ИНФОРМАЦИЯ

Условия работы ШГЗУ

1. Научные и технологические задачи

Исследование Луны имеет большое научное значение. Согласно наиболее обоснованной на сегодняшний момент теории, Луна образовалась в результате столкновения с Землей тела размером с Марс, с последующей конденсацией выброшенного из Земли материала на орбите спутника Земли. Состав Луны, таким образом, должен в большей мере отражать состав более глубоких слоев Земли, чем это известно на данный момент.

В настоящее время в связи с ростом интереса к Луне как к объекту для исследования и освоения человеком существенно возросло значение исследований лунного грунта с точки зрения его потенциального использования при осуществлении будущих пилотируемых миссий, в первую очередь – как строительного материала и производственного сырья. При осуществлении ряда автоматических лунных миссий последнего десятилетия (в частности, американских проектов LRO и LCROSS) повышенное внимание уделяется поиску лунного льда, обнаружение запасов которого позволит существенно изменить всю стратегию пилотируемого освоения Луны. В связи с этим значение миссий, позволяющих осуществлять взятие проб лунного грунта и, как минимум, их непосредственный анализ, а в идеале – и доставку на Землю, будет возрастать.

Первые образцы лунного грунта были привезены с Луны с помощью советских автоматических станций «Луна» и астронавтами – участниками экспедиций в рамках программы «Аполлон». Эти образцы детально исследовались во многих научных центрах.

 

2. Инновационные технические решения

ШГЗУ (Шагающее грунтозаборное устройство) представляет собой новый тип технического устройства для забора образцов грунта в составе автоматических межпланетных станций. Основными его преимуществами перед применявшимися до сих пор грунтозаборными манипуляторами является мобильность, автономность и возможность многократного взятия проб грунта на значительном удалении от посадочного устройства.

Кроме того, по сравнению с достаточно широко применяющимися в космической технике манипуляторами, ШГЗУ обладает существенно меньшей массой. В случае же появления возможности расширения массовых лимитов возможно дальнейшее конструктивное развитие ШГЗУ до автономной мобильной платформы, оснащенной не только устройством забора грунта, но и другой научной аппаратурой.

При проектировании ШГЗУ учитывалась идеи ходовой части, заложенные в приборе оценки проходимости (ПРОП-М) (разработка для советских миссий «Марс-2» и «Марс-3», 1971 г.). В целом ШГЗУ как робототехническое устройство в настоящее время аналогов в практической космонавтике не имеет.

В рамках требований, предъявляемых конкурсом Google Lunar X PRIZE лунный робот должен обеспечивать возможность удаления на расстояние не менее 500 метров от перелетно-посадочного модуля (ППМ) и передачу на Землю заданного объема видео- и фотоматериалов. Создаваемое в рамках проекта «Селеноход» ШГЗУ позволяет выполнять и научные задачи, что позволит расширить ранее проведенные исследования лунного грунта, описанные выше.

 

Общий вид ШГЗУ на поверхности Луны     

Основной научной задачей ШГЗУ является осуществление забора грунта с поверхности Луны на расстоянии не менее 25 метров от ППМ, его последующей доставки к ППМ и отгрузки на приемное устройство (которое предполагается разместить на ППМ). Объем одной порции грунта составляет несколько кубических сантиметров. При этом должна обеспечиваться защита доставляемых проб грунта от попадания посторонних примесей.

Первичным результатом работы ШГЗУ на поверхности Луны является взятие и доставка к ППМ для последующего анализа проб реголита с участков лунной поверхности, не подверженных воздействию истекающих газов ЖРД при посадке ППМ на Луну. Дальнейшие результаты получаются в ходе анализа состава доставленных проб на борту ППМ и обработки полученных данных.

Помимо этого, определенный научный интерес представляет изучение поведения используемых в конструкции ШГЗУ компонентов и материалов в условиях космического пространства и небесных тел с отсутствием атмосферы.

 

Взрыв-схема ШГЗУ    

 

Факторы среды и условия работы ШГЗУ на поверхности Луны

ШГЗУ предназначено для работы на поверхности Луны, условия на которой характеризуются следующими основными факторами.

