Земля – космос – Луна

ПЛОТНОСТЬ, СОСТАВ И РАДИАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПОРОД ЛУНЫ

Непосредственное определение плотности и механической прочности наружного слоя лунного грунта было впервые произведено приборами, доставленными на поверхность Луны автоматической станцией «Луна-13».

В состав научной аппаратуры станции, в частности, входили: радиационный плотномер, механический штамп-грунтомер и динамограф, регистрирующий величину и длительность динамической перегрузки (действующей на станцию в момент прилунения).

После посадки станции и открытия лепестковых антенн специальные механизмы, выполненные в виде разворачивающихся многозвенников, выносят приборы в различные стороны на расстояние около 1,5 метра от станции (рис. 53). Кинематика механизмов построена таким образом, что чувствительная часть аппаратуры достаточно плотно прилегает к поверхности лунного грунта.

Плотность наружного слоя лунных пород (толщиной порядка 15 сантиметров) определялась с помощью радиационного гамма-плотномера, датчик которого располагался на выносной части, а электронный блок, обрабатывающий информацию от датчика, – в корпусе станции.

Конструкция выносной части радиационного плотномера показана на рис. 54; его датчик представляет собой плоский корпус размерами 25,8X4,8X1 сантиметр с боковыми сегментами, обеспечивающими его ориентацию на лунной поверхности.

Рис. 53. Автоматическая станция «Луна-13» в рабочем положении:

1 – лепестковые антенны; 2 – грунтомер-пенетрометр; 3 – механизм выноса приборов; 4 – телевизионная камера; 5 – штыревые антенны; 6 – радиационный плотномер

В корпусе датчика размещен радиоактивный изотоп цезия, излучающий гамма-кванты; в результате поглощения и рассеивания гамма-квантов веществом лунных пород часть их возвращается к поверхности грунта и регистрируется счетчиками. В целях уменьшения погрешности, связанной с неровностью лунной поверхности, для обработки используются осредненные значения измерений, выполненных тремя независимыми счетчиками датчика.

Для исключения прямого попадания гамма-квантов от изотопа к счетчикам между ними установлен свинцовый экран.

Достаточно полная независимость определения плотности лунных пород от их химического состава была достигнута следующим образом. При облучении вещества гамма-квантами происходят три физических процесса: фотоэффект, образование пар электрон – позитрон (при которых наблюдается полное исчезновение гамма-квантов) и комптон-эффект, сопровождающийся рассеянием гамма-квантов и изменением направления их движения. Используя гамма-кванты с энергией 0,5 – 3 мегаэлектронвольт, приводящей в основном к комптон-эффекту, сечение которого пропорционально атомному номеру и обратно пропорционально массе элемента, получают зависимость плотности исследуемого вещества от зарегистрированной интенсивности рассеянного излучения; так как упомянутое отношение практически неизменно для большинства элементов горных пород и грунтов, близких к лунным, то результаты измерений плотности имеют высокую достоверность.

Рис. 54. Датчик радиационного плотномера:

1 – корпус датчика; 2 – боковые сегменты; 3 – надстройка для крепления к выносном/ механизму

Величина плотности лунного грунта определялась совместно с привлечением результатов измерений механическим грунтомером станции «Луна-13» (см. ниже).

Механическая прочность поверхностного слоя лунного грунта замерялась (станцией «Луна-13») с помощью грунтомера-пенетрометра, общий вид которого показан на рис. 55.

Нижний конец пластмассового корпуса грунтомера имеет кольцевой штамп (диаметром 12 сантиметров), который опирается на лунную поверхность; в центральной части штампа размещен титановый индентор диаметром 3,5 сантиметра, переходящий в заостренный конус. Индентор, совмещенный с корпусом реактивного порохового двигателя со средней силой тяги около 6,5 килограмма, служит основной рабочей частью грунтомера.

Непосредственно после срабатывания выносного механизма и отсчета нулевого положения индентора включается реактивный двигатель, и индентор углубляется в грунт до 5 сантиметров в зависимости от его механической прочности. При перемещении индентора относительно корпуса прибора и закрепленного на нем потенциометра меняется соотношение плеч потенциометра и соответственно напряжение на его выходных контактах. Измерительная система конструкции грунтомера обеспечивает измерение перемещения индентора с точностью до 0,3 миллиметра.

