Химия лунного грунта

РЕНТГЕНОВСКИЙ ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ МЕТОД: «ЛУНОХОД-1»

Исследования, выполненные аппаратами «Сервейер», так же как и осуществленный позднее анализ образцов грунта, доставленных на Землю из «морских» районов Луны, показали, что хотя лунные породы и относятся к одному и тому же типу (базальтовых), однако имеются некоторые отличия в их составе. Таким образом, оказалось, что ряд проблем строения Луны и происхождения форм лунного рельефа очень трудно разрешить путем анализа химического состава лишь отдельных участков лунной поверхности. К таким проблемам селенологи относят, в частности, вопросы о степени однородности состава поверхности и о связи рельефа с химическим составом.

Для того чтобы сделать какие-либо определенные выводы на сей счет, необходимо было провести сравнительные исследования на больших площадях, изучить состав поверхностного и подповерхностного слоев лунного грунта в пределах характерных районов, где широко представлены разнообразные типы лунных образований: кратеры разных размеров и форм, гряды, разломы, камни и скальные обломки. Единственная возможность для проведения подобных исследований — использование самоходных аппаратов, осуществляющих перемещение по лунной поверхности. Изучение состава поверхности в пределах этих определенных районов кроме самостоятельного интереса способствует осуществлению разнообразной работы по «физическому» картографированию Луны.

Самоходные лунные автоматы, исследуя образцы в местах их естественного залегания, могут осуществлять химические и минералогические анализы лунных пород, определять их физико-механические свойства по маршруту следования, передавая на Землю собранную информацию. С помощью подобных аппаратов можно обследовать обширные территории и получить большой объем информации о строении лунной поверхности, осуществить передачу на Землю телевизионных изображений окружающего ландшафта.

С учетом всех этих требований советская программа космических исследований Луны предусматривала создание мобильных автоматических лабораторий, способных передвигаться по поверхности Луны и производить комплексные научные исследования Луны вдоль своего пути. При этом пришлось решить целый ряд принципиально новых задач. Ведь, например, даже после серии мягких посадок на поверхность Луны и целого ряда последующих исследований оставался невыясненным вопрос о том, каким образом осуществлять передвижение аппарата по покрытой слоем пыли лунной поверхности при наличии кратеров и камней различных размеров, в условиях космического вакуума и силы тяжести, составляющей лишь одну шестую земной.

В связи с этим необходимо сказать несколько слов о лунной пыли. В земных условиях мы привыкли, что пыль — это мелко измельченный материал, который ведет себя почти как жидкость. Пыль (песок) течет так же, как вода; ее поверхность так же, как и у жидкости, находящейся в равновесии, — плоская и ровная. Эти свойства пыли объясняются тем, что в пылинках и на ее поверхности находится воздух, который вместе с воздухом, содержащимся между пылинками, «смазывает» частицы, и они легко скользят относительно друг друга.

Лунная поверхность находится в условиях, коренным образом отличных от земных: постоянное облучение солнечным ветром (т. е. частицами, испускаемыми Солнцем) и метеоритная бомбардировка, воздействие ультрафиолетового излучения и глубокий космический вакуум. Длительное ее пребывание в вакууме привело к тому, что на ней произошло обезгаживание не только пространства между частицами, но и самих частиц. В результате пылевые частицы лунного грунта примыкают непосредственно одна к другой или к нижележащей поверхности, «склеиваясь» в единое целое или налипая на поверхность других тел при соприкосновении. Эти контактные силы (так называемые силы Ван-дер-Ваальса) обратно пропорциональны седьмой степени расстояния между частицами, и, поскольку это расстояние порядка размеров атомов, контактные силы более значительны, чем гравитационные.

Частицы лунной пыли соединяются в одно целое, другими словами, — пылевые частицы склеиваются друг с другом, образуя легкий, но твердый неоднородный материал. Слипшиеся таким путем образования при механическом воздействии рассыпаются на мелкие части, а под действием газовых струй тормозных двигателей при посадке космических аппаратов на поверхность Луны пыль легко поднимается кверху. Все это надо было учитывать советским конструкторам.

В результате тщательных расчетов и многочисленных наземных испытаний ими было создано самоходное шасси на восьми колесах ажурной конструкции с грунтозацепами, с независимой подвеской и приводом колес. Впервые была сконструирована машина — «Луноход-1», способная передвигаться в сложнейших условиях лунной поверхности и оснащенная комплексом аппаратуры для научных исследований уже не в одной точке, а в целом районе лунной поверхности.

