Исследование и использование лавовых туннелей в перспективных лунных миссиях (Часть 2)⁠⁠

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.

Методы обследования лавовых лунных туннелей

Современный уровень развития методов инженерно-геодезических изысканий, применимых для исследования сложных пространственно-геологических образований, каковыми являются лавовые туннели, предполагает комплексное использования ряда технологий. С одной стороны, они объективно являются инновационными, а с другой – их прототипы уже достаточно проработаны на Земле в различных географических, природно-климатических и конкретных объектовых условиях. В определенной части данные технологии также реализованы в составе программно-аппаратных комплексов современных исследовательских спутников и планетоходов.

В качестве основных инженерных технологий следует указать:

1) Фотовидеосъемку (в том числе стереоскопическую) в оптическом диапазоне при наличии заданной освещенности объектов;

2) наземное (НЛС), воздушное (ВЛС) и мобильное (МЛС) лазерное сканирование;

3) георадарное сканирование (ГС);

4) инфракрасную (мультиспектральную) съемку;

5) ультрафиолетовую съемку;

6) СВЧ-радиометрию и др.

Применение георадаров на Луне для поиска и картографирования геологических пустот под ее поверхностью

В настоящее время в ряде стран на территории специальных полигонов, имитирующих лунную поверхность, проводятся натурные эксперименты по исследованию лавовых туннелей и пещер. Отработке при этом подлежат как сами технологии, так и способы повышения эффективности их будущего комплексного напланетного применения.

Этапность осуществления лунных исследовательских миссий

Следует указать, что главной инженерной технологией, помимо традиционных и универсальных – видеосъемки и фотографирования, представляющих большую часть информации об объектах мониторинга как на Земле, так и на Луне, является лазерное сканирование. Это инновационный метод активных измерений, получающий все большее признание в различных сферах человеческой деятельности, будь то инженерные изыскания в строительстве, неразрушающий пространственно-технический контроль сложных инфраструктурных объектов, беспилотный транспорт или военное дело. Лидар как основа лазерных сканирующих систем (ЛСС), получающих уникальные высокоточные цифровые пространственные данные, находит современную реализацию в гражданской, военной, космической и иных областях.

Использование лазерного сканера в космическом варианте носимого оборудования.

Групповой спуск в лунный лавовый туннель, ранее обследованный роботом

Идеология миссии и все расчеты, приведенные в современных документах космической отрасли, строятся на необходимости создания и использования в целях обеспечения лунных и окололунных объектов средствами навигации и связи, разрабатываемой глобальной лунной системы спутниковой навигации и связи (ЛССНС). Она должна стать окололунной спутниковой системой, предназначенной для обеспечения всех лунных и окололунных потребителей данными, используемыми для решения вопросов высокоточной космической и напланетной навигации, ориентации космических кораблей, их сближения и посадки, а также непрерывной двухсторонней командной, голосовой и телевизионной связи. ЛССНС создается на базе существующих систем ГЛОНАСС, GPS, Галилео и BeiDou, представляющих собой навигационную инфраструктуру системы. ЛССНС состоит из 12 малых спутников, устанавливаемых на орбитах в двух взаимоортогональных плоскостях с наклонением 90º и радиусом 6000 км.

Вариант построения ЛССНС на базе существующих навигационных систем ГЛОНАСС, GPS, Галилео и BeiDou

Учитывая большой срок и высокую стоимость разработки указанных систем, предлагается использовать свойства лидарных технологий для создания предварительных условий начала изыскательских работ на Луне на основе местных локальных координатных систем. Применение ЛСС и базовых методов традиционной геодезии совместно с астрономической геодезией могут позволить гарантированно обеспечить деятельность лунной миссии до этапа развертывания ЛССНС, а также стать резервной напланетной навигационной системой в случае отказа глобальной ЛССНС.

Лазерная съемка главного входа в лунный лавовый туннель

Подводя итог вышесказанному, можно констатировать, что инструментарий лидарных технологий, объединяющий возможности получения и представления данных о лунной поверхности и объектов на ней, позволяет решать весь класс задач, стоящих перед изыскателями при проектировании, строительстве и эксплуатации различных инженерных сооружений как на земле, так и на других планетах вне зависимости от масштабов и сложности работ:

• выполнение комплекса пространственных измерений (геодезических работ), необходимых для составления и сопровождения проекта по строительству;

• определение на местности положения основных осей и границ сооружений, а также других их характерных точек в соответствии с проектами строительства;

• обеспечение геометрических форм и размеров элементов объектов, зданий и сооружений на местности в соответствии с его проектом в процессе строительства;

• обеспечение геометрических условий установки и наладки специального оборудования;

• установление отклонений элементов сооруженного объекта от его проекта;

• изучение деформаций основания и тела сооружения, происходящих под действием различных нагрузок, под влиянием внешних факторов и деятельности человека;

• определение расположения на поверхности планеты (или в ее недрах) отдельных объектов, элементов и характеристик, представляющих интерес для исследователей.

Временный экспедиционный лагерь для пребывания внутри лавовой трубы

Футуристический проект стационарной космической базы – сложного распределенного инженерного инфраструктурного объекта

Проблема получения и представления пространственной метрической информации о лунных лавовых туннелях, пещерах и иных образованиях с заданной точностью и детальностью на основе технологии лазерного сканирования во всех случаях решается посредством разработки 3D-модели объекта (местности).

Пространственная модель лавовой трубы, полученная объединением сканов

Для современного инженера-исследователя это, прежде всего, предоставление следующих возможностей:

• трехмерное представление объективно более наглядно для любого пользователя-проектировщика, строителя, оператора и др.;

• наличие третьего измерения в виде координаты, а не атрибута, позволяет значительно расширить спектр и уровень автоматизации решаемых задач;

• детальность получаемой ЛСС информации настолько высока, что позволяет на трехмерных моделях отобразить элементы сооружений, которые ранее не могли учитываться;

• универсальное цифровое представление модели позволяет значительно ускорить процесс принятия решений при возникновении различных нештатных ситуаций и оперативном изменении плана строительства путем

автоматизации процессов управления и использования единого набора данных (атрибутивной информации, классификаторов и пр.) модели;

• трехмерные модели позволяют получить привычный базовый набор электронной технической документации в виде планов и строительных чертежей.

Компьютерная модель площадки лунной базы (фаза инженерной разведки с начальными объектами инфраструктуры)

Часто проведение лазерных измерений в подземных полостях (пещерах, туннелях, подповерхностных галереях) является единственным способом получения надежной пространственной топографической и картографической информации (при невозможности проведения классической фотограмметрии, в условиях наличия магнитных аномалий, в случае непрохождения сигналов спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS, отсутствии освещения и т. п.).

Oбучeниe acтpoнaвтoв в уcлoвияx зeмныx лaвoвыx тpуб в 2016 гoду

Любая профессиональная деятельность космических экипажей, тем более лунные напланетные исследования должны быть предварительно отработаны в земных условиях. Это требование является основополагающим принципом подготовки космических экипажей, проводимой в НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина. Существует ряд природных полигонов, в том числе на территории Дальневосточного региона Российской Федерации, где уместно организовать специальные полевые испытания перспективных отечественных ЛСС и отработку способов (навыков) безопасного эффективного инженерного обследования реальных лавовых туннелей, аналогичных лунным, а также проработать тактику действий российских космонавтов на различных этапах реализации лунной программы.

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