УДК 523.34-83
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛУННОГО ГРУНТА (ОБЗОР)
© 2014 г. Е. Н. Слюта
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, Москва
e-mail: slyuta@mail.ru Поступила в редакцию 14.06.2013 г.
Приводится обзор данных по физико-механическим свойствам лунного грунта, полученных в результате исследований как непосредственно на поверхности Луны в пилотируемых и автоматических экспедициях, так и в экспериментальных лабораторных исследованиях лунного грунта, доставленного на Землю. Отдавая должное пилотируемой программе США Apollo, большой объем данных о свойствах лунного грунта, что хорошо видно из предлагаемого обзора, был получен и благодаря советской автоматической программе Луноход, и с помощью автоматических станций Луна-16, -20 и -24, доставивших лунный грунт на Землю. Рассматриваются все основные физико-механические свойства лунного грунта, такие как гранулометрический состав, плотность и пористость, когезия и адгезия, угол внутреннего трения, прочность рыхлого грунта на сдвиг, деформационные характеристики (модуль деформации, коэффициент поперечной деформации), сжимаемость, несущая способность, и показано изменение некоторых свойств с глубиной. В большинстве случаев приводится аналитическая зависимость основных параметров, необходимая для создания надежных инженерных моделей лунного грунта. Приводится сводная таблица всех основных физико-механических свойств и краткий обзор существующих моделей и имитаторов лунного грунта.
Б01: 10.7868/80320930X14050053
ВВЕДЕНИЕ
Физико-механические свойства лунного грунта объединяют такие основные параметры, как гранулометрический состав, плотность и пористость, когезия и адгезия, угол внутреннего трения, прочность рыхлого грунта на сдвиг, деформационные характеристики (модуль деформации, коэффициент поперечной деформации), сжимаемость, несущая способность и др. Знание основных физико-механических свойств необходимо, прежде всего, для создания надежных инженерных моделей лунного грунта с целью разработки различных посадочных аппаратов на лунную поверхность, для создания грунтозаборных устройств, для создания самоходных или иных транспортных средств для передвижения по лунной поверхности, для проектирования и строительства обитаемых баз, для разработки и создания технологических комплексов по добыче и обогащению необходимых ресурсов, и т.д. Поэтому одной из первых важных научных задач на начальном этапе исследования Луны была задача определения основных параметров физико-механических свойств лунного грунта.
До мягкой посадки советской АМС Луна-9 в 1966 г. первые данные о свойствах лунного грунта были получены по результатам дистанционных исследований с Земли ее оптического, теплового и радиоизлучения. На основе этих исследований
было сделано предположение, что "вещество во всем двадцатиметровом слое находится в одинаковом сильно пористом состоянии и, по-видимому, не может быть пылью" (Кротиков, Троицкий, 1963). Из сравнения интегрального излучения Луны с экспериментальным спектром были предложены две модели пористого покрова Луны (Тихонова, Троицкий, 1969). В одной из моделей плотность пористого слоя вплоть до подстилающих скальных пород оставалась постоянной. В другой модели плотность менялась линейно. В первой модели толщина пористого слоя оценивалась около 4 м, во второй — около 10 м. Рассматривалась и трехслойная модель пористого покрова, в которой плотность верхнего слоя толщиной 0.04 м оценивалась около 0.7 г см-3, слоя в интервале глубины 0.04-4 м — около 1 г см-3, а слоя в интервале глубин 4—6 м — от 1.5 до 2 г см-3 (Троицкий, Тихонова, 1972). На основе фотометрических измерений Луны харьковский астроном Н.П. Барабашов также предполагал, что лунная поверхность покрыта мелким щебнем и является достаточно прочной (Шкуратов, 2006). Но существовало и достаточно распространенное мнение (гипотеза Голда), что из-за малой силы тяжести поверхность Луны может быть покрыта многометровой пушистой рыхлой пылью, которая просто поглотит посадочный космический аппарат. После консультаций с астрономом Н.П. Бараба-шовым Сергей Павлович Королев разрешил эту
критическую для инженерных расчетов неопределенность, написав карандашом соответствующую справку от 28 октября 1964 года, которая гласила, — "Посадку ЛК следует рассчитывать на достаточно твердый грунт типа пемзы. Вертикальная скорость ~0 м/с при спуске на к = 1 м..., дата, подпись".
Физико-механические свойства лунного грунта активно изучались непосредственно на поверхности Луны в пилотируемых и автоматических экспедициях и в экспериментальных лабораторных исследованиях лунного грунта, доставленного на Землю. В настоящее время физико-механические свойства лунного грунта достаточно хорошо исследованы. Отдавая должное пилотируемой программе США Аро11о, следует отметить, что большой объем уникальных научных данных о свойствах лунного грунта был получен и благодаря советской автоматической программе Луноход, и с помощью автоматических станций Луна-16, -20 и -24, доставивших лунный грунт на Землю.
