Текст книги "Строение Луны"
Автор книги: Игорь Галкин
Соавторы: Валентин Шварев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 4 страниц)
В астеносфере Луны, как и Земли, возможны конвективные потоки частично расплавленного вещества, однако их скорость (0,1 см/год) и действие существенно иные. Они не в состоянии расколоть или передвинуть глыбы литосферного монолита, их силы хватает лишь на то, чтобы произвести в нижние горизонты литосферы инъекции разогретого вещества, на которые планета откликается слабыми сейсмическими «щелчками».
Современные представления о структуре центральной зоны Луны сугубо ориентировочные. Уменьшение скоростей продольных волн до значений 3,6–5,2 км/с не противоречит предположению о существовании в центре Луны железо-сульфидного ядра радиусом 200–400 км. Ограничение на размеры ядра дает величина относительного момента инерции Луны, которая измерена с высокой точностью (0,395 ± 0,05). Расчеты показывают, что для модели с корой, имеющей плотность 3 г/см3, и однородной мантией (плотность 3,43 г/см3) момент инерции должен быть 0,399. В случае железо-сульфидного ядра с радиусом 700 км момент инерции уменьшится до 0,391. Если же ядро чисто железное, то оно не скажется на величине момента инерции при радиусе не более 450 км. Низкие скорости продольных волн в центре Луны нельзя объяснить металлизацией силикатов мантии, для этого здесь слишком малые давления (не более 50 тыс. атм) и температуры (до 2000 К). В центре Земли температура почти такая, как на поверхности Солнца (6000 К), а давление в несколько миллионов раз больше атмосферного (3,5 · 106 атм).
Интересно посмотреть на недра Земли и Луны, сравнив их в едином масштабе глубин, т. е. отношение глубин слоев к радиусу планеты (рис. 12). Тогда наблюдается совпадение относительных глубин основных планетарных оболочек. На глубине 0,05 относительных радиусов происходит самое резкое увеличение скоростей сейсмических волн. На Луне это соответствует переходу от коры к мантии, на Земле – началу перехода от верхней к нижней мантии. На половине радиуса начинается область, где исчезают поперечные волны. При этом на Луне состав вещества, по-видимому, остается мантийным, т. е. преобладают ультраосновные силикаты. На Земле же это связано скорее всего с изменением химического состава. Наконец, в обоих небесных телах обнаружена внутренняя сфера с относительным радиусом 0,2, в основном состоящая из железа.
Рис. 12. Основные оболочки Земли и Луны
Эволюция и тепловое состояние Луны. Данные о составе, состоянии и физических свойствах лунных пород, собранные по крупицам в сложных и рискованных экспедициях, несмотря на известную ограниченность этих данных, позволяют сделать важные, пусть предварительные, заключения об основных этапах и направленности эволюции Луны.
Большинство исследователей сходятся в том, что Луна образовалась достаточно быстро, и начальная температура ее была высокой. По мнению ученых из Института физики Земли АН СССР, тело Луны скомпоновалось в околоземном «спутниковом рое» 4,5 млрд. лет назад, вскоре после того, как сама Земля возникла из холодных газовых и пылевых частиц протопланетного облака. Этим объясняется наблюдаемый дефицит железа и легкоплавких элементов в Луне по сравнению с Землей.
Определения мощности лунной коры и литосферы, эффект «пропадания поперечных волн» в ее центральной зоне, величина теплового потока и отсутствие планетарного магнитного диполя позволяют судить о нынешнем состоянии недр Луны. Возраст самых древних (4,15 млрд. лет) и самых молодых (3 млрд. лет) пород, время выплавления морских базальтов (3,75 -3,15 млрд. лет) и высокая остаточная намагниченность пород свидетельствуют о далеком планетарном прошлом Луны.
Реконструкция тепловой истории Луны проводится многими исследователями путем решения на электронно-вычислительных машинах уравнений теплопроводности. При этом задаются перечисленные граничные условия и оцениваются начальная температура Луны, концентрация радиогенных элементов, плотность, теплоемкость, теплопроводность, а также изменчивость этих физических констант во времени.
По-видимому, основная направленность планетарного «жизненного» процесса на Луне (равно как на Земле и других планетах земной группы) состоит в расслоении изначально однородного тела планеты на оболочки: легкую кору, мантию, тяжелое ядро.