Рис. 55. Грунтомер-пенетро-метр:

1 – корпус; 2 – крышка корпуса; 3 – потенциометр; 4 – кольцевой штамп; 5 – индентор (в крайнем нижнем положении)

Обработка материалов телеметрии показала, что после срабатывания порохового двигателя индентор выдви. нулся на величину 4,5 сантиметра и примерно в течение суток сохранял это положение, после чего указанное расстояние уменьшилось на несколько миллиметров – очевидно в результате температурных деформаций выносного механизма.

Наземная тарировка грунтомера-пенетрометра и радиационного плотномера станции «Луна-13» производилась главным образом на пористых и рыхлых образцах малого удельного веса.

Для оценки степени точности и достоверности измерений плотности и механической прочности лунного грунта аппаратурой автоматической станции «Луна-13» предварительно, в наземных условиях, был произведен учет воздействия различных физических факторов. К этим факторам относились: отличие (от земных значений) ускорения силы тяжести, величины разреженности атмосферы, статических и динамических нагрузок, неровностей лунной поверхности и др.

В связи с этим были особо обработаны материалы панорамных съемок станции «Луна-9»; соответственно тарировки приборов станции «Луна-13» производились на ровной и неровной поверхностях образцов, при атмосферном давлении ив вакууме, при наземном значении силы тяжести и ее величине для лунной поверхности (на самолетах с участками движения по специальной траектории). В тарировке радиационного плотномера был учтен также фон радиации лунной поверхности, замеренный аппаратурой станции «Луна-13».

В итоге совместного рассмотрения материалов измерений, полученных грунтомером-пенетрометром и радиационным плотномером, можно утверждать, что в месте посадки автоматической станции «Луна-13» поверхностный слой представляет собой пористый зернистый минеральный материал, слабо связанный в местах контакта зерен; объемная плотность лунного грунта у поверхности составляет (с вероятностью 70 – 80 процентов) около 0,8 грамма в кубическом сантиметре, т. е. несколько меньше чем у воды.

Близкие параметры микроструктуры поверхностного слоя получены и аппаратами «Сервейер» (прямые измерения плотности не производились).

Несущая способность лунного грунта, по данным станции «Луна-13», в месте ее посадки оказалась равной 0,68 килограмма силы на квадратный сантиметр, удельное сцепление – 0,005 грамма силы на кубический сантиметр и угол внутреннего трения составил 33 градуса.

Физические свойства поверхностных лунных пород исследовались также пятью аппаратами типа «Сервейер» с помощью механического манипулятора, магнитов и по динамике соударения опор аппарата с лунным грунтом; кроме того, было передано большое количество отдельных телевизионных изображений с поверхности Луны.

На рис. 56 показан лунный грунт, высыпанный манипулятором аппарата «Сервейер-3» на его опорную подушку; на снимке хорошо видна зернистая структура и некоторая связанность грунта (траншейки, вырытые манипулятором, имеют четко прослеживаемые вертикальные стенки); сходная картина наблюдается и на снимках колеи «Лунохода-1».

Рис. 56. Лунный грунт, насыпанный механическим манипулятором на верхнюю поверхность опорной подушки «Сервейера-3»

Величина зерен – составляющих «кирпичики» поверхностных лунных пород – оказалась примерно в 10 раз меньше, чем у песка на Земле, где они имеют средние размеры около 0,5 миллиметра.

По данным аппарата «Сервейер-6», рыхлый слой лунного грунта простирается на глубину не более 5 сантиметров и состоит из пылевидных частиц и базальтовой гальки.

Полученные материалы позволяют составить представление о несущей способности «морских» областей грунта Луны: ее величина находится в пределах 0,2 – 0,7 килограмма силы на квадратный сантиметр (для всех районов посадок аппаратов «Сервейер», кроме «Сервейера-7», прилунившегося в характерно гористой местности).

Согласно материалам фотометрических наблюдений Луны группа советских астрономов во главе с Н. П. Барабашовым пришла к выводу, что вещество наружного покрова восточной краевой зоны (включая районы посадки станций «Луна-9» и «Луна-13») менее пористое, т. е. более плотное в сравнении с фотометрически средней лунной поверхностью и особенно в сравнении с западной краевой зоной. Этот результат подтверждается данными, полученными аппаратами «Сервейер» (прилунившимися западнее станции «Луна-13»), согласно которым несущая способность поверхностных слоев Луны несколько меньше, чем по измерениям станции «Луна-13».

Можно предполагать, что близкие значения прочности лунного грунта, полученные автоматическими станциями в местах посадки «Луны-9», «Луны-13» и «Сервейеров», не являются случайными, а типичны для всего наружного покрова морских областей Луны (что было подтверждено также для участков прилунения «Аполло-на-11», «Аполлона-12», «Луны-16», «Луны-17», а также «Луноходом-1» по трассе его движения).

