Люди на Луне

Чтобы определить состояние поверхности под лунным модулем, в исследовательском центре NASA в Лэнгли проводили натурные испытания на различных типах грунтов. И практически каждый земной грунт – пыль, песок, гравий – показал кратер под имитатором работающего ракетного двигателя.

Вопреки испытаниям и ожиданиям ни под одним лунным модулем не появилось сколь-нибудь заметного углубления.

Мифы о рыхлом реголите, в котором может утонуть садящийся космический аппарат, были разрушены еще 3 февраля 1966 года, когда прилунилась советская автоматическая межпланетная станция «Луна-9». Тогда удалось установить, что Луна твердая, и в дальнейшем это многократно подтвердилось.

Съемка камеры спускаемого аппарата Chang'e 3. CNSA/CLEP

Спускаемые аппараты «Луна-17» (вверху), Chang'e 3, Chang'e 4 (второй ряд), Apollo 14 (нижний ряд). Во всех случая нет запыленности корпуса после посадки, нет кратера от воздействия ракетной струи на поверхность и видны детали в лунной тени. ГЕОХИ/Роскосмос, CNSA/CLEP, NASA

На Земле вертолеты успешно приземляются и взлетают в пустынях, не выкапывая под собой кратер в песке, даже если весят больше лунного модуля. Если же говорить о Луне, то у нас есть наглядный пример в виде советских станций «Луна-17» и «Луна-21», которыми доставлялись советские луноходы. И есть китайские Chang'e 3 и Chang'e 4. Во всех четырех случаях никакого заметного кратера под космическими аппаратами не возникало.

Советские тяжелые аппараты «Луна» (серии Е-8) отключали маршевый двигатель на высоте около 20 м, а завершалась посадка на двигателях малой тяги, поэтому они не очень подходят для сравнения с Apollo.

Посадка китайских спускаемых аппаратов Chang'e 3 и Chang'e 4 имеет больше сходства, хотя масса и тяга двигателя перед посадкой у китайских аппаратов и американских отличаются в несколько раз. Chang'e 3 имел посадочную массу около 1,4 т и маршевый двигатель тягой около 210 кг. Лунный модуль Apollo имел посадочную массу около 7,2 т и садился на тяге около 1000 кг. Несмотря на это, никаких заметных различий в последствиях воздействия ракетной струи на грунт мы не увидим.

Отсутствие кратера под прилунившимся кораблем объясняется несколькими факторами:

● невысокой длительностью воздействия струи на грунт;

● свойствами лунной пыли в вакууме;

● свойствами распространения ракетной струи в вакууме.

Длительность воздействия ракетного двигателя LMDE (Lunar Module Descent Engine) на грунт в месте посадки незначительна по времени – до 10 секунд в точке касания поверхности. До этого времени корабли сохраняли горизонтальную скорость и постоянно смещались.

Давление газа ракетной струи на грунт не такое большое, как может показаться. Максимальное давление в камере сгорания спускаемой ступени лунного модуля составляло 8 кг на кв. см. Однако двигатель LMDE обладал возможностью дросселирования, т. е. уменьшения тяги, и режим самой малой тяги был именно у поверхности. Согласно данным производителя, тяга двигателя у поверхности при посадке составляла не более 25 % от максимальной.

График работы двигателя первой ступени лунного модуля (LMDE). NASA

После выхода из сопла газы продолжают расширение, причем не только вниз, но и в стороны под углом примерно 45 градусов, поэтому и давление на поверхность снижается еще больше. Газ распространяется в вакууме, что отличает его работу от наземных испытаний. Непосредственно к поверхности сопло прижималось в последние секунды посадки, а до того момента находилось выше и в горизонтальном движении. Поэтому на каждом месте посадки с одной стороны «вылизанная» ракетным двигателем поверхность, а с другой – с которой находился выход из корабля – оставшийся рыхлый слой. Расход топлива на финальном этапе посадки составлял около 3 кг в секунду, т. е. за 10 секунд двигатель выбрасывал около 30 кг, и этого количества топлива, даже летящего на скорости 3 км/с, не хватило бы, чтобы выкопать глубокий кратер и разбросать реголит.

По моей просьбе разработчик ракетных двигателей Елисей Маслов произвел примерные расчеты, которые позволяют оценить степень воздействия ракетной струи на лунный грунт.

При плотности среды 0,6 г на куб. м и скорости потока 72 м/с газы дадут ветровую нагрузку, аналогичную земному ветру скоростью 0,036 м/с, что совершенно незначительно.

Как видно по следам астронавтов, достаточно рыхлый грунт располагается только у самой поверхности Луны. Чуть ниже он уже настолько плотный, что сапоги астронавтов не погружались в реголит глубже нескольких сантиметров, за исключением более рыхлых бортов метеоритных кратеров. В тех местах, где верхний слой пыли оказался удален ракетными газами, люди оставляли едва заметные следы. Некоторые опоры лунного модуля вообще не погружались ни на сантиметр – на тех участках, где наиболее интенсивно прошлась струя газа.

Расчет произведен Елисеем Масловым

Почему следы людей, оставленные в реголите, такие резкие?