Современные достижения космонавтики (сборник статей) - [8]

А. СИЛИН, доктор технических наук МАШИНЫ НА ЛУННОМ ГРУНТЕ

Советские ученые и инженеры при разработке лунной буровой, установки решили многие научно-технические проблемы. Сложная и необычная задача заключалась, например, в изучении особенностей активного взаимодействия элементов машин и механизмов с горными породами Луны.

Специфика такого взаимодействия обусловлена прежде всего особенностями поверхностного слоя лунного грунта — реголита, который сформировался в условиях, принципиально различных от земных. К ним относится в первую очередь выброс лунного вещества в результате метеоритных взрывов с последующим выпадением на поверхность мелкодисперсных частиц, а также камней и глыб.

Другой специфический фактор состоит в бомбардировке поверхности Луны потоком протонов, образующих «солнечный ветер», при одновременном интенсивном воздействии электромагнитного излучения. Необычность обстановки усугубляют сверхвысокий вакуум и резкие суточные колебания температуры поверхностного слоя.

Особенно важное практическое значение имеет склонность лунного грунта к адгезии (слипанию) с теми деталями технических устройств, которые находятся в непосредственном контакте с ним. Интенсивность слипания может меняться в широких пределах, определяемых одновременным действием большого числа факторов, в том числе имеющих достаточно тонкий физический механизм. В принципе адгезия может возникать между телами самой различной физической природы и химического состава. Экспериментально доказано, например, что в сверхвысоком вакууме может происходить сильная адгезия между металлами и горными породами.

Адгезионный контакт между грунтом и работающим буром может вызвать сильный износ и заклинивание бурового инструмента в скважине. Кроме того, в ряде случаев может происходить более или менее интенсивное налипание грунта на детали машин и механизмов. В принципе возможен и обратный процесс — перенос материала инструмента на лунный грунт. Оба эти явления нежелательны и даже опасны при бурении.

По мере увеличения времени контакта машин и механизмов с лунной поверхностью все большее значение приобретает проблема изнашивания тех деталей технических устройств, которые активно взаимодействуют с лунным грунтом. При этом, кроме адгезионного изнашивания, вызванного сверхвысоким вакуумом, было важно также выяснить роль абразивного износа. Его интенсивность определяется в основном, твердостью режущих частиц грунта, а также их формой и размерами.

Изучение особенностей — взаимодействия с лунным грунтом вначале велось на различных земных породах — аналогах лунным. Следующим шагом стали исследования непосредственно на поверхности Луны. Наконец наступил наиболее результативный этап экспериментов — изучение образцов лунного грунта в земных лабораториях.

Такие исследования проводились на специально созданной установке для комплексной оценки инженерно-физических свойств лунного грунта в вакууме и инертных газах. Установка позволяет проводить исследования с обычным количеством вещества, а также с малыми его пробами.

Работы с малыми объемами лунного вещества потребовали разработки новой методики исследований. Суть ее в том, что элементы машин взаимодействуют с тонким слоем частиц мелкодисперсного грунта, прочно закрепленных на торцевой поверхности металлического образца. Эффективность такой методики подтверждена серией контрольных опытов, в которых горные породы использовались как в виде монолитных образцов, так и в виде порошков, закрепленных на металлических пластинках.

Абразивные свойства лунного грунта и его аналогов определялись по потере в весе металлического образца, а также по степени помутнения пластинок из органического стекла, которые трутся о закрепленные частицы грунтов. Помутнение поверхности пластинок определялось по пропусканию света. Примененная для этого установка состоит из осветителя — неон-гелиевого лазера и оптической системы.

Анализ данных, полученных в результате подобных экспериментов, позволил сделать ряд выводов, имеющих большое практическое значение.

Оказалось, что по своим фрикционным свойствам исследованный вид лунного грунта близок к некоторым земным породам, например дробленому базальту. Это дает возможность использовать его в качестве аналога лунного грунта при оценке взаимодействия с буровыми снарядами. Коэффициенты трения лунного грунта о конструкционные материалы достаточно велики. Таким образом, обеспечивается достаточное сцепление с грунтом при передвижениях, даже несмотря на слабое притяжение Луны. А относительно малая прочность грунта компенсируется шестикратным снижением веса и специальными приспособлениями, которые снижают удельное давление на поверхностный слой и, кроме того, усиливают связь с ним ходовых элементов машины. В то же время при резких ударах лунный грунт не проявляет упругих свойств, а проседает, подобно рыхлому снегу.

Абразивность лунного грунта и его микротвердость значительно меньше аналогичных показателей земного кварцевого песка. По-видимому, нет какой-либо особой опасности абразивного изнашивания деталей инструментов и других технических устройств, длительно взаимодействующих с грунтом. Это не исключает, однако, возможности интенсивного изнашивания, обусловленного образованием сильных межмолекулярных связей при соприкосновении cvгрунтом в сверхвысоком вакууме.