Таким образом, несущая способность поверхностного слоя нашей небесной соседки вполне достаточна для нормальной посадки и функционирования космических аппаратов, а также для передвижения космонавтов на поверхности Луны.

Насколько быстро возрастают плотность и прочность, а также как изменяются физико-механические параметры лунных пород с глубиной, предстояло определить последующими исследованиями.

Первые шаги в этом направлении были сделаны космическими кораблями «Аполлон-11», «Аполлон-12», научной станцией «Луна-16» и самоходной лабораторией «Луноход-1», оснащенной конусно-лопастным штампом, периодически внедряющимся в грунт в различных района Луны по мере передвижения.

В отличие от первого, третьего, пятого и шестого «Сервейеров» (запуски второго и четвертого были неудачными), которые обследовали лунную поверхность в равнинных областях экваториальной зоны – предполагаемых местах посадки кораблей с человеком, – аппарат «Сервейер-7» был посажен в районе полюса, примерно в 30 километрах севернее кратера Тихо, в типичной гористой местности.

Последняя (седьмая) станция «Сервейер» по сравнению с предыдущими аппаратами такого же типа была наиболее полно оснащена научным оборудованием. Ковш-захват (рис. 57) шириной 5 сантиметров имеет вынос до 1,5 метра с глубиной захвата грунта до 0,45 метра (реализуемой лишь в случае не очень прочного грунта); на ковше расположены магнит и альфа-анализатор для химического анализа лунных пород.

Результаты обработки материалов, переданных с места посадки станции «Сер(вейер-7», показали, что отражающая способность материковых районов почти на 20 процентов превышает отражающую способность поверхности «морей»; прочность и плотность лунного грунта «материков» существенно больше, чем «морских» областей; плотность составляет приблизительно 2,5 грамма на кубический сантиметр, т. е. близка к плотности земного грунта.

Изучение химического состава и радиационных характеристик поверхностных пород Луны производилось автоматическими научными станциями «Луна-10», «Луна-12», «Луна-16», «Луна-17», «Луна-20» и тремя аппаратами «Сервейер», а также пилотируемыми кораблями типа «Аполлон».

Впервые исследование состава и типа лунных пород было выполнено первым искусственным спутником Луны – станцией «Луна-10». На станции был установлен сцинтилляционный гамма-спектрометр, позволяющий получать информацию о характере лунного грунта (до глубины 25 сантиметров) и радиационной обстановке на Луне. Гамма-спектроскопия, использованная лунным спутником, позволила провести изучение лунных пород «материков» и «морей» на весьма большой части поверхности Луны, включая и ее обратную сторону.

Внешний вид гамма-спектрометра показан на рис. 58; прибор состоит из двух основных частей: сцинтилляционного датчика и многоканального амплитудного анализатора.

Для исключения фона от заряженных частиц в датчике спектрометра была применена электронная схема, использующая различное время высвечивания кристалла слоистого фосфора и пластмассового сцинтиллятора.

Тороидальный амплитудный анализатор (с внешним диаметром примерно 37 сантиметров), представляющий собой особую цифровую вычислительную машину, обеспечивал измерение дифференциального спектра в достаточно широком диапазоне энергий, что позволяло производить количественное определение как естественной, так и наведенной активности исследуемой части поверхности Луны.

Рис. 57. Общий вид ковша-захвата («землечерпалки») станции «Сервейер» с выносным устройством:

I – азимутальный двигатель; 2 – угломерный двигатель; 3 – двигатель обратного хода; 4 – двигатель ковша-захвата

Обработка измерений показала, что интенсивность общего гамма-излучения на поверхности Луны равна 20 – 30 микрорентгенам в час (существенного различия между «морями» и «материками» не отмечено); 90 процентов излучения обусловлено взаимодействием космических лучей с лунным веществом и 10 процентов – распадом радиоактивных элементов – калия, тория и урана, содержащихся в поверхностных слоях лунных пород.

На рис. 59 представлены спектры гамма-излучения лунных пород, зафиксированные на орбите спутника Луны, по измерениям автоматической станцией «Луна-10».

Спектры гамма-излучения, которые должны получаться на орбите спутника Луны от естественных радиоактивных элементов лунного грунта – калия, тория и урана, соответствующих по относительному содержанию главным типам земных пород, – даны на рис. 60.

