Как ведет себя лунная пыль?
КРАТКИЙ ОТВЕТ: Поведение пыли, наблюдаемое в ходе программы Apollo, полностью соответствует ее свойствам в условиях низкой гравитации и вакуума, а также форме лунных пылинок.
Выражаю признательность переводчику с китайского Ольге Шатерниковой и инженеру-двигателестроителю Елисею Маслову за помощь в подготовке главы
Лунная пыль доставила немало проблем участникам лунных экспедиций, как пилотируемых, так и беспилотных. Сложности возникают и тогда, когда поведение лунной пыли сравнивается со свойствами земной. Землянам часто приходится иметь дело с пылью и дома, и на улице, поэтому кажется, что мы хорошо себе представляем, что это такое и как она себя ведет в разных ситуациях.
Однако Луна – это другая среда, которая значительно отличается от нашей. Да и происхождение лунной пыли имеет мало общего с формированием пылевых частиц на Земле. Бóльшая часть земной пыли, с которой мы все имеем дело, – это либо продукты жизнедеятельности организмов, прежде всего нас самих, либо результат выветривания – естественной эрозии от воздействия воды, ветра, химических реакций и биологических организмов. На Луне также есть эрозия, т. е. разрушение поверхности под воздействием внешних факторов, но причины другие: метеориты, метеорная и кометная пыль, которые бомбардируют поверхность Луны миллиарды лет. Земная пыль продолжает меняться и после своего появления: атмосфера перемещает пылинки, они взаимодействуют друг с другом и встречными поверхностями. Лунная же пыль продолжает испытывать только воздействие космического «мусора», разрушаясь до совсем микроскопических частиц.
Разница в процессах формирования земной и лунной пыли определяет и разницу в их свойствах. Земная пыль хоть и не лучшим образом влияет на организмы и технику, но ее воздействие менее пагубно, чем воздействие лунной. Лунные пылевые частицы имеют больше острых выступающих граней и углов, более пористы, чем земные аналоги, обработанные атмосферой. Ряд ученых выражает опасения, что лунная пыль может стать серьезным препятствием для освоения Луны и длительных пилотируемых полетов с посадкой на поверхность. Лунную пыль учитывают при проектировании новых космических кораблей и скафандров, в которых человек готовится вернуться на Луну.
Микрофотографии частиц лунной пыли. NASA
Заметное воздействие на поведение лунной пыли оказывают и иные, чем на Земле, внешние условия. С технической точки зрения на Луне вакуум, поэтому привычные для землянина эффекты там далеко не всегда возможны. Слабая сила притяжения также добавляет особенностей.
Из-за нулевой влажности, ультрафиолетового солнечного облучения и потоков солнечных частиц на поверхности Луны важную роль начинают играть электростатические эффекты. Некоторые исследования показывают, что на Луне возможны целые пылевые бури из-за солнечных штормов, хотя эти бури не идут ни в какое сравнение с земными и марсианскими. Статическое электричество способно поднимать над поверхностью лишь самые мелкие пылинки. Однако со временем лунная пыль покрывает поверхности научного оборудования и оставленные человеком следы. Например, именно пылью объясняется снижение отражательных способностей уголковых лазерных отражателей, оставленных астронавтами Apollo и советскими «Луноходами». Также статическое электричество может быть ответственно за слипание пылинок между собой, налипание на скафандры и элементы оборудования во время работы на поверхности.
Загрязненные лунной пылью шлемы и скафандры астронавтов на полу лунного модуля. NASA
В целом, изучая кинокадры, записи телетрансляций, фотоснимки программы Apollo, советских и китайских спускаемых аппаратов, можно определить ряд особенностей лунной пыли. Некоторые из этих особенностей отличаются от привычных земных, поэтому приводят к непониманию или вопросам.
Почему спускаемые аппараты чистые после посадки на Луну?
КРАТКИЙ ОТВЕТ: Лунная пыль не клубится из-за отсутствия атмосферы, поэтому траектория ее разлета от газов ракетного двигателя линейна, что не позволяет пыли оседать на корпусе корабля.
Нил Армстронг, рассказывая о посадке, неоднократно упоминал пыль, которая поднялась, когда лунный модуль с работающим двигателем приближался к поверхности Луны. Вот его слова:
Это было немного похоже на посадку самолета в условиях тонкого слоя приземного тумана, когда сквозь него вам видны объекты. Однако весь этот туман быстро двигался, что немного смущало. Я был совершенно ошарашен, когда выключил ракетный двигатель. Частицы, которые расходились радиально от нижней части двигателя и улетали полностью за горизонт, после его выключения просто унеслись за горизонт и мгновенно исчезли, как будто двигатель был отключен неделю назад.