Закат Солнца на Луне 4,5 млрд. лет назад не был таким величественно-спокойным, как теперь. Светило погружалось в плещущий «океан» расплавленных горных пород. Град метеоритов сыпался в него, приводя к перемешиванию, дегазации, закалке и переплавлению материнского вещества Луны. В расплавленной оболочке в планетарном масштабе совершалось фракционное разделение фаз – формировались кора и мантия Луны. При этом радиоактивные элементы концентрировались в коре, обусловливая высокий тепловой поток, породы коры обогащались кальцием и алюминием (образовывались анортозиты), в мантии преобладали окислы железа и магния (пироксены и оливин).
Период магматической активности Луны длился не более 1,5 млрд. лет. Постепенно внешняя оболочка Луны, остывая снаружи, затвердевала, мощность литосферы наращивалась примерно на 200 км каждый миллиард лет.
По-видимому, в конце первого миллиарда лет возникло центральное расплавленное ядро. Возможно, в нем действовал саморегулирующийся механизм «электромагнитного динамо»; свидетельство его былой силы-высокая палеонамагниченность лунных пород, его жидкие «останки» видимо подсекли сейсмические волны вблизи центра Луны.
По мере остывания внешней корки и продолжения метеоритной бомбардировки 4,4–4,1 млрд. лет назад образовался типичный лунный кратерный рельеф. Трещины от ударов метеоритов протягивались в кору на десятки километров, а реголит имел гигантскую мощность – несколько километров.
Со временем частота падений космических тел на Луну сокращалась, но напоследок, 4,1–3,9 млрд. лет назад, произошли катаклизмы, оставившие неизгладимый след на поверхности в виде гигантских котловин – Больших Бассейнов. Самые древние из них (как Море Спокойствия) имеют неправильную форму, неглубокое днище и не содержат избытка или дефицита масс. А относительно молодые (Моря Дождей, Кризисов и т. д.) – круглые, глубокие, «масконовые». Похоже, что 4 млрд. лет назад что-то переменилось в механических свойствах коры, быть может, завершились подъем и кристаллизация расплавов оболочки.
Последняя глава активной эндогенной жизни Луны – затопление Больших Бассейнов видимой стороны ныне «замерзшими» морями темных базальтов. Базальты поднимались из недр, где распад радиоактивных элементов обеспечивал необходимую для их расплава температуру. Излияния носили скорее всего импульсный характер и были приурочены к местам коры, раздробленным и ослабленным падением метеоритов. Благодаря различиям состава и температуры недр в разных регионах Луны период заполнения морских бассейнов базальтами затянулся от 3,8 до 3,0 млрд. лет. Отсутствие морей на обратной стороне Луны может объясняться как большей мощностью ее коры, так и тем, что притяжение Земли направляло метеориты на всегда обращенную к ней сторону Луны.
На Луне 3 млрд. лет назад воцарилось относительное спокойствие. Столь древний образ космического мира подарила Луна исследователям последнего 18-летия (рис. 13).
Рис. 13. Основные этапы эволюции (верх) и распределение температуры во времени (низ) по Токсоцу:
1 – дифференциация с образованием коры; 2 – образование анортозитов; 3 – магматическая активность, метеоритная бомбардировка; 4 – образование Больших Бассейнов; 5 – заполнение «морей» базальтами (косая штриховка – зона частичного плавления веществ, клетка – зона полного плавления)
В настоящее время Луна исчерпала свои «жизненные» тектонические ресурсы. Процесс разделения ее вещества давно завершен. Луна остывает – излучение тепла через поверхность превосходит его генерацию в недрах. Если тепловой поток за все время существования Луны был соизмерим с теперешним, то она потеряла энергию ~1036 эрг, которая превышает энергию разделения по плотности и теплосодержание вещества в состоянии полного плавления и соизмерима с энергией гравитационной связи Луны.
На Земле картина иная: суммарные теплопотери здесь меньше энергии гравитационной дифференциации, в результате которой образовалось железное ядро Земли.
Возможно, ключ к пониманию тепловых различий режимов планет кроется в их «способности» превращать тепло в другие виды энергии. Общая энергия, выделяемая в год землетрясениями, всего лишь на 2–3 порядка меньше теплопотерь Земли. С учетом КПД «тепловой машины» получается, что Земля «умеет» превращать тепло в механические движения при землетрясениях и других тектонических процессах.