Выбранный район для работы «Лунохода-1» — Море Дождей — является одним из крупнейших лунных «морей» с четко выраженной кольцевой структурой, окаймленный береговыми горными массивами. Лишь на юго-западе Море Дождей не имеет горного обрамления, и его поверхность смыкается там с Океаном Бурь. Равнины лунных «морей» представляют собой обширные излияния базальтовых лав. Коренные скальные породы перекрыты с поверхности слоем мелкораздробленных пород, так называемым реголитом, имеющим незначительную толщину (менее 10 м). Поверхность Моря Дождей более или менее равномерно покрывают кратеры диаметром до нескольких километров. Плотность их распределения примерно такая же, как и в «морях» экваториальной зоны видимого с Земли полушария Луны. Иногда выделяются участки протяженностью в десятки километров, в которых плотность распределения мелких кратеров на порядок выше средней.

В районе Моря Дождей отмечена одна из наиболее крупных гравитационных аномалий Луны (так называемых масконов), вызванная, по-видимому, избыточными концентрациями масс вблизи лунной поверхности (избыток массы в Море Дождей оценивается примерно в 5 10¹⁴ т). Факт обнаружения таких аномалий в местах очень древних лунных образований свидетельствует о Луне как о более твердом теле и с более низкими температурами по сравнению с Землей.

Запуск станции «Луна-17» с «Луноходом-1» на борту состоялся 10 ноября 1970 г. С орбиты искусственного спутника Земли станция стартовала к Луне, и после успешного проведения необходимых маневров она мягко опустилась 17 ноября в западной прибрежной части Моря Дождей в 40 км к югу от мыса Гераклид в точке с селеноцентрическими координатами 38° 17′ с. ш. и 35° 00′ з. д.

Основным назначением автоматической станции «Луна-17» являлась доставка на лунную поверхность автоматического самоходного аппарата — «Лунохода» и обеспечение тем самым работы первой в мире подвижной автоматической лаборатории на Луне. С помощью. «Лунохода-1» предполагалось решить обширный комплекс инженерно-технических задач, провести разносторонние научные исследования.

К ним относились: изучение топографических и геологоморфологических особенностей местности; определение химического состава и физико-механических свойств лунного грунта; исследование радиационной обстановки на трассе полета к Луне, в окололунном пространстве и на поверхности Луны; исследование рентгеновского космического излучения; эксперименты по лазерной локации Луны с помощью уголкового светоотражателя, установленного на «Луноходе-1».

Запуском станции «Луна-17» предусматривалось, также решить ряд конструкторских и инженерно-технических задач, продолжить отработку посадочной ступени и способа мягкой посадки на поверхность Луны. Кроме того, предполагалось провести отработку методов дистанционного управления с использованием передаваемого на Землю телевизионного изображения лунной поверхности, приобрести экипажем опыт по управлению движением «Лунохода», проверить его систему терморегулирования при работе в периоды лунных дней и ночей, получить телевизионную информацию с лунной поверхности по маршруту передвижения. Следует отметить, что успешная доставка на Луну автоматического аппарата «Луноход-1» позволила перейти от исследования лунной поверхности в отдельных точках, проводимых спускаемыми автоматами, к обследованию значительных по протяженности ее районов.

Автоматическая передвижная лаборатория — «Луноход-1» и складывающиеся трапы для его схода на поверхность Луны были установлены на унифицированной посадочной ступени станции «Луна-17». Сам самоходный аппарат состоял из двух основных частей: приборного отсека и колесного шасси. Масса «Лунохода-1» — 756 кг.

Герметический приборный отсек, изготовленный из легких и прочных сплавов, имел форму усеченного конуса, верхняя часть которого использовалась как радиатор-охладитель в системе терморегулирования «Лунохода-1» и закрывалась специальной крышкой. Эта крышка выполняла двойную функцию: в период лунной ночи она закрывала радиатор и препятствовала излучению тепла из отсека, а в течение лунного дня крышка была открыта, и элементы солнечной батареи, расположенные на ее внутренней стороне, обеспечивали подзарядку аккумуляторов, являющихся источником питания бортовой аппаратуры.

В приборном отсеке «Лунохода-1» размещались передающие и приемные устройства радиокомплекса, приборы системы дистанционного управления, системы электропитания, блоки коммутации и автоматики, приборы системы обеспечения теплового режима, электронно-преобразовательные устройства научной аппаратуры.

Бортовой радиокомплекс обеспечивал прием команд из центра управления «Луноходом» и передачу информации с борта самоходного аппарата на Землю. Телевизионная система, две камеры которой располагались в передней части корпуса, была предназначена для передачи на Землю телевизионных изображений местности, необходимых «экипажу», управляющему с Земли движением «Лунохода». Кроме того, специальные камеры обеспечивали съемку панорамы окружающей местности во время стоянки «Лунохода».

