Исследователи космоса

Друзья, делюсь с вами новой лекцией по астрономии. Быть может вы помните статью о созвездии Дельфина? Теперь эта статья — в доработанном и обогащенном иллюстрациями виде превратилась в познавательный видео-фильм. И он уже опубликован — на моем Youtube-канале «Вселенная и человек», посвященном моей научно-популяризаторской деятельности. Кстати, подпишитесь, пожалуйста, если еще не сделали этого.

В репертуаре канала «Вселенная и человек» уже присутствует немало интересных и познавательных видеороликов. Но фильм о Созвездии Дельфина, пожалуй, самый увлекательный — наиболее качественный, зрелый и протяженный — 25 минут отрыва от земных проблем, путешествие среди звезд одного из самых красивых созвездий.

Нет смысла пересказывать содержание, но я тезисно сообщу, что там внутри:

• история созвездия

• как найти на небе

• интересные объекты в созвездии

• легенды и мифы

• оригинальный саундтрек

Кстати, лекцию, и её музыкальное сопровождение, можно скачать, причем — в подарок. Подробнее об этом в моем блоге.

А сейчас просто пожелаю вам приятного просмотра:

• https://www.youtube.com/watch?v=hGZh8KfDUUM

Добро пожаловать в этот прекрасный звёздный Мир!

Методы обследования лавовых лунных туннелей

Современный уровень развития методов инженерно-геодезических изысканий, применимых для исследования сложных пространственно-геологических образований, каковыми являются лавовые туннели, предполагает комплексное использования ряда технологий. С одной стороны, они объективно являются инновационными, а с другой – их прототипы уже достаточно проработаны на Земле в различных географических, природно-климатических и конкретных объектовых условиях. В определенной части данные технологии также реализованы в составе программно-аппаратных комплексов современных исследовательских спутников и планетоходов.

В качестве основных инженерных технологий следует указать:

1) Фотовидеосъемку (в том числе стереоскопическую) в оптическом диапазоне при наличии заданной освещенности объектов;

2) наземное (НЛС), воздушное (ВЛС) и мобильное (МЛС) лазерное сканирование;

3) георадарное сканирование (ГС);

4) инфракрасную (мультиспектральную) съемку;

5) ультрафиолетовую съемку;

6) СВЧ-радиометрию и др.

Применение георадаров на Луне для поиска и картографирования геологических пустот под ее поверхностью

В настоящее время в ряде стран на территории специальных полигонов, имитирующих лунную поверхность, проводятся натурные эксперименты по исследованию лавовых туннелей и пещер. Отработке при этом подлежат как сами технологии, так и способы повышения эффективности их будущего комплексного напланетного применения.

Этапность осуществления лунных исследовательских миссий

Следует указать, что главной инженерной технологией, помимо традиционных и универсальных – видеосъемки и фотографирования, представляющих большую часть информации об объектах мониторинга как на Земле, так и на Луне, является лазерное сканирование. Это инновационный метод активных измерений, получающий все большее признание в различных сферах человеческой деятельности, будь то инженерные изыскания в строительстве, неразрушающий пространственно-технический контроль сложных инфраструктурных объектов, беспилотный транспорт или военное дело. Лидар как основа лазерных сканирующих систем (ЛСС), получающих уникальные высокоточные цифровые пространственные данные, находит современную реализацию в гражданской, военной, космической и иных областях.

Использование лазерного сканера в космическом варианте носимого оборудования.

Групповой спуск в лунный лавовый туннель, ранее обследованный роботом

Идеология миссии и все расчеты, приведенные в современных документах космической отрасли, строятся на необходимости создания и использования в целях обеспечения лунных и окололунных объектов средствами навигации и связи, разрабатываемой глобальной лунной системы спутниковой навигации и связи (ЛССНС). Она должна стать окололунной спутниковой системой, предназначенной для обеспечения всех лунных и окололунных потребителей данными, используемыми для решения вопросов высокоточной космической и напланетной навигации, ориентации космических кораблей, их сближения и посадки, а также непрерывной двухсторонней командной, голосовой и телевизионной связи. ЛССНС создается на базе существующих систем ГЛОНАСС, GPS, Галилео и BeiDou, представляющих собой навигационную инфраструктуру системы. ЛССНС состоит из 12 малых спутников, устанавливаемых на орбитах в двух взаимоортогональных плоскостях с наклонением 90º и радиусом 6000 км.