На Луне все иначе: менее одной миллиардной части ее тепловыделений превращается в сейсмическую энергию – остальное «улетучивается» в космос бесполезно для селенотектоники. Тектоническая «жизнь» Луны «парализуется» мощной жесткой холодной литосферой. В ее разогретой астеносфере могут существовать конвективные потоки вещества, но они слабы и недостаточны, чтобы расколоть или передвинуть литосферу и лишь в состоянии вызвать слабые потрескивания на контакте с ней. К тому же давление и температура ее недр недостаточны для фазовых превращений минералов, которые на Земле служат мощным источником ее активности.
Строение наружного покрова Луны
Представления о строении покрова Луны до 1966 г. Первые сведения о структуре и физических свойствах покрова Луны были получены в результате наземных измерений ее оптического, теплового и радиоизлучений. Ведущая роль в наземных исследованиях покрова Луны принадлежала советским астрономам Н. П. Барабашову, А. В. Маркову, В. С. Троицкому, В. Г. Фесенкову, В. В. Шаронову, начавшим исследования физических свойств покрова Луны задолго до космических полетов. Эти исследования прежде всего обнаружили необычный характер отражения света поверхностью Луны, который можно было объяснить только чрезвычайной ее изрытостью. Интерпретация и моделирование полученных оптических характеристик лунной поверхности позволили сделать фундаментальный вывод о том, что наружный слой (несколько миллиметров) покрова Луны обладает столь высокой пористостью, какой не обладает ни один из земных грунтов. Подобную пористость имеют лишь искусственные губкообразные материалы с очень тонкими непрозрачными стенками, а также материалы, напоминающие мох со сложной ветвистой структурой. Этот вывод на долгие годы был положен в основу многих гипотез о возможном строении покрова Луны. Исследования инфракрасного излучения Луны показали, что его теплопроводность в сотни раз меньше теплопроводности земных горных пород и подтвердили вывод о высокой пористости уже более толстого (до 10 см) наружного слоя покрова Луны. Оценка свойств покрова Луны на еще большую глубину впервые была сделана В. С. Троицким и его сотрудниками. Путем регистрации радиоизлучения Луны они установили, что средняя плотность покрова Луны постепенно увеличивается. Так, на глубине до 4 см она может быть принята равной 0,6 г/см3, на глубине до 3 м – 1 г/см3, на глубине до 6 м– 1,5–2 г/см3. Эти данные относились ко всему диску Луны.
Физические свойства поверхности Луны использовались для разработки гипотез о строении покрова Луны. Однако в результате различного понимания процессов формирования покрова Луны и характера воздействия на него внешних (экзогенных) и внутренних (эндогенных) факторов данные наземных наблюдений по разному интерпретировались и привели к различным представлениям о строении покрова Луны.
Преобладающими были гипотезы о чрезвычайно пористом, пенистом, но твердом, как бы застывшем лавовом покрове Луны (В. С. Троицкий, Г. Койпер). Существовала также гипотеза о ноздреватом, губчатом строении покрова Луны, сложенного из спекшегося шлака (Н. Н. Сытинская), о рыхлом зернистом покрове (Н. П. Барабашов). В то же время упорно отстаивалась гипотеза пылевого покрова Луны, чрезвычайно рыхлого на глубину в несколько километров (Т. Голд).
Ожидалось, что детальное фотографирование поверхности Луны с помощью космических аппаратов снимет эти противоречия. В США в 1964–1965 гг. был проведен запуск серии аппаратов «Рейнджер», которые передавали телевизионные изображения поверхности Луны вплоть до их удара о поверхность Луны. На снимках, полученных с высоты вплоть до 300 м от поверхности, можно было различить детали с размерами до 0,5 м (тогда как на снимках с Земли наименьший размер составлял 300 м).
Однако анализ многочисленных (десятки тысяч) изображений не привел к однозначным представлениям о строении покрова Луны: несмотря на единство взглядов о высокой пористости покрова Луны, мнения о его прочности оставались существенно различными.