Резкие температурные перепады при смене дня и ночи на поверхности Луны, а также большая разница температур между частями «Лунохода-1», находящимися на солнце и в тени, обусловили необходимость разработки для него специальной системы терморегулирования. Поддержание необходимого для нормальной работы аппаратуры теплового режима «Лунохода-1» обеспечивалось как пассивными, так и активными методами. К пассивным относилось уменьшение теплообмена между отдельными элементами конструкции «Лунохода» и окружающим пространством посредством применения экранно-вакуумной теплоизоляции и специальных внешних покрытий. Тепловой режим оборудования, расположенного внутри приборного отсека, обеспечивался активными методами, т. е. путем принудительной специальной циркуляции газа внутри самоходного аппарата. При этом для подогрева газа служил изотопный источник тепловой энергии, расположенный в задней части корпуса.

Приборный отсек «Лунохода-1» был установлен на восьмиколесном шасси, создание которого разрешило принципиально важную задачу космонавтики — возможность передвижения автоматической лаборатории по поверхности Луны. Самоходное шасси было сконструировано так, чтобы гарантировать высокую проходимость «Лунохода» по лунной поверхности и надежную работу в течение длительного времени при минимальном собственном весе и потребляемой электроэнергии. Шасси обеспечивало передвижение «Лунохода-1» вперед и назад, а также его повороты (на месте и в движении).

ДДля измерения содержания в лунном грунте основных породообразующих элементов на «Луноходе-1» была установлена спектрометрическая аппаратура РИФМА (Рентгеновский Изотопный Флуоресцентный Метод. Анализа). Спектрометр РИФМА (так же как и его модернизированный вариант — РИФМА-М, установленный на «Луноходе-2») был разработан и создан в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе (руководитель работ Г. Е. Кочаров).

Для облучения лунного грунта использовались панели с радиоактивными источниками, флуоресцентное излучение грунта регистрировалось пропорциональными счетчиками (рис. 7). Счетчик, металлический цилиндр диаметром около 16 мм и длиной около 80 мм, был наполнен смесью аргона и метана. «Окна» для вхождения излучения изготовлялись из тонких (порядка десятка микрометров) материалов (алюминий, синтетические пленки). Электрический импульс, возникавший в счетчике при прохождении через него флуоресцентного рентгеновского излучения грунта, усиливался в электронном преобразователе и по радиоканалу передавался на Землю. Для преобразования электрического сигнала на борту «Лунохода-1» находился 64-канальный анализатор — блок амплитудно-цифрового преобразования (передача сигналов велась в двоичном коде с добавлением нескольких служебных импульсов). BR>

Рис. 7. Внешний вид пропорциональных счетчиков мягкого рентгеновского излучения, применявшихся в экспериментах на «Луноходе-1 и -2»

Выносной блок аппаратуры, в котором размещались радиоактивные источники, детекторы и усилитель (рис. 8), располагался вне «Лунохода» между его передними колесами (см. изображение на обложке). Остальные электронные устройства находились внутри «Лунохода» (рис. 9).

Рис. 8. Внешний вид выносного блока аппаратуры РИФМА-М. В центре — блок детекторов, в передней верхней части которого расположен счетчик для регистрации рентгеновского излучения космического происхождения. По обе стороны от блока детекторов находятся панели с радиоактивными источниками

Рис. 9. Блок-схема а) бортового и б) наземного комплексов рентгеновской спектрометрической аппаратуры «Луноходов» (детектор для регистрации рентгеновского излучения космического происхождения был установлен только на «Луноходе-2»): 1 — выносной блок; 2 — электронный блок; 3 — амплитудно-цифровой преобразователь; 4 — передающее устройство; 5 — панели с радиоактивными источниками; 6 — приемное устройство; 7 — электронные устройства системы записи информации; 8 — запись информации на магнитную ленту; 9 — система обработки данных с выводом информации на ленту цифропечатающего устройства

После посадки на Луну, проверки функционирования бортовых систем и осмотра лунной поверхности самоходный аппарат «Луноход-1» по специальному трапу сошел с посадочной ступени на поверхность Луны. Изучив район посадки и осмотрев посадочную ступень, ученые приняли решение о движении «Лунохода-1» в южном направлении. Основная задача первого лунного дня заключалась в проверке в действии всех систем «Лунохода-1», прежде всего агрегатов самоходного шасси, системы управления и телевизионного наблюдения. Проведенный комплекс испытаний показал хорошую маневренность и управляемость «Лунохода», а также высокую надежность всех его узлов.