Вариант построения ЛССНС на базе существующих навигационных систем ГЛОНАСС, GPS, Галилео и BeiDou

Учитывая большой срок и высокую стоимость разработки указанных систем, предлагается использовать свойства лидарных технологий для создания предварительных условий начала изыскательских работ на Луне на основе местных локальных координатных систем. Применение ЛСС и базовых методов традиционной геодезии совместно с астрономической геодезией могут позволить гарантированно обеспечить деятельность лунной миссии до этапа развертывания ЛССНС, а также стать резервной напланетной навигационной системой в случае отказа глобальной ЛССНС.

Лазерная съемка главного входа в лунный лавовый туннель

Подводя итог вышесказанному, можно констатировать, что инструментарий лидарных технологий, объединяющий возможности получения и представления данных о лунной поверхности и объектов на ней, позволяет решать весь класс задач, стоящих перед изыскателями при проектировании, строительстве и эксплуатации различных инженерных сооружений как на земле, так и на других планетах вне зависимости от масштабов и сложности работ:

• выполнение комплекса пространственных измерений (геодезических работ), необходимых для составления и сопровождения проекта по строительству;

• определение на местности положения основных осей и границ сооружений, а также других их характерных точек в соответствии с проектами строительства;

• обеспечение геометрических форм и размеров элементов объектов, зданий и сооружений на местности в соответствии с его проектом в процессе строительства;

• обеспечение геометрических условий установки и наладки специального оборудования;

• установление отклонений элементов сооруженного объекта от его проекта;

• изучение деформаций основания и тела сооружения, происходящих под действием различных нагрузок, под влиянием внешних факторов и деятельности человека;

• определение расположения на поверхности планеты (или в ее недрах) отдельных объектов, элементов и характеристик, представляющих интерес для исследователей.

Временный экспедиционный лагерь для пребывания внутри лавовой трубы

Футуристический проект стационарной космической базы – сложного распределенного инженерного инфраструктурного объекта

Проблема получения и представления пространственной метрической информации о лунных лавовых туннелях, пещерах и иных образованиях с заданной точностью и детальностью на основе технологии лазерного сканирования во всех случаях решается посредством разработки 3D-модели объекта (местности).

Пространственная модель лавовой трубы, полученная объединением сканов

Для современного инженера-исследователя это, прежде всего, предоставление следующих возможностей:

• трехмерное представление объективно более наглядно для любого пользователя-проектировщика, строителя, оператора и др.;

• наличие третьего измерения в виде координаты, а не атрибута, позволяет значительно расширить спектр и уровень автоматизации решаемых задач;

• детальность получаемой ЛСС информации настолько высока, что позволяет на трехмерных моделях отобразить элементы сооружений, которые ранее не могли учитываться;

• универсальное цифровое представление модели позволяет значительно ускорить процесс принятия решений при возникновении различных нештатных ситуаций и оперативном изменении плана строительства путем

автоматизации процессов управления и использования единого набора данных (атрибутивной информации, классификаторов и пр.) модели;

• трехмерные модели позволяют получить привычный базовый набор электронной технической документации в виде планов и строительных чертежей.

Компьютерная модель площадки лунной базы (фаза инженерной разведки с начальными объектами инфраструктуры)

Часто проведение лазерных измерений в подземных полостях (пещерах, туннелях, подповерхностных галереях) является единственным способом получения надежной пространственной топографической и картографической информации (при невозможности проведения классической фотограмметрии, в условиях наличия магнитных аномалий, в случае непрохождения сигналов спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS, отсутствии освещения и т. п.).

Oбучeниe acтpoнaвтoв в уcлoвияx зeмныx лaвoвыx тpуб в 2016 гoду

Любая профессиональная деятельность космических экипажей, тем более лунные напланетные исследования должны быть предварительно отработаны в земных условиях. Это требование является основополагающим принципом подготовки космических экипажей, проводимой в НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина. Существует ряд природных полигонов, в том числе на территории Дальневосточного региона Российской Федерации, где уместно организовать специальные полевые испытания перспективных отечественных ЛСС и отработку способов (навыков) безопасного эффективного инженерного обследования реальных лавовых туннелей, аналогичных лунным, а также проработать тактику действий российских космонавтов на различных этапах реализации лунной программы.