Рис. 58. Общий вид гамма-спектрометра

Сопоставление спектров, приведенных на рис. 59 (кривая 3) и рис. 60, показывает, что лунный грунт близок по типу к базальтам (основные породы); возможно существование метеоритного (ультраосновного) вещества в поверхностных слоях Луны; наличие же гранитов (кислых пород) и пород с рудными концентрациями радиоактивных элементов – практически исключено, что подтверждено также исследованиями станциями «Сервейер» и «Луноход-1».

Небольшое различие в интенсивности гамма-излучения над лунными «морями» и «материками», по мнению академика А. П. Виноградова, может получить объяснение, приводящее к важным выводам. А именно: средняя интенсивность гамма-излучения естественных радиоактивных элементов над лунными «морями» соответствует базальтам, над «материками» – ультраосновным породам (каменным метеоритам); если полагать, что Луна формировалась аналогично Земле, как тело с поверхностным слоем типа каменных метеоритов, и в результате радиогенного разогрева из ее недр выплавились «моря», то лунные «моря» соответствуют земной коре. Однако на Земле аналогичный процесс протекал гораздо энергичнее; базальты и граниты, слагающие земную кору, покрывают мощным слоем всю поверхность Земли и, в отличие от лунных «материков», на Земле ультраосновные породы не выходят на поверхность планеты, а располагаются в ее недрах, под земной корой.

Рис. 59. Спектры гамма-излучения лунных пород на орбите спутника Луны, по измерениям автоматической станцией «Луна-10»:

1 – спектр гамма-излучения лунных пород после вычитания фона; 2 – спектр гамма-излучения, связанного с процессами взаимодействия космических лучей с лунными породами (мгновенное гамма-излучение и распад изотопов космического происхождения); 3 – спектр гамма-излучения, связанного с распадом естественных радиоактивных элементов – калия, тория и урана, содержащихся в лунном грунте

Энергия гамма-лучей, МэВ

Рис. 60. Спектры гамма-излучения, которые должны получиться на орбите спутника Луны от естественной радиоактивности элементов лунного грунта – калия, тория, урана, соответствующих по относительному содержанию главным типам земных пород

Для определения химического состава лунного грунта на аппаратах типа «Сервейер» применялся альфа-анализатор, использующий поток альфа-частиц от лунных пород при облучении их нейтронами.

В приведенной ниже таблице даны сводные результаты анализа химического состава лунного грунта, полученные с помощью автоматических станций «Сервейер-5» и «Сервейер-7» (совершивших посадку соответственно в Море Спокойствия и в районе кратера Тихо).

Химический состав поверхностных лунных пород «морей» и «материков» весьма сходен, однако в горной области зарегистрировано «Сервейером-7» заметно меньшее содержание железа.

Большой интерес представляют химические анализы образцов лунного грунта, доставленных из различных районов Луны в земные лаборатории пилотируемыми кораблями «Аполлон» и автоматическими научными станциями «Луна-16» и «Луна-20», а также химический анализ грунта, выполненный «Луноходом-1» непосредственно на Луне.

Оказалось, что в наружных лунных породах содержится значительное количество таких редких на Земле элементов, как хром, титан, цирконий; сравнительно мало легкоплавких элементов – свинца, висмута, натрия, калия, в ничтожном количестве имеются золото и серебро. Кислород составляет около половины весового состава грунта Луны; вода обнаружена в очень незначительном количестве лишь в двух образцах (доставленных экипажем «Аполлона-11»).

Содержание металлов (находящих широкое промышленное применение), например, в месте посадки корабля «Аполлон-11», следующее (в весовых процентах): железа – 12 – 16, титана – 4,2 – 7,5, алюминия – 4,1 – 6,9. магния – 3,9 – 5,7; концентрация радиоактивных элементов составляет: урана – 0,6-10^-6 граммов на грамм, тория – 2,5-10^-6 граммов на грамм, изотопа калия К40 (в пересчете по относительному содержанию в земных породах) – 2,4-10^-7 граммов на грамм.

Обнаружено несколько новых минералов, не имеющихся на Земле; один из них (arnalcolite) содержит повышенное количество железа, магния, титана; другой имеет урана больше, чем земные минералы, и более высокий процент содержания железа, титана, циркония и кремния.

Возраст образцов лунного грунта оказался весьма значительным: у самого древнего образца он достигает 4,6 миллиарда лет (на Земле пока что обнаружены породы, возраст которых не превышает 4,5 миллиарда лет).