Так, например, в 1965 г. на конференции, организованной НАСА, возникли резкие разногласия по вопросу о несущей способности верхнего покрова Луны и ее зависимости от глубины. Названную Г. Койпером величину 1 кгс/см2 большинство участников конференции считали завышенной и предлагали ее снизить на 2–3 порядка.
Стала очевидной необходимость применения надежных инженерных методов определения механических свойств грунтов. Но для проведения этих исследований, в свою очередь, было необходимо осуществить мягкую посадку на Луну.
Определение физико-механических свойств наружного покрова Луны. Физико-механические характеристики необходимы были прежде всего для решения таких первоочередных технических проблем, связанных с освоением Луны, как обеспечение мягкой посадки на Луну и передвижения по ее поверхности. Важное научное значение этих характеристик состоит также в том, что они могут быть использованы в качестве геологических показателей условий формирования и существования покрова Луны.
Первые рекогносцировочные эксперименты были выполнены с помощью советских автоматических станций «Луна-9» и «Луна-13» и американских автоматических аппаратов серии «Сервейер». Выдающимся научно-техническим достижением стало осуществление мягкой посадки на Луну.
Впервые эту посадку совершила советская автоматическая станция «Луна-9».
В связи с тем что прочность покрова Луны, по существу, не была известна, конструкция станции «Луны-9» позволяла осуществить ее посадку как на весьма слабые пылевые грунты, так и на высокопрочные скальные горные породы (рис. 14).
Рис. 14. Схема посадок станции «Луна-9»:
1 – торможение лунной ракеты и наполнение газом эластичных мешков посадочного устройства; 2 – автоматический аппарат в посадочном устройстве на поверхности Луны; 3 – эластичные мешки после разделения; 4 – автоматический аппарат после отделения эластичных мешков (перед раскрытием антенн)
Общие представления о механических свойствах лунного грунта в месте посадки «Луны-9» были получены благодаря успешной мягкой посадке, которая показала, что грунт достаточно прочен для того, чтобы выдержать первый удар станции, находящейся в амортизационной оболочке, а также второй – при освобождении металлического контейнера из амортизаторов.
Первые приборы для измерения свойств покрова Луны были установлены на станции «Луна-13», которая опустилась на поверхность Луны в Океане Бурь 24 декабря 1966 г. Станция была оборудована тремя приборами для определения механических свойств грунта: пенетрометром, радиационным гамма-плотномером и динамографом. Последний был жестко укреплен внутри корпуса станции и измерял ускорения, возникавшие в процессе соударения станции с поверхностью Луны. Пенетрометр и плотномер были после посадки автоматически установлены на поверхность грунта в 1,5 м от корпуса станции.
Пенетрометр с помощью реактивного двигателя твердого топлива осуществил погружение в лунный грунт индентора и измерил возникающее сопротивление грунта.
Радиационный гамма-плотномер, предназначенный для определения плотности лунного грунта, состоял из блока датчиков, который автоматически устанавливался на поверхность грунта (рис. 15) и регистрирующего блока, находившегося внутри корпуса станции. Принятая схема прибора предусматривала облучение поверхности грунта потоком гамма-квантов от радиоактивного источника – цезия-137 и регистрацию рассеянного излучения, интенсивность которого зависит от плотности покрова Луны.
Рис. 15. Блок датчиков гамма-плотномера, с помощью которого были проведены первые физические измерения на поверхности Луны
Исследования показали, что грунт в месте посадки по своему взаимодействию с применяющимся аппаратом ближе всего подходит к несвязному грунту средней плотности. Он состоит из зернистого слабосвязного материала. Средняя плотность верхних 15 см грунта не менее 0,8 г/см3, сцепление в пределах верхних 5 см составляло около 0,005 кгс/см2, а несущая способность равнялась 0,68 кгс/см2.
Значительный вклад в определение прочности покрова Луны дали эксперименты, выполненные на американских станциях «Сервейер» в 1966–1968 гг. Интересные данные были получены на основе анализа динамики соударения аппаратов с грунтом, из опытов по автоматическому рытью траншеек (глубиной до 18 см). Полученные результаты в основном совпали и подтвердили результаты измерений, проведенных на «Луне-13».
Исследования физико-механических свойств покрова Луны в отдельных точках ее поверхности подготовили возможность высадки на Луну космонавтов и передвижения по ней транспортных средств.