Фрагмент статьи из журнала Пилотируемые полеты в космос № 4(41)/2021 - 1(42)/2022

Актуальными событиями, характеризующими современный этап развития крупных космических держав, являются непосредственная подготовка к проведению полетов по освоению Луны, Марса и других космических тел, в том числе, малых планет Солнечной системы, а также изучение их поверхности автоматическими аппаратами, включая планетоходы, с целью организации активной напланетной деятельности человека.

Подтверждением этому являются успешное функционирование марсоходов Curiosity и Perseverance (Национальное управления по аэронавтике и исследованию космического пространства – NASA), Zhurong / Tianwen-1 (Китайская аэрокосмическая научно-техническая корпорация), лунные проекты Китая – Chang’e, США – VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover) в составе программы Artemis, Индии – Chandrayaan, а также отечественные – «Луна – 25; 26; 27; 28; 29 и 30» в составе лунной программы Российской Федерации.

Основные способы исследований и организации деятельности на Луне

Как показывает общий анализ обозначенных выше национальных исследовательских программ Луны, основными этапами освоения других планет являются:

1) проведение напланетных исследований с помощью низкоорбитальных космических станций и автоматических планетоходов (универсальных и специализированных);

2) выполнение беспилотных миссий транспортных космических кораблей на орбиту осваиваемой планеты;

3) проведение пилотируемых миссий для создания долговременных орбитальных космических станций;

4) посадка космонавтов на поверхность планеты с использованием лунного взлетно посадочного комплекса (ЛВПК) и проведение подготовительной деятельности по ее освоению;

5) строительство и эксплуатация стационарных лунных баз в интересах проведения регулярных научных исследований и освоения ресурсов планеты.

Вариант дорожной карты обеспечения реализации лунной программы РФ.

Наименее исследованными и более сложными объективно являются этапы деятельности, связанной с участием в ней человека и непосредственным проведением работ на поверхности других планет.

Прежде всего, эти периоды характеризуются специфическими условиями пребывания на планете (радиационная опасность, аномальные температуры, гравитация и пр.) и ограниченными возможностями человеческого организма. Другим важным фактором является необходимость организации именно долговременной деятельности человека, что определяется созданием и оборудованием мест труда и отдыха космонавтов. А это, в свою очередь, требует проведения большого комплекса работ, связанных с инженерными изысканиями, проектированием и строительством первых лунных (марсианских) баз, а также отработкой технологии их развития и эффективной эксплуатации.

В настоящее время разработаны следующие основные методы организации лунных баз:

I. Применение в качестве узловых элементов базы посадочных (орбитальных) космических модулей.

II. Строительство (монтаж) напланетной базы на основе доставляемых на поверхность Луны специальных легкосборных конструкций, предварительно разработанных и изготовленных на ее орбите или на Земле.

III. Сооружение лунной базы с использованием строительных материалов добываемых (производимых) непосредственно на поверхности планеты.

IV. Использование в части главных или вспомогательных конструктивных элементов базы естественных укрытий, образованных на поверхности исследуемой планеты в ходе вулканических, тектонических, атмосферно-гидрологических и иных видов воздействий, включая метеоритные (пещер, лавовых труб, разломов, каньонов, колодцев, каверн, ударных воронок и др.).

I. Организация лунной деятельности на базе посадочного модуля

II. Сооружения из легкосборных конструкций на основе углеволокна

III. Устройство конструкций базы из искусственных реголитовых блоков

Оценивая практическую реализуемость представленных выше методов организации напланетных баз, необходимо указать следующее:

а) развертывание системы базирования на основе посадочных космических модулей является наиболее простым и малозатратным, однако обладает низкими показателями эффективности в связи с объективно ограниченным потенциалом космических станций по объемам рабочей площади, запасу ресурсов, энергетическим возможностям и общей функциональности; показатели оперативности и мобильности при реализации метода I наиболее высокие (станция может начинать работу сразу после посадки, существует возможность изменения ее исходного местоположения);

б) реализация методов II и III потребует доставки на поверхность других планет большого количества специальных материалов, строительных машин и механизмов, а также участия значительного количества профильных специалистов. Это, в свою очередь, вызовет необходимость использования многоразовых полетов большегрузных транспортных космических кораблей, что является очень затратным и повлечет серьезное усложнение организации работ, а также необходимость применения, помимо человека, роботизированной техники различного типа; показатели оперативности и мобильности при реализации данных методов строительства стационарной базы наиболее низкие (время начала работы базы обусловлено доставкой и использованием большого объема материалов и разновидовых ресурсов), мобильность для метода II – минимальная, а для метода III – отсутствует;

в) использование в качестве основных элементов базы естественных

укрытий на поверхности Луны оценочно является наименее затратным и высокооперативным, однако потребует осуществления определенного комплекса предварительных изыскательских работ, проводимых, в том числе, с помощью автоматических роботизированных поисково-инженерных систем и (или) непосредственно космонавтами.

