Почему построить «парковку» на Луне сложнее, чем долететь до нее: инженерный расчет первой многоразовой площадки из лунной пыли

Освоение космоса уже давно просится перейти из фазы краткосрочных экспедиций в фазу постоянного присутствия. Главным препятствием на этом пути становится не столько создание ракет, сколько отсутствие инфраструктуры в месте назначения. Посадка тяжелого корабля на неподготовленную поверхность Луны создает большие риски: реактивная струя поднимает в вакуум тонны реголита, который, не встречая сопротивления атмосферы, разлетается с огромной скоростью. Этот абразивный поток способен повредить датчики, солнечные панели, обшивку самого корабля и любые сооружения, находящиеся в радиусе нескольких километров.

Для безопасной логистики «Земля — Луна» необходимы стационарные посадочные площадки. Однако экономика космических полетов делает доставку строительных материалов с Земли невозможной. Стоимость транспортировки бетона и стали на Луну превышает любые разумные бюджеты. Единственное решение — строительство из того, что находится под ногами.

Инженеры из Университета Пердью опубликовали исследование, в котором детально разобрали физику и механику создания таких площадок. Их работа демонстрирует, как проектировать надежные конструкции в условиях дефицита данных и невозможность использования привычных земных технологий.

Материаловедение в условиях дефицита

Главная проблема лунного строительства — отсутствие стали. На Земле прочность зданий и дорог обеспечивает железобетон: сам бетон сопротивляется сжатию, а стальная арматура внутри него воспринимает нагрузки на растяжение и изгиб. Без арматуры бетонная плита при неравномерной нагрузке лопается.

На Луне инженерам доступен только реголит — слой пыли и обломков породы, покрывающий планету. Чтобы превратить его в строительный материал, предлагается использовать технологии высокотемпературного спекания. С помощью микроволн или лазеров грунт нагревают до 1000-1200°C, пока частицы не сплавятся в монолит.

Полученный материал — спеченный реголит — по своим механическим свойствам близок к керамике или камню. Он обладает высокой прочностью на сжатие (выдерживает огромный вес), но является «квазихрупким». Это означает, что он крайне плохо сопротивляется растяжению. Любая попытка согнуть такую плиту приведет не к её деформации, а к мгновенному разрушению. Задача инженеров — спроектировать площадку для 50-тонного корабля из материала, который не прощает ошибок, не имея возможности армировать его металлом.

Расчет геометрии: возврат к классической механике

Поскольку строительных норм для Луны не существует, авторы исследования отказались от сложных компьютерных симуляций в пользу «первых принципов» — базовых физических уравнений. Для расчетов использовались формулы Вестергарда, применяемые с 1920-х годов для проектирования жестких дорожных покрытий. Этот подход позволяет четко контролировать коэффициенты запаса прочности.

В качестве расчетной нагрузки был выбран перспективный тяжелый посадочный модуль массой 50 тонн (аналог проектов Blue Moon или Starship). Инженеры рассмотрели наиболее опасный сценарий: нештатную посадку, при которой корабль касается площадки не всеми опорами одновременно, а ударяет одной ногой в самый слабый участок плиты — её угол. К статической массе корабля был добавлен динамический коэффициент 1.3, учитывающий силу удара при касании.

Математическое моделирование показало: чтобы компенсировать хрупкость материала и отсутствие арматуры, плита должна обладать значительной толщиной. Для 50-тонного аппарата критическая толщина плиты из спеченного реголита составляет 36 сантиметров.

Именно такая толщина обеспечивает конструкции необходимую жесткость. Плита начинает работать как единый монолит, распределяя точечную нагрузку от опоры корабля на большую площадь грунта. Это критически важно, так как плотность и несущая способность естественного лунного грунта под площадкой могут варьироваться, и мы не имеем возможности провести полноценные геологические изыскания перед началом строительства. Жесткая и толстая плита нивелирует риск просадки грунта.

Термический удар: главная угроза целостности

Если механическую нагрузку от веса корабля можно компенсировать толщиной плиты, то температурное воздействие реактивной струи создает проблемы иного порядка. Температура факела двигателей при взлете и посадке достигает 3400°C.

Спеченный реголит обладает низкой теплопроводностью. Это физическое свойство создает внутри плиты экстремальный температурный конфликт. В момент старта верхний слой материала (толщиной в несколько сантиметров) мгновенно раскаляется и стремится расшириться. В то же время основной массив плиты на глубине остается холодным (температура может составлять -200°C и ниже).

Возникает очень большой градиент напряжений. Верхний слой пытается «растянуть» конструкцию, но холодное основание и сила трения плиты о грунт препятствуют этому. В материале возникают напряжения сжатия и растяжения, превышающие предел прочности спеченного реголита.

Моделирование методом конечных элементов показало неизбежное:

1. Тепло не успевает проникнуть глубоко: даже при длительном воздействии нагревается лишь верхняя часть плиты.
2. В зоне контакта с пламенем (диаметром около 9 метров) верхний слой толщиной от 15 до 50 мм получит необратимые повреждения.
3. Избежать появления сети поверхностных трещин при использовании данного материала невозможно.

Проблема продавливания

Помимо изгиба и температурного расширения, существует риск так называемого «продавливания». Это вид разрушения, при котором опора корабля пробивает плиту насквозь, вырезая в ней конус, как дырокол.

В земном строительстве для защиты от этого используют поперечное армирование. На Луне инженерам приходится полагаться только на прочность самого материала. Расчеты подтвердили, что выбранная толщина в 36 сантиметров достаточна для сопротивления продавливанию. Периметр критического сечения вокруг опоры корабля способен выдержать нагрузку около 330 тонн, что многократно перекрывает реальный вес модуля, даже с учетом ударной нагрузки.

Новая стратегия эксплуатации

Результаты исследования диктуют смену инженерной парадигмы. На Земле мы привыкли строить сооружения с расчетом на отсутствие трещин в течение всего срока службы. Для лунной инфраструктуры первого поколения этот подход нереализуем.

Авторы предлагают концепцию «управляемого повреждения». Поскольку предотвратить поверхностное растрескивание от термического шока невозможно, его следует принять как рабочий параметр. Микротрещины в верхнем слое, хоть и являются дефектом, могут выполнять функцию температурных швов, снимая избыточное напряжение в материале и предотвращая разрушение всей плиты на полную глубину.

Стратегия строительства должна выглядеть так:

1. Проектирование с запасом: использование консервативных оценок прочности материала, так как реальные свойства реголита могут отличаться от лабораторных образцов.
2. Инструментальный контроль: внедрение датчиков температуры и деформации непосредственно в тело плиты на этапе её спекания.
3. Итеративный подход: первая посадка станет стресс-тестом. Данные, полученные в ходе реальной эксплуатации, позволят скорректировать модели для строительства следующих, более совершенных площадок.

Заключение

Строительство на Луне требует отказа от представлений, сформированных земным опытом. Мы не можем просто перенести технологии бетонирования в вакуум. Инженерам приходится возвращаться к базовой физике, чтобы найти баланс между огромными механическими нагрузками, экстремальными температурами и хрупкостью единственного доступного материала.

Плита толщиной 36 сантиметров из спеченной пыли — это, вероятно, тот минимум, который отделяет успешную многоразовую логистику от аварии. Дальнейшие исследования должны сосредоточиться на технологиях уплотнения лунного грунта и изучении долговечности материалов в условиях радиации и вакуума. Без решения этих строительных задач создание постоянной базы на другом небесном теле останется невозможным.

Источник:Acta Astronautica