После некоторого перерыва интерес к Луне со стороны человеческой цивилизации возвращается. Основной стратегией космических исследований Солнечной системы на период до 2030—2050 гг. рассматривается детальное изучение Луны, опирающееся на автоматические космические аппараты и робототехнические системы, и начало ее освоения, включая пилотируемые экспедиции и развертывание элементов инфраструктуры для создания обитаемой лунной базы. С точки зрения перспектив будущего освоения большое значение приобретает оценка и разведка ресурсов, необходимых для жизнеобеспечения и получения криогенных компонентов для ракетного топлива на месте. В разных странах, в том числе и в России, уже проектируются и разрабатываются как стационарные, так и самоходные автоматические посадочные аппараты. Соответственно, и данные по физико-механическим свойствам лунного грунта вновь становятся все более востребованными. Предлагаемый обзор фактически подводит некоторый итог по имеющимся на сегодня данным по физико-механическим свойствам лунного грунта, а также может рассматриваться в качестве основы для уточнения и получения новых данных с учетом новых масштабных задач по исследованию и освоению Луны.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЛУННОГО РЕГОЛИТА
Отсутствие плотной атмосферы делает поверхность Луны незащищенной от ударов метеоритов самых разных размеров, вплоть до мельчайших микрометеоритов. В результате метеоритной бомбардировки, длившейся на протяжении всей геологической истории Луны, на ее поверхности образовался покров рыхлого материала — реголита,
который состоит из обломков подстилающих реголит кристаллических горных пород, фрагментов минералов и вторичных частиц, сформированных при ударно-взрывной переработке вещества — брекчий, агглютинатов и частиц стекла. Химический состав определяется в основном составом коренных пород района. Геохимия процесса реголитообразования определяется приносом вещества из других районов, добавлением метеоритного вещества (до 1—2 мас. %) и обеднением летучими компонентами в результате плавления и селективного испарения вещества. Постоянное воздействие солнечного ветра и космического излучения обогащает частицы реголита водородом, редкими газами, широким спектром космогенных изотопов и другими компонентами, а также способствует образованию и восстановлению до элементарного состояния Fe, Si и др. элементов в поверхностных слоях частиц. Средняя мощность реголита, который покрывает всю лунную поверхность, колеблется от 4—5 м в лунных морях до 10—15 м на материках. На древних геологических структурах мощность реголита больше. Средняя скорость образования реголита очень мала и составляет примерно 1.5 мм за 1 млн лет (French, 1977). Поверхностный слой глубиной 1 см переворачивается примерно один раз за 107 лет. За это же время поверхностный слой глубиной 1 мм переворачивается 250 раз, а поверхностный слой глубиной 0.1 мм — более 2000 раз (Херц и др., 1975). Соответственно, реголит быстро становится неподвижным с глубиной и его слоистость или стратификация отражает хронологию событий и геологическую историю его формирования, которая иногда нарушается или изменяется при более крупном, но более редком ударном событии.
Рыхлый слой реголита покрывает почти всю поверхность Луны. Наблюдается прямая зависимость, — чем больше возраст поверхности, тем больше мощность реголита. Эта зависимость достаточно хорошо согласуется с хроностратигра-фическими подразделениями лунных образований. Распределение мощности реголита на поверхности Луны имеет бимодальный характер с максимумами примерно 5 и 9 м, что соответствует средним значениям мощности реголита для морей и материков (Бондаренко, Шкуратов, 1998). В морских районах мощность реголита изменяется от 3 до 11 м. В материковых районах разброс мощности реголита гораздо более широкий — от 1 м в высокогорной местности до 18 м и более в районах плоскогорья с наиболее древним возрастом подстилающих пород.
Реголит характеризуется уникальным химическим и минералогическим составом, а также определенными теплофизическими и электромагнитными свойствами. Низкая теплопроводность, высокие адгезионные и когезионные свойства, отсутствие несвязанной воды и других летучих, вы-
Рис. 1. Типичная частица агглютината лунного реголита (Родэ и др., 1979). Форма и поверхность частицы обусловлены оплавлением и спеканием литических фрагментов, минеральных и стеклянных зерен лунного реголита в одну частицу при высокоскоростном метеоритном ударе. Луна-16, Море Изобилия.
сокая обогащенность размерной фракцией частиц в десятки микрон, поверхность которых активизирована космическим облучением, обогащенность стеклом, а в ряде мест — тяжелыми рудными минералами (ильменитом), позволяет рассматривать реголит в качестве наиболее доступного местного теплозащитного и строительного материала.
МОРФОЛОГИЯ ЧАСТИЦ РЕГОЛИТА
Морфология частиц, слагающих реголит, сильно зависит от степени его зрелости. Для крупнообломочного материала реголита (камней) характерно, что с увеличением зрелости обломки приобретают округленны
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.