Что такое «лавовые туннели», их характеристики и применимость для размещения обитаемых модулей лунных баз.

Последние два десятилетия применения космических исследовательских аппаратов на орбитах планет Солнечной системы ознаменованы открытием под их поверхностью большого числа уникальных геологических образований, каковыми являются лавовые туннели и пещеры. В настоящее время подповерхностные пустоты идентифицированы на Луне и Марсе, а также подтверждены на Венере, Фобосе, Эросе, Гаспре, Иде, Энцеладе и Европе.

Лaвoвaя тpубa Skуlight нa Mapce. Для cpaвнeния pядoм Boeing 747. Фoтo: NASA

В общем случае, на сегодняшний день открыто, описано и удаленно исследуются более сотни различных геологических пустот, имеющих выход на поверхности различных планет Солнечной системы и обладающих потенциальной возможностью непосредственного проведения в них предварительных геодезических, геологических, экологических и других видов специальных инженерных изысканий.

Наиболее актуальная информация о Луне доставляется с помощью космического аппарата Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) – автоматической межпланетной станции, ведущей непрерывный мониторинг поверхности данной планеты с 2009 года.

Фото характерного геологического провала на поверхности Луны (автоматическая межпланетная станция NASA Lunar Reconnaissance Orbiter).

С большой вероятностью предполагается, что это может быть входом в протяженную систему туннелей, существующих под поверхностью Луны, и речь идет о так называемых «лавовых трубках», которые в большом количестве изучаются и исследуются и на Земле. Изучением данного «провала» сейчас занимаются эксперты Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США. Как отметили там, его диаметр составляет около 100 м.

Характеристика процесса образования лавовых труб

Как показывают исследования на Земле, лавовые трубки могут достигать 14–15 метров в ширину и находиться на глубине от 1 до 15 метров под поверхностью. При этом, общая длина участков лавовых трубок может быть очень большой и иногда достигает километра.

Лавовая труба Манджанггул – остров Чеджу, Южная Корея. (Gary Cycles)

Лавовая труба в Национальном заповеднике Мохаве в округе Сан-Бернандиньо, Калифорния, США. (Chazz Layne)

Учитывая, что протяженность лавовых трубок измеряется от десятков до сотен метров и более, а толщина покрывающего слоя может достигать 10 м, внутренние пространства этих лавовых трубок могут стать естественным укрытием от проникающей радиации, экстремальных температур и метеоритных ударов, а также значительно упростить систему поддержания климата. Так на поверхности естественного спутника Земли температура регулярно изменяется от −150 °C до +100 °C, а на Марсе перепад температур может составлять около 70 °C и более. В это время в лавовых трубках Луны уже в паре метров от ее поверхности круглосуточно и круглогодично царит температура в 30 градусов ниже нуля по Цельсию. По данным ряда ученых, среда в лавовой полости лишена пыли. Это также поможет решить одну из серьезнейших проблем освоения Луны.

Еще одним важным фактором является вероятное нахождение в лунных лавовых туннелях большого количества отложений в виде водяного и углекислого льда, либо породы, содержащей указанные вещества в большой концентрации. А это значит, что люди, пребывающие в указанных условиях, могут быть обеспечены водой и полезным минеральным сырьем, которое вероятно использовать для получения метана. Таким образом, и воду, и ракетное топливо, и окислитель можно будет получать на Луне в местах относительно безопасных для длительного нахождения человека.

Важным отрицательным фактором постоянного проживания в лавовых туннелях является недостаточное количество естественного освещения (солнечного света). Этот фактор представляет существенную проблему и при проведении инженерного обследования указанных геологических объектов в условиях планетарной ночи.

Часть 2

Фрагмент статьи из журнала Пилотируемые полеты в космос № 4(41)/2021 - 1(42)/2022