У нас есть возможность посмотреть эту посадку в записи кинокамеры, которая вела съемку через иллюминатор лунного модуля. На кадрах мы увидим подтверждение слов командира корабля о пыли, закрывающей обзор поверхности и улетающей линейно прочь от корабля. На кинокадрах мы не увидим клубов пыли. Чтобы убедиться в этом эффекте, мы можем посмотреть записи старта лунных модулей, снятые из кабины или со стороны (для Apollo 15, 16, 17). И тоже убедимся, что пыль разлетается вместе с потоками реактивных газов без привычных для Земли облаков. Причина такого поведения пыли очевидна: на Луне практически вакуум и нет турбулентности, которая на Земле возникает в атмосфере.
Нет турбулентной среды, нет закручивающихся клубов пыли, а есть только линейные потоки реактивных газов, которые падают на лунную поверхность и отражаются от нее практически по закону «угол падения равен углу отражения», пока хватает импульса.
Вид из иллюминатора Apollo 11 в последнюю минуту прилунения. NASA
После отключения двигателя полет пылевых частиц над Луной проходит по баллистической траектории. Вся поднятая при посадке пыль, увлеченная реактивной струей, продолжила свое прямолинейное движение и осела в стороне от корабля. Поэтому ни на самом корабле, ни на его посадочных «ногах» не заметно слоя пыли. Лишь некоторые посадочные опоры смогли «зачерпнуть» немного реголита при столкновении с поверхностью, и этот грунт можно рассмотреть на фотографиях.
Посадочные опоры (слева направо) советских, китайских и американских спускаемых аппаратов. Верхний ряд – чистые «ноги», нижний – частично погруженные в грунт. Роскосмос/ГЕОХИ РАН, CNSA/CLEP, NASA
Убедиться в том, что на Луне нет турбулентности и что спускаемые аппараты не покрываются пылью после посадки, можно благодаря советским «Луноходам» и китайским аппаратам Chang'e.
Пыль могла попасть только на расположенное в стороне оборудование. Так, из-за сдуваемой при старте лунного модуля пыли оказался загрязнен оставленный астронавтами Apollo 11 блок научных приборов EASEP. Слой пыли обнаружили и на спускаемом аппарате Surveyor 3, неподалеку от которого сел Apollo 12.
Если советские снимки 1970-х годов значительно уступают по качеству пленочным кадрам астронавтов, то уж качество съемки китайских зондов позволяет с уверенностью говорить об их чистоте и отсутствии пыли на корпусе.
Почему под космическим кораблем не образовался кратер при посадке?
КРАТКИЙ ОТВЕТ: Садящийся лунный модуль имел слабую тягу двигателя, необходимую для мягкой посадки. В вакууме поток реактивных газов сильно разрежен, а корабль двигался с горизонтальной скоростью, за исключением последних секунд. Поток реактивных газов не имел возможности и времени, чтобы «выкопать» большой кратер под кораблем, и успевал снять только небольшой верхний слой толщиной несколько миллиметров или сантиметров.
Лунная пыль довольно мелкая и легкая, однако при посадке лунного модуля ракетные газы смогли унести лишь незначительную часть приповерхностного слоя. Увидеть следы под кораблем, оставленные ракетными двигателями после посадки, можно на некоторых фотоснимках астронавтов. Однако там нет ничего похожего на кратер, который мог образоваться, если бы ракетные газы унесли значительные объемы пыли в месте посадки.
Наземные эксперименты по воздействию ракетной струи на сыпучие грунты. NASA
Поверхность Луны под лунным модулем Apollo 12. NASA
Чтобы определить состояние поверхности под лунным модулем, в исследовательском центре NASA в Лэнгли проводили натурные испытания на различных типах грунтов. И практически каждый земной грунт – пыль, песок, гравий – показал кратер под имитатором работающего ракетного двигателя.
Вопреки испытаниям и ожиданиям ни под одним лунным модулем не появилось сколь-нибудь заметного углубления.
Мифы о рыхлом реголите, в котором может утонуть садящийся космический аппарат, были разрушены еще 3 февраля 1966 года, когда прилунилась советская автоматическая межпланетная станция «Луна-9». Тогда удалось установить, что Луна твердая, и в дальнейшем это многократно подтвердилось.
Съемка камеры спускаемого аппарата Chang'e 3. CNSA/CLEP
Спускаемые аппараты «Луна-17» (вверху), Chang'e 3, Chang'e 4 (второй ряд), Apollo 14 (нижний ряд). Во всех случая нет запыленности корпуса после посадки, нет кратера от воздействия ракетной струи на поверхность и видны детали в лунной тени. ГЕОХИ/Роскосмос, CNSA/CLEP, NASA
На Земле вертолеты успешно приземляются и взлетают в пустынях, не выкапывая под собой кратер в песке, даже если весят больше лунного модуля. Если же говорить о Луне, то у нас есть наглядный пример в виде советских станций «Луна-17» и «Луна-21», которыми доставлялись советские луноходы. И есть китайские Chang'e 3 и Chang'e 4. Во всех четырех случаях никакого заметного кратера под космическими аппаратами не возникало.
Советские тяжелые аппараты «Луна» (серии Е-8) отключали маршевый двигатель на высоте около 20 м, а завершалась посадка на двигателях малой тяги, поэтому они не очень подходят для сравнения с Apollo.