В 1969–1972 гг. на Луну была произведена высадка шести экспедиций американских космонавтов в рамках программы «Аполлон». В общей сложности космонавты находились на Луне около 300 ч, из них примерно 80 ч они работали непосредственно на ее поверхности вне корабля «Аполлон».
Для исследования покрова Луны космонавты использовали геологическое и буровое снаряжение, фото– и кинокамеры. В комплект геологического снаряжения входили: лопатка, решетчатые совок и захват, геологический молоток и удлинительная ручка к ним, а также трубчатые грунтоносы для отбора образцов грунта и их – герметизации, щетка для очистки образцов, объединенная с лупой и разметчиком образцов, пружинные весы. Для сбора образцов использовались мешочки из тефлона и герметичный контейнер для них, а также специальные контейнеры, обеспечивающие сохранение высокого вакуума в течение длительного времени.
Для бурения скважин (диаметром 25 мм на глубину до 3 м) применялся ручной электрический колонковый бур. Рабочий орган бура мог одновременно вращаться, совершая 300 об/мин и наносить удары по забою скважины (2270 ударов в минуту). Масса бура на Луне составляла 1,96 кг, и для повышения эффективности космонавт должен был налегать на него своей тяжестью.
В экспедиции «Аполлона-14» впервые был использован простой ручной пенетрометр, представлявший собой алюминиевый стержень длиной 680 мм, диаметром 9,5 мм с заточенным нижним концом. Стержень был окрашен кольцами шириной 2 см для визуальной оценки глубины погружения и определения прочности грунта. Пенетрометр нагружался вручную.
В экспедициях «Аполлона-15 и -16» применялся пенетрометр с самописцем, который вычерчивал кривую зависимости глубины погружения от нагрузки.
В первых экспедициях научное оборудование и снаряжение космонавты переносили вручную. В экспедиции «Аполлона-14» они использовали ручную тележку, а в экспедициях «Аполлона-15, -16 и -17» они перемещались на вездеходах.
Большой интерес для оценки свойств покрова Луны имеют наблюдения космонавтов за особенностями своего передвижения и работой, связанной с погружением геологических инструментов.
Экипаж «Аполлона-11» высадился в Море Спокойствия на плоской равнине, усеянной многочисленными мелкими кратерами. На поверхности лежало много камней, комков и обломков горных пород размером до 80 см. На поверхности лежал коричневато-серый, слегка связный зернистый грунт, крупность зерен которого соответствует мелкому или пылеватому песку. Зерна прилипали к обуви подобно угольной пыли.
По внешнему виду грунта трудно было оценить его несущую способность. Отмечалась совершенно неожиданная разница в глубине следов и рыхлости грунта в пунктах, неразличимых друг от друга на глаз. Возможно, это было связано с разной толщиной рыхлого слоя.
Следы имели четкие кромки и не нарушали грунта вне своего очертания. Однако иногда отмечались растрескивание и взбугривание прилегающей поверхности грунта, что говорит о большей первоначальной плотности. Комки, встречающиеся на поверхности, были очень похожи на камни. Они легко разрушались под ногой, так как состояли из слипшихся между собой частиц.
Средняя глубина следа космонавта была около 1 см. Наибольшая (15–20 см) была отмечена при ходьбе по рыхлому грунту, из которого состоят валы кратеров.
Экспедиция «Аполлона-12» проводила исследования в типично морском районе Луны (в Море Познанном), сходном по своему характеру с районом, где работала предыдущая экспедиция, но находящимся от нее на расстоянии около 1,5 тыс. км. Грунт был в месте посадки черный, пылевато-песчаный с включением более крупных зерен. Глубина слоя пыли была значительно больше, чем в районе посадки «Аполлона-11». Ноги космонавтов местами глубоко погружались в пыль, и та налипала на все предметы, которыми они пользовались.
Космонавты занесли много запыленных предметов внутрь кабины и заметили, что после пребывания в атмосфере кислорода при давлении 0,35 кгс/см2 в течение нескольких дней пыль отстала от поверхности предметов.
Экспедиция «Аполлона-14» высадилась в материковом районе, покрытом огромным количеством кратеров. Грунт оказался исключительно мягким и мелкозернистым, напоминая порошок талька, окрашенный в коричневый цвет.
