Исследование и использование лавовых туннелей в перспективных лунных миссиях (Часть 1)⁠⁠

Б.И. Крючков, И.Н. Куликов, Б.В. Бурдин

Докт. техн. наук Б.И. Крючков; канд. воен. наук, доцент И.Н. Куликов; канд. техн. наук, с.н.с. Б.В. Бурдин (ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина»)

В настоящей статье представлены подходы к исследованию и использованию человеком таких уникальных природных образований, которыми являются лунные лавовые туннели. Важнейшей прикладной технологией, предлагаемой к применению на этапах проектирования, строительства и эксплуатации лунных баз является лазерное сканирование. Возможности современных лидарных систем позволяют получать пространственные данные об объектах и образованиях на поверхности других планет с высокой точностью и оперативностью. Рассмотрены вопросы практического применения подвижных и стационарных сканирующих лазерных систем при

исследовании лунных лавовых туннелей.

Актуальными событиями, характеризующими современный этап развития крупных космических держав, являются непосредственная подготовка к проведению полетов по освоению Луны, Марса и других космических тел, в том числе, малых планет Солнечной системы, а также изучение их поверхности автоматическими аппаратами, включая планетоходы, с целью организации активной напланетной деятельности человека.

Подтверждением этому являются успешное функционирование марсоходов Curiosity и Perseverance (Национальное управления по аэронавтике и исследованию космического пространства – NASA), Zhurong / Tianwen-1 (Китайская аэрокосмическая научно-техническая корпорация), лунные проекты Китая – Chang’e, США – VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover) в составе программы Artemis, Индии – Chandrayaan, а также отечественные – «Луна – 25; 26; 27; 28; 29 и 30» в составе лунной программы Российской Федерации.

Основные способы исследований и организации деятельности на Луне

Как показывает общий анализ обозначенных выше национальных исследовательских программ Луны, основными этапами освоения других планет являются:

1) проведение напланетных исследований с помощью низкоорбитальных космических станций и автоматических планетоходов (универсальных и специализированных);

2) выполнение беспилотных миссий транспортных космических кораблей на орбиту осваиваемой планеты;

3) проведение пилотируемых миссий для создания долговременных орбитальных космических станций;

4) посадка космонавтов на поверхность планеты с использованием лунного взлетно посадочного комплекса (ЛВПК) и проведение подготовительной деятельности по ее освоению;

5) строительство и эксплуатация стационарных лунных баз в интересах проведения регулярных научных исследований и освоения ресурсов планеты.

Вариант дорожной карты обеспечения реализации лунной программы РФ.

Наименее исследованными и более сложными объективно являются этапы деятельности, связанной с участием в ней человека и непосредственным проведением работ на поверхности других планет.

Прежде всего, эти периоды характеризуются специфическими условиями пребывания на планете (радиационная опасность, аномальные температуры, гравитация и пр.) и ограниченными возможностями человеческого организма. Другим важным фактором является необходимость организации именно долговременной деятельности человека, что определяется созданием и оборудованием мест труда и отдыха космонавтов. А это, в свою очередь, требует проведения большого комплекса работ, связанных с инженерными изысканиями, проектированием и строительством первых лунных (марсианских) баз, а также отработкой технологии их развития и эффективной эксплуатации.

В настоящее время разработаны следующие основные методы организации лунных баз:

I. Применение в качестве узловых элементов базы посадочных (орбитальных) космических модулей.

II. Строительство (монтаж) напланетной базы на основе доставляемых на поверхность Луны специальных легкосборных конструкций, предварительно разработанных и изготовленных на ее орбите или на Земле.

III. Сооружение лунной базы с использованием строительных материалов добываемых (производимых) непосредственно на поверхности планеты.

IV. Использование в части главных или вспомогательных конструктивных элементов базы естественных укрытий, образованных на поверхности исследуемой планеты в ходе вулканических, тектонических, атмосферно-гидрологических и иных видов воздействий, включая метеоритные (пещер, лавовых труб, разломов, каньонов, колодцев, каверн, ударных воронок и др.).

