Луна снова становится объектом активного освоения. NASA развивает программу Artemis, Китай планирует собственную лунную исследовательскую станцию, а частные компании уже начинают доставлять на поверхность оборудование и научные приборы. Но в отличие от лунной гонки XX века, сегодня речь идёт не только о политическом престиже. Луна постепенно рассматривается как место для создания новой инфраструктуры и использования местных ресурсов.
Лунные программы США и Китая больше не предполагают одну или несколько отдельных посадок. Они рассчитаны на длительное присутствие на Луне, строительство инфраструктуры и десятки запусков, которые потребуют доставки большого количества грузов на поверхность спутника.
Для этого придётся регулярно сажать множество аппаратов в одних и тех же районах. На первый взгляд кажется, что главная проблема в доставке аппарата на Луну. Однако сама посадка создает отдельный набор инженерных проблем.
Вот вам список проблем[1], которые ожидают посадочный модуль на Луне:
Первая — лунная пыль и камни. При посадке от реактивной струи двигателя разлетается пылевое облако, которое засоряет датчики, стыки, шарниры, оседает на солнечных панелях и радиаторах. И, что хуже, разлетающиеся камни в безатмосферной среде разгоняются до скоростей от десятков до тысяч метров в секунду в зависимости от размера, летят по прямым траекториям и способны повредить всё на своём пути. При посадке в непосредственной близости от лунной базы пыль может повлиять на эффективность работы ее компонентов, а камни могут напрямую их повредить.
Вторая проблема — кратер от посадки, также создаваемый реактивным потоком. Это небольшая проблема, если посадочный модуль легкий, соответственно, тяга его двигателей при посадке слабая. Но когда надо посадить крупный аппарат, количество грунта, что вытесняет из под него реактивная струя становится весомым. Это делает поверхность менее пригодной для посадки изначально, а для повторной на тоже место — тем более.
Третья проблема напрямую связана с первой — естественная неровность лунного ландшафта. Для небольших посадочных модулей она не столь критична, но для крупных и особенно высоких аппаратов, таких как Starship, становится принципиальной. Небольшая площадь опоры в сочетании с высоким центром тяжести делает его более неустойчивым. Ему нужна достаточно ровная площадка, чтобы ни одна из опор не оказалась в яме и не нарушила ориентацию всего аппарата.
Раз проблемы ясны, логично предположить, что должны быть и какие-то решения. Давайте разберемся, кто уже занимается вопросом и насколько далеко они продвинулись?
Какие решения уже предлагают по созданию посадочных площадок?
Самый очевидный и простой подход для создания ровной поверхности — это уплотнение грунта[2]. Доставить на Луну экскаваторы, которые смогут разровнять территорию, а после уплотнить её, — задача хоть и сложная, но теоретически решаемая.
Однако это не решит проблему поднимающейся пыли, разлетающихся камней и возникающей под аппаратом воронки непосредственно во время посадки. Поэтому компания Redwire предложила[3] помимо разравнивания и уплотнения грунта добавить ещё один этап — микроволновое спекание[4]. Для каждого из этих процессов они предлагают использовать специальные приборы на луноходе.
Похожую концепцию рассматривает еще европейское космическое агентство (ESA), но вместо микроволн они хотят использовать концентрированный солнечный свет[5]. Это уменьшает энергетические затраты на месте, но усложняет логистику. Доставка достаточно большой линзы Френеля для эффективного спекания — это сложная логистическая задача.
Следующий подход, предложенный компанией ICON, куда сложнее. Они хотят доставить на Луну роботизированную установку, которая сможет плавить реголит, а после печатать из него площадку необходимой формы[6]. На первый взгляд это может показаться избыточным по сравнению с предыдущими подходами. Однако, чтобы говорить об этом наверняка, надо понять: какие проблемы предыдущих подходов может решить идея ICON?
Почему всё не так просто?
Простая ровная поверхность для посадки уже делает процесс более безопасным и контролируемым. Однако такая поверхность выполнена из спеченного реголита, поэтому необходимо учитывать свойства этого материала.
Одно из них — хрупкость. Под воздействием высокой температуры и механических нагрузок спечённый реголит может растрескиваться. Реактивная струя способна разрушать поверхность, а нагрузка от самого аппарата при посадке — создавать дополнительные трещины. При этом острые осколки не остаются лежать на месте: та же реактивная струя разбрасывает их в стороны, создавая такую же угрозу, которую до спекания представляли камни и пыль. Масштаб проблемы меньше, но сама проблема остаётся. Кроме того, такие разрушения постепенно меняют форму посадочной площадки, а значит, после каждой посадки её потребуется восстанавливать.
Можно попробовать решить эту проблему, создав композит на основе реголита и добавив в него компонент, повышающий термическую и структурную устойчивость[7]. Но для этого необходимо учитывать химическую совместимость используемого материала с газами реактивной струи, чтобы избежать ещё и химического разрушения поверхности[8].
Вместе с тем даже спекание определённой площади не превращает её в изолированную от окружающей среды поверхность. Лунная пыль под действием электростатических сил перемещается по поверхности Луны и постепенно оседает на посадочной площадке[9] (мы обсуждали это странное явление более подробно тут). Во время следующей посадки реактивная струя снова поднимет этот слой и разнесёт его в стороны, загрязняя оборудование.