Химический состав наружных слоев лунных пород, доставленных из трех различных районов Луны, характеризуется нижеследующей таблицей (содержание окислов дано в весовых процентах).

Измерения удельной теплоемкости и теплопроводности лунного грунта (проведенные на образцах, привезенных станцией «Луна-16») показали, что теплоемкость лунного грунта не зависит от плотности засыпки и в среднем близка к удельной теплоемкости пород Земли, а теплопроводность крайне мала; лунный грунт имеет высокую способность к электризации.

Исследование химического состава лунного грунта в различных участках лунной поверхности было с высокой эффективностью продолжено самоходным аппаратом «Луноход-1». Химический анализ образцов лунного грунта, привезенного станцией «Луна-20», позволил определить содержание в нем более семидесяти элементов; в сравнении с грунтом «морских» районов отмечено меньшее содержание железа, ванадия, марганца, титана и большее – алюминия и кальция.

При передвижении по лунной поверхности осуществляется непрерывный контроль характера местности с помощью телевизионных камер и физико-механических характеристик лунного грунта посредством конусно-лопастного штампа. Это дает возможность выбирать для химического анализа и передачи панорам лунного рельефа как разнородные по характеру и строению участки Луны, так и необычные по виду лунные образования.

В состав научного оборудования «Лунохода-1» входит специальный прибор РИФМА (для осуществления рентгеновского изотопного флуоресцентного метода анализа). Прибор имеет возможность автоматически проводить определение химического состава лунного грунта в сложных температурных условиях и при воздействии космических факторов.

Прибор работает следующим образом. Источник рентгеновского облучения вызывает ионизацию различных элементов, входящих в состав лунного грунта. Возникающее при этом (вторичное) ответное излучение соответствует определенным химическим элементам: измеряя энергию этого излучения, можно найти содержание различных элементов в исследуемой лунной породе. Регистрация вторичного излучения (ответных рентгеновских квантов) производится пропорциональными счетчиками, которые оборудованы характеристическими фильтрами, дающими возможность оценить также и концентрацию элементов в лунном грунте.

За период своего многомесячного функционирования на Луне прибор РИФМА исследовал химический состав лунных пород на участках молодых (сотни миллионов лет) и старых (миллиарды лет) кратеров, а также на участках лунной поверхности, нарушенных и ненарушенных разворотом лунохода. Особый интерес представляет тот факт, что лунные породы в Море Дождей (место посадки стации «Луна-17») находятся в области одного из самых больших масконов, т. е. на участке с повышенной плотностью глубинных пород. Здесь обнаружены железо, титан, магний, кремний, алюминий и другие элементы.

Громадный экспериментальный материал, полученный комплексной самоходной лабораторией «Луноход-1» для различных участков лунной поверхности, обрабатывается и сопоставляется с данными других космических аппаратов и результатами исследований посредством наземных методов. Однако уже теперь ясно, что подтвержден вывод, сделанный на основе измерений научной станцией «Луна-10», о базальтовом характере поверхностных лунных пород и о заметной неоднородности концентрации химических элементов в разных районах Луны.

Рентгеновское излучение наружных лунных пород впервые исследовалось автоматическими станциями «Луна-10» и «Луна-12»; в результате измерений определялись как отраженное лунным грунтом солнечное рентгеновское излучение, так и вызванное последним мягкое рентгеновское излучение поверхностных слоев Луны.

В аппаратуре научной станции «Луна-12» (с повышенной чувствительностью по сравнению с аппаратурой станции «Луна-10») в качестве приемников рентгеновского излучения использовались четыре гейгеровских счетчика.

Спутник «Луна-12» провел серию измерений потоков рентгеновского излучения Луны (флуоресцентной природы), обусловленных внешним облучением. Абсолютная величина замеренного рентген-флуоресцентного излучения лунной поверхности подтверждает заключение о базальтовом типе лунных пород.

Главную часть рентгеновского излучения Луны составляет рентгеновская флуоресценция лунных пород в характеристических линиях кремния, алюминия и магния.

Значение отраженной доли излучения Луны согласно данным станции «Луна-12» составляет примерно 8 процентов; однако в этом случае регистрировалась лишь мягкая составляющая отраженных космических лучей. По материалам измерений автоматической станцией «Луна-10», интенсивность отраженного излучения лунной поверхности находится в пределах 13 – 26 процентов от интенсивности космических лучей.

Исследование рентгеновского излучения, выполненное самоходным аппаратом «Луноход-1», требует длительной обработки и анализа.