I. Организация лунной деятельности на базе посадочного модуля

II. Сооружения из легкосборных конструкций на основе углеволокна

III. Устройство конструкций базы из искусственных реголитовых блоков

Оценивая практическую реализуемость представленных выше методов организации напланетных баз, необходимо указать следующее:

а) развертывание системы базирования на основе посадочных космических модулей является наиболее простым и малозатратным, однако обладает низкими показателями эффективности в связи с объективно ограниченным потенциалом космических станций по объемам рабочей площади, запасу ресурсов, энергетическим возможностям и общей функциональности; показатели оперативности и мобильности при реализации метода I наиболее высокие (станция может начинать работу сразу после посадки, существует возможность изменения ее исходного местоположения);

б) реализация методов II и III потребует доставки на поверхность других планет большого количества специальных материалов, строительных машин и механизмов, а также участия значительного количества профильных специалистов. Это, в свою очередь, вызовет необходимость использования многоразовых полетов большегрузных транспортных космических кораблей, что является очень затратным и повлечет серьезное усложнение организации работ, а также необходимость применения, помимо человека, роботизированной техники различного типа; показатели оперативности и мобильности при реализации данных методов строительства стационарной базы наиболее низкие (время начала работы базы обусловлено доставкой и использованием большого объема материалов и разновидовых ресурсов), мобильность для метода II – минимальная, а для метода III – отсутствует;

в) использование в качестве основных элементов базы естественных

укрытий на поверхности Луны оценочно является наименее затратным и высокооперативным, однако потребует осуществления определенного комплекса предварительных изыскательских работ, проводимых, в том числе, с помощью автоматических роботизированных поисково-инженерных систем и (или) непосредственно космонавтами.

Что такое «лавовые туннели», их характеристики и применимость для размещения обитаемых модулей лунных баз.

Последние два десятилетия применения космических исследовательских аппаратов на орбитах планет Солнечной системы ознаменованы открытием под их поверхностью большого числа уникальных геологических образований, каковыми являются лавовые туннели и пещеры. В настоящее время подповерхностные пустоты идентифицированы на Луне и Марсе, а также подтверждены на Венере, Фобосе, Эросе, Гаспре, Иде, Энцеладе и Европе.

Лaвoвaя тpубa Skуlight нa Mapce. Для cpaвнeния pядoм Boeing 747. Фoтo: NASA

В общем случае, на сегодняшний день открыто, описано и удаленно исследуются более сотни различных геологических пустот, имеющих выход на поверхности различных планет Солнечной системы и обладающих потенциальной возможностью непосредственного проведения в них предварительных геодезических, геологических, экологических и других видов специальных инженерных изысканий.

Наиболее актуальная информация о Луне доставляется с помощью космического аппарата Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) – автоматической межпланетной станции, ведущей непрерывный мониторинг поверхности данной планеты с 2009 года.

Фото характерного геологического провала на поверхности Луны (автоматическая межпланетная станция NASA Lunar Reconnaissance Orbiter).

С большой вероятностью предполагается, что это может быть входом в протяженную систему туннелей, существующих под поверхностью Луны, и речь идет о так называемых «лавовых трубках», которые в большом количестве изучаются и исследуются и на Земле. Изучением данного «провала» сейчас занимаются эксперты Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США. Как отметили там, его диаметр составляет около 100 м.

Характеристика процесса образования лавовых труб

Как показывают исследования на Земле, лавовые трубки могут достигать 14–15 метров в ширину и находиться на глубине от 1 до 15 метров под поверхностью. При этом, общая длина участков лавовых трубок может быть очень большой и иногда достигает километра.

Лавовая труба Манджанггул – остров Чеджу, Южная Корея. (Gary Cycles)

Лавовая труба в Национальном заповеднике Мохаве в округе Сан-Бернандиньо, Калифорния, США. (Chazz Layne)

Учитывая, что протяженность лавовых трубок измеряется от десятков до сотен метров и более, а толщина покрывающего слоя может достигать 10 м, внутренние пространства этих лавовых трубок могут стать естественным укрытием от проникающей радиации, экстремальных температур и метеоритных ударов, а также значительно упростить систему поддержания климата. Так на поверхности естественного спутника Земли температура регулярно изменяется от −150 °C до +100 °C, а на Марсе перепад температур может составлять около 70 °C и более. В это время в лавовых трубках Луны уже в паре метров от ее поверхности круглосуточно и круглогодично царит температура в 30 градусов ниже нуля по Цельсию. По данным ряда ученых, среда в лавовой полости лишена пыли. Это также поможет решить одну из серьезнейших проблем освоения Луны.

Еще одним важным фактором является вероятное нахождение в лунных лавовых туннелях большого количества отложений в виде водяного и углекислого льда, либо породы, содержащей указанные вещества в большой концентрации. А это значит, что люди, пребывающие в указанных условиях, могут быть обеспечены водой и полезным минеральным сырьем, которое вероятно использовать для получения метана. Таким образом, и воду, и ракетное топливо, и окислитель можно будет получать на Луне в местах относительно безопасных для длительного нахождения человека.

Важным отрицательным фактором постоянного проживания в лавовых туннелях является недостаточное количество естественного освещения (солнечного света). Этот фактор представляет существенную проблему и при проведении инженерного обследования указанных геологических объектов в условиях планетарной ночи.

Часть 2

Фрагмент статьи из журнала Пилотируемые полеты в космос № 4(41)/2021 - 1(42)/2022