Гравитация. Ускорение свободного падения на поверхности Луны составляет 1.62422 м/с2, то есть примерно 1/6 часть от ускорения свободного падения на Земле. Основным следствием из этого с точки зрения создания устройства является его предельно малый вес на лунной поверхности. Это обстоятельство влечет за собой не только низкое давление, оказываемое устройством на грунт в процессе работы, но также накладывает серьезные ограничения на величину усилий, которые возникают при взаимодействии ШГЗУ с грунтом в процессе взятия образцов и могут вызывать несанкционированное поднятие устройства или его боковой сдвиг.

Вакуум. По современным оценкам, общая масса атмосферы Луны составляет всего 10000 кг, таким образом, можно считать, что объекты, находящиеся на поверхности Луны, работают в среде глубокого вакуума. Это накладывает определенные ограничения на применение конструкционных материалов – в частности, исключается применение материалов, склонных к обезгаживанию. Другим следствием того же обстоятельства является недопустимость применения в конструкции гидравлических систем по причине утечки рабочей жидкости, а также проблема обеспечения смазки подвижных соединений.

Пыль. Поверхность Луны покрыта слоем мелкодисперсных частиц, которые при механическом воздействии образуют пылевую взвесь. Эти частицы осаживаются на поверхности (особенно, будучи наэлектризованными), могут существенно снижать КПД фотоэлектронных преобразователей и радиационных теплообменников. Кроме того, они обладают высокой абразивной способностью, потому их попадание в подвижные соединения нежелательно, однако, учитывая малый срок автономного существования ШГЗУ, это обстоятельство может и не играть критической роли.

Температурные нагрузки. Температура лунной поверхности в момент перехода от лунного дня к лунной ночи изменяется в диапазонах в среднем от 100 оС до -150 оС (от 373 до 123 К), причем изменение происходит с высокой скоростью, а границы диапазона существенно зависят от района Луны – в частности, на экваторе максимальные температуры в дневное время могут достигать 280оС (553 К).

В околополярных районах Луны, согласно данным, полученным радиометром Diviner космического аппарата LRO, минимальная температура составляет -150 оС (123 К), максимальная составляет -100 оС (173 К). На неосвещенных участках лунной поверхности в этих районах возможно снижение температуры до -248 оС (25 К).

Указанные обстоятельства требуют проведения детального теплового расчета изделия с учетом возможности работы как в «горячих», так и в «холодных» условиях.

Радиация. Поскольку у Луны практически отсутствует как атмосфера, так и магнитное поле, то объекты, функционирующие на лунной поверхности, подвергаются серьезному воздействию радиации, вызванному как солнечной активностью, так и галактическим излучением. Уровень этого воздействия существенно превышает не только земной, но даже тот, которому подвергаются конструкция искусственных спутников Земли, поскольку их орбиты находятся в области, защищенной магнитосферой Земли. Таким образом, необходим тщательный выбор компонентов бортовых систем (особенно – радиоэлектронных элементов) с точки зрения радиационной стойкости, а при необходимости – применение радиационной защиты.

Лунный рельеф и грунт. Наиболее часто встречающимся элементом лунного рельефа являются кратеры, преимущественно ударного происхождения и имеющие размеры от десятков сантиметров до нескольких сотен километров. Другой характерной чертой лунного рельефа является наличие камней и каменных гряд. Также на лунной поверхности имеются и более сложные элементы рельефа – уклоны большой протяженности, террасы, гряды, осыпи и т.д.

Анализ проб лунного грунта, доставленных с поверхности Луны, а также определение его свойств, выполненное с помощью мобильных лабораторий «Луноход-1» и «Луноход-2» позволило построить обобщенную модель грунта. Средние, наиболее типичные параметры лунного грунта в различных районах залегания приведены в таблице 1.1.

 

Показатель

Значение показателя

Коэффициент пористости

>1.3

1.3…1.0

1.0…1.9

0.9…0.8

<0.8

Несущая способность, кПа

<7

7…25

25…36

36…55

>55

Сцепление, кПа

<1.3

1.3…2.5

2.5…3.2

3.2…4

>4

Угол внутреннего трения, град

<10

10…15

15…18

18…22

>22

Относительная частота распространения

-

0.25

0.3

0.3

0.15

Характерные участки на поверхности Луны

Отдельные бугорки и небольшие гряды из мелкозернистого материала

На бровке свежих кратеров небольшого размера, на

На элементах сильно эродированных кратеров

Межкратерное пространство

В местах с малой глубиной переработанного грунта. Камневидные образования, отдельные камни.


Таблица 1.1. Основные физико-механические свойства лунного грунта в естественном залегании