Раз твёрдая и ровная площадка не решает проблему разлета пыли и камней в полной мере, возникает вопрос: как тогда вообще должна выглядеть оптимальная посадочная площадка?
Какой может быть посадочная площадка?
Как уже упоминалось выше, реголит хрупок. Это проблема не формы площадки, а самого материала, потому ее надо решать в первую очередь. Необходимо либо создавать композиты на его основе с импортируемыми земными материалами, либо максимально оптимизировать обслуживание и эргономику площадки, чтобы ее постепенное разрушение не было проблемой.
Проще всего упростить обслуживание, если площадка не монолитна, а состоит из множества стандартизированных блоков, которые по мере разрушения можно заменять. Исследователи предполагают, что наиболее оптимальным может быть вариант печати или спекания шестиугольной плитки для этих целей[10].
Далее можно вспомнить уже о том, что именно оказывает разрушающее воздействие — о реактивном потоке перегретых газов из двигателя. Можно ли как-то смягчить их воздействие на площадку?
Для этого используются специальные дефлекторы[11], которые рассекают единый поток, распределяя его по площади. Но сами дефлекторы тоже испытывают значительную нагрузку и со временем будут разрушаться. Поэтому дефлектор, вероятно, имеет смысл изготавливать из импортируемого с Земли материала. Таким образом мы можем подобрать материал для его изготовления так, чтобы минимизировать разрушение детали, защищая тем самым окружение посадочной площадки от возможных осколков.
Однако, даже при распределенном потоке, воздействие реактивной струи все еще весьма разрушительное и может приводить к разрушению поверхности и последующему разбрасыванию осколков. Избежать этого мы не можем, но зато можем возвести вокруг посадочной площадки защитные барьеры[12], которые примут удар на себя. Чем выше эти барьеры и чем ближе они расположены к месту посадки, тем эффективнее они будут ограничивать распространение выбрасываемого реголита.
Таким образом можно без излишнего усложнения конструкции сделать более надежную посадочную площадку с минимальным использованием импортных материалов. Подобный подход все еще не обязательно требует сложные установки 3D печати из лунного реголита. Плитка стандартизирована и может иметь простую форму, барьеры — тоже, дефлектор может быть привозным.
У такого подхода есть обратная сторона: для производства и обслуживания плиток, дефлекторов и барьеров потребуется несколько типов оборудования.
ICON же предлагает другой компромисс — заменить их одной роботизированной установкой 3D печати. И вместе с тем эта установка позволяет работать с куда более сложными формами. Какие возможности это нам дает?
Во-первых, с помощью специальных каналов и сеток можно довольно точно контролировать направление и распределение выхлопного потока[13]. И, что важно, контролируя поток мы контролируем вместе с тем и то, что он направляет — пыль и осколки.
В такой конструкции ракета садится на верхнюю решетку. Она держит посадочный модуль сверху, а пламя проходит сквозь решетку, направляемое ею в нужном направлении внутрь системы. Уже там, внутри, множественные дефлекторы и диффузоры постепенно гасят импульс, по итогу выбрасывая всю пыль и осколки в конкретном, изначально заданном направлении.
Эта схема может выглядеть красиво, но давайте зададим себе другой вопрос. А что, если попытаться решить проблему не на уровне архитектуры самой посадочной площадки, а на уровне ракеты?
Если проблема заключается в реактивной струе, которая непосредственно воздействует на площадку и разрушает её, возможно, стоит изменить сам способ посадки? Такое решение предложили инженеры SpaceX при разработке лунной версии Starship HLS для миссий NASA Artemis. В предлагаемой архитектуре Starship HLS при посадке на Луну тяга создаётся не основными двигателями в нижней части корабля, а отдельными двигателями, расположенными выше. Благодаря большему расстоянию до поверхности реактивная струя успевает частично расшириться и рассеяться, снижая воздействие на грунт.
Это не решает проблему пыли и камней, даже такой поток будет поднимать их в условиях слабой лунной гравитации. Однако подобный подход помогает избежать разрушения посадочной площадки, исключая необходимость затрат на обслуживание. В случае расположения основной лунной базы за естественной или искусственной возвышенностью/перегородкой, которая могла бы отсекать поток пыли и осколков, при такой конфигурации может быть вполне достаточно и максимально простой площадки из монолитно спеченного реголита.
Посадочная площадка — сложная система
Получается, лунная посадочная площадка — это не просто ровная поверхность, а сложная инженерная система. Она должна быть выполнена из местных материалов, учитывать их особенности и одновременно защищать окружающую инфраструктуру от воздействия реактивной струи и разлетающихся частиц.
При этом разные подходы лишь по-разному распределяют сложность между самой площадкой и посадочным модулем. В одном случае потребуется сложная конструкция, способная выдерживать многократные посадки, в другом — изменение архитектуры аппарата и более масштабная система защиты вокруг площадки.
Поэтому вопрос уже не в том, нужна ли Луне посадочная площадка. Вопрос в том, какой уровень сложности такой системы окажется оправданным для первых постоянных лунных баз.
