, так как изучение этих планет пилотируемыми аппаратами будет, очевидно, включать в себя посадку на их спутники. Посадка на эти планеты затруднена значительной силой тяжести у их поверхности (на Юпитере она в 2,5 раза превышает земную), а может быть и вообще неосуществима – если Юпитер и Сатурн не имеют твердой поверхности.

ПЛОТНОСТЬ, СОСТАВ И РАДИАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПОРОД ЛУНЫ

Непосредственное определение плотности и механической прочности наружного слоя лунного грунта было впервые произведено приборами, доставленными на поверхность Луны автоматической станцией «Луна-13».

В состав научной аппаратуры станции, в частности, входили: радиационный плотномер, механический штамп-грунтомер и динамограф, регистрирующий величину и длительность динамической перегрузки (действующей на станцию в момент прилунения).

После посадки станции и открытия лепестковых антенн специальные механизмы, выполненные в виде разворачивающихся многозвенников, выносят приборы в различные стороны на расстояние около 1,5 метра от станции (рис. 53). Кинематика механизмов построена таким образом, что чувствительная часть аппаратуры достаточно плотно прилегает к поверхности лунного грунта.

Плотность наружного слоя лунных пород (толщиной порядка 15 сантиметров) определялась с помощью радиационного гамма-плотномера, датчик которого располагался на выносной части, а электронный блок, обрабатывающий информацию от датчика, – в корпусе станции.

Конструкция выносной части радиационного плотномера показана на рис. 54; его датчик представляет собой плоский корпус размерами 25,8X4,8X1 сантиметр с боковыми сегментами, обеспечивающими его ориентацию на лунной поверхности.

Рис. 53. Автоматическая станция «Луна-13» в рабочем положении:

1 – лепестковые антенны; 2 – грунтомер-пенетрометр; 3 – механизм выноса приборов; 4 – телевизионная камера; 5 – штыревые антенны; 6 – радиационный плотномер

В корпусе датчика размещен радиоактивный изотоп цезия, излучающий гамма-кванты; в результате поглощения и рассеивания гамма-квантов веществом лунных пород часть их возвращается к поверхности грунта и регистрируется счетчиками. В целях уменьшения погрешности, связанной с неровностью лунной поверхности, для обработки используются осредненные значения измерений, выполненных тремя независимыми счетчиками датчика.

Для исключения прямого попадания гамма-квантов от изотопа к счетчикам между ними установлен свинцовый экран.

Достаточно полная независимость определения плотности лунных пород от их химического состава была достигнута следующим образом. При облучении вещества гамма-квантами происходят три физических процесса: фотоэффект, образование пар электрон – позитрон (при которых наблюдается полное исчезновение гамма-квантов) и комптон-эффект, сопровождающийся рассеянием гамма-квантов и изменением направления их движения. Используя гамма-кванты с энергией 0,5 – 3 мегаэлектронвольт, приводящей в основном к комптон-эффекту, сечение которого пропорционально атомному номеру и обратно пропорционально массе элемента, получают зависимость плотности исследуемого вещества от зарегистрированной интенсивности рассеянного излучения; так как упомянутое отношение практически неизменно для большинства элементов горных пород и грунтов, близких к лунным, то результаты измерений плотности имеют высокую достоверность.

Рис. 54. Датчик радиационного плотномера:

1 – корпус датчика; 2 – боковые сегменты; 3 – надстройка для крепления к выносном/ механизму

Величина плотности лунного грунта определялась совместно с привлечением результатов измерений механическим грунтомером станции «Луна-13» (см. ниже).

Механическая прочность поверхностного слоя лунного грунта замерялась (станцией «Луна-13») с помощью грунтомера-пенетрометра, общий вид которого показан на рис. 55.

Нижний конец пластмассового корпуса грунтомера имеет кольцевой штамп (диаметром 12 сантиметров), который опирается на лунную поверхность; в центральной части штампа размещен титановый индентор диаметром 3,5 сантиметра, переходящий в заостренный конус. Индентор, совмещенный с корпусом реактивного порохового двигателя со средней силой тяги около 6,5 килограмма, служит основной рабочей частью грунтомера.

Непосредственно после срабатывания выносного механизма и отсчета нулевого положения индентора включается реактивный двигатель, и индентор углубляется в грунт до 5 сантиметров в зависимости от его механической прочности. При перемещении индентора относительно корпуса прибора и закрепленного на нем потенциометра меняется соотношение плеч потенциометра и соответственно напряжение на его выходных контактах. Измерительная система конструкции грунтомера обеспечивает измерение перемещения индентора с точностью до 0,3 миллиметра.

Рис. 55. Грунтомер-пенетро-метр:

1 – корпус; 2 – крышка корпуса; 3 – потенциометр; 4 – кольцевой штамп; 5 – индентор (в крайнем нижнем положении)

Обработка материалов телеметрии показала, что после срабатывания порохового двигателя индентор выдви. нулся на величину 4,5 сантиметра и примерно в течение суток сохранял это положение, после чего указанное расстояние уменьшилось на несколько миллиметров – очевидно в результате температурных деформаций выносного механизма.

Наземная тарировка грунтомера-пенетрометра и радиационного плотномера станции «Луна-13» производилась главным образом на пористых и рыхлых образцах малого удельного веса.

Для оценки степени точности и достоверности измерений плотности и механической прочности лунного грунта аппаратурой автоматической станции «Луна-13» предварительно, в наземных условиях, был произведен учет воздействия различных физических факторов. К этим факторам относились: отличие (от земных значений) ускорения силы тяжести, величины разреженности атмосферы, статических и динамических нагрузок, неровностей лунной поверхности и др.

В связи с этим были особо обработаны материалы панорамных съемок станции «Луна-9»; соответственно тарировки приборов станции «Луна-13» производились на ровной и неровной поверхностях образцов, при атмосферном давлении ив вакууме, при наземном значении силы тяжести и ее величине для лунной поверхности (на самолетах с участками движения по специальной траектории). В тарировке радиационного плотномера был учтен также фон радиации лунной поверхности, замеренный аппаратурой станции «Луна-13».

В итоге совместного рассмотрения материалов измерений, полученных грунтомером-пенетрометром и радиационным плотномером, можно утверждать, что в месте посадки автоматической станции «Луна-13» поверхностный слой представляет собой пористый зернистый минеральный материал, слабо связанный в местах контакта зерен; объемная плотность лунного грунта у поверхности составляет (с вероятностью 70 – 80 процентов) около 0,8 грамма в кубическом сантиметре, т. е. несколько меньше чем у воды.

Близкие параметры микроструктуры поверхностного слоя получены и аппаратами «Сервейер» (прямые измерения плотности не производились).

Несущая способность лунного грунта, по данным станции «Луна-13», в месте ее посадки оказалась равной 0,68 килограмма силы на квадратный сантиметр, удельное сцепление – 0,005 грамма силы на кубический сантиметр и угол внутреннего трения составил 33 градуса.

Физические свойства поверхностных лунных пород исследовались также пятью аппаратами типа «Сервейер» с помощью механического манипулятора, магнитов и по динамике соударения опор аппарата с лунным грунтом; кроме того, было передано большое количество отдельных телевизионных изображений с поверхности Луны.

На рис. 56 показан лунный грунт, высыпанный манипулятором аппарата «Сервейер-3» на его опорную подушку; на снимке хорошо видна зернистая структура и некоторая связанность грунта (траншейки, вырытые манипулятором, имеют четко прослеживаемые вертикальные стенки);