Не менее серьезным испытанием для конструкторов и ученых явилась первая «ночевка» «Лунохода-1». В течение долгой лунной ночи, продолжающейся около 14 земных суток, температура поверхности быстро опускается до температур около. –150 °C. Сеансы связи с «Луноходом-1», проводимые в течение ночи, дали возможность получить данные о состоянии его систем и показали, что температура и давление газа в приборном отсеке находятся в пределах нормы. При этом температура внешних частей конструкции «Лунохода-1» (колеса, антенны) опускалась до –90 —125 °C.

Телеметрические данные, полученные в ходе первых сеансов после окончания лунной ночи, свидетельствовали о нормальной работе бортовых систем «Лунохода-1», и его движение на юг после этого продолжилось. В течение лунного дня, с 10 по 20 декабря 1970 г., «Луноход» преодолел множество кратеров разного диаметра и глубины, каменных россыпей и к концу этого дня «заночевал» на расстоянии (по прямой) 1,5 км от места посадки. p>На следующее «утро», 9 января 1971 г., «Луноход» направился в противоположную сторону — (на северо-запад) и другим путем вернулся к месту посадки. Так был успешно завершен важный этап первого в мире навигационного эксперимента по вождению самоходного аппарата по поверхности другого небесного тела. Преодолев на своем пути многочисленные препятствия, «Луноход-1» оказался в расчетной точке на Луне.

В последующие лунные дни «Луноход-1» проводил исследования в районе, расположенном севернее точки посадки.

Во время своего движения по поверхности «Луноход-1» проходил вблизи кратеров разных диаметров, преодолевал зоны кратерных выбросов вещества со значительных глубин, каменные россыпи. На некоторых из этих участков поверхности производилось включение спектрометра РИФМА, время работы которого для измерения химического состава грунта (в данном месте) составляло около часа.

ННаряду с этим проводилось комплексное изучение ряда участков лунной поверхности: на одном и том же участке с помощью пенетрометра[3] и шасси определялись физико-механические свойства грунта, а с помощью аппаратуры РИФМА — его химический состав. Осуществлялись также эксперименты научно-технического и методического характера.

Результаты исследования показали, что состав реголита в исследуемом районе Моря Дождей близок к составу реголита в других, уже ранее обследованных районах «морского» типа. Особенное сходство в составах наблюдалось с реголитом Океана Бурь и Моря Изобилия (см. табл. 1).

Таблица 1

Сравнение результатов анализов химического состава реголита Моря Дождей в разных точках показало, что вариации состава находятся в пределах точности анализа. Это означает, что в исследованном районе на глубинах от 2–3 до 30–40 м существенных изменений в химическом составе, по-видимому, нет. Отсутствие заметных вариаций химического состава грунта, вероятно, является отражением общего однородного и относительно спокойного характера рельефа исследуемого участка, который представляет собой типичный пример участков «морей», свободных от наложенных на «морскую» поверхность крупных образований.

Таким образом, результаты маршрутного исследования химического состава лунной поверхности в районе работы «Лунохода-1» показали, что реголит там представляет собой переработанный материал базальтового состава. Эти данные подтвердили, что Море Дождей, так же как и другие лунные «моря», заполнены излияниями базальтовой лавы.

В ходе проведения экспериментов наряду с физическими результатами (определение типа пород, химического состава вещества поверхности вдоль маршрута) были получены обширные материалы прикладного и технического характера, относящиеся к разным сторонам функционирования спектрометра РИФМА в составе бортовой аппаратуры. В экспериментах на «Луноходе-1» рентгеновский спектрохимический анализ был впервые применен для изучения состава другого небесного тела непосредственно на его поверхности. Результаты работы спектрометра РИФМА впервые доказали возможность проведения длительных спектрометрических измерений в столь необычных условиях.

Работа «Лунохода-1» на лунной поверхности продолжалась 318 суток. За это время им был пройден путь в 10,5 км, что позволило исследовать площадь порядка 80 000 м², оценить геологические характеристики местности, изучить физико-механические свойства грунта и его химический состав. Материалы исследований показали, что даже на относительно небольшом участке лунной поверхности с более или менее однородным химическим составом ее свойства значительно изменяются. Эти вариации проявляются в формах, незаметных при наблюдениях с искусственных спутников Луны, а также с неподвижных посадочных станций. Таким образом, успешная работа «Лунохода-1» убедительно продемонстрировала достоинства применения самоходных аппаратов при исследованиях Луны и правильность принятых при этом конструктивных решений.