При рытье траншейки были вскрыты следующие слои: верхний зернистый темно-коричневый, толщиной 3–5 см; следующий за ним слой из черных стекловатых частиц – 0,5 см или меньше. Ниже лежал более светлый крупнозернистый материал. Погружение грунтоносов проходило значительно труднее, чем в предыдущей экспедиции. Грунт плохо держался внутри грунтоносов и частично высыпался при их извлечении. Пенетрометр погрузился на глубину до 70 см.
Экспедиция «Аполлона-15» высадилась на местности, где толщина слоя пыли оказалась равной 15–30 см, т. е. значительно больше, чем в местах первых экспедиций. На склонах около 10° космонавтам было трудно удерживать равновесие, и они не раз падали.
Экспедиция «Аполлона-16» исследовала район плоскогорья у кратера Декарт. Участок посадки оказался загроможден большими обломками горных пород. Отмечалось очень большое количество пыли.
Экспедиция «Аполлона-17» высадилась на местности, густо покрытой кратерами мелких размеров. Местами встречался очень рыхлый грунт, в котором следы космонавтов достигали глубины 20 см. При поездке на вездеходе очень мешала пыль, от ее абразивного действия стерся слой резины на рукоятке геологического молотка, и начали протираться перчатки.
В этой экспедиции впервые участвовал геолог-астронавт – Г. Шмитт. Им были обнаружены отложения шариков, состоящих из оранжевого и черного стекла специфического химического состава, указывавшего на их возможное вулканическое происхождение. Г. Шмитт пишет, что «только уникальный в научном отношении характер района экспедиции «Аполлона-17», где встречались как наиболее древние, так и самые молодые геологические формации, мог смягчить печаль от сознания того, что полетом этой экспедиции заканчивались исследования по программе «Аполлон».
На экспедиции «Аполлонов» затрачено 25 млрд. долл., каждый новый полет обходился почти в 0,5 млрд. долл. Экспедиции космонавтов пришлось прекратить, как указывали руководители НАСА, по финансовым соображениям. Программа дальнейшего изучения Луны с помощью пилотируемых полетов в США была отложена.
Советская программа космических исследований предусматривала систематическое и планомерное изучение Луны с использованием автоматических исследовательских станций. При этом намечалось расширение исследований с помощью самоходных станций «Луноход», позволяющих вести длительные исследования на протяженных трассах, охватывающих большие площади поверхности Луны. Другая серия автоматических станций типа «Луна» предназначалась для бурения в глубь покрова Луны и доставки образцов лунного грунта.
В 1970–1973 гг. были проведены эксперименты с участием самоходных научных лабораторий «Луноход-1 и -2». Путешествие «Лунохода-1» началось 17 ноября 1970 г. и продолжалось 332 дня. За это время «Луноход-1» прошел свыше 10 км. По всей трассе движения «Лунохода-1» проводились систематические исследования покрова Луны. На Землю было передано около 25 тыс. снимков поверхности и более 200 панорам. В результате сфотографировано 500 тыс. м2 лунной поверхности, а 80 тыс. м2 детально обследовано.
На «Луноходе-1» был установлен комплекс научной аппаратуры, в том числе прибор для прямого измерения механических свойств лунного грунта. Эти измерения проводились по всей трассе движения через каждые 15–30 м пути. Непрерывно измерялись и использовались для оценки свойства покрова Луны параметры взаимодействия ходовой части «Лунохода-1» с грунтом Луны.
16 января 1973 г. началось путешествие «Лунохода-2» в восточной окраине Моря Ясности, в районе кратера Лемонье. В этой экспедиции в течение 4 месяцев исследовалась переходная зона от лунного моря к материку. В условиях сложного рельефа были проведены исследования по трассе протяженностью 37 км.
Следует напомнить, что «Луноход» представляет собой автоматический аппарат, управляемый с Земли и рассчитанный на длительный срок работы в условиях лунной среды и пересеченной местности.
Ширина колеи «Лунохода» 160 см, колесная база 170 см, диаметр колеса по грунтозацепам 51 см, ширина обода 20 см, масса «Лунохода» 576 кг. Давление на грунт при глубине колеи 3 см составляет 0,05 кгс/см2.
Физико-механические свойства грунта определялись независимо тремя методами.
Первый метод – это прямое определение механических характеристик грунта с помощью пенетрометра (рис. 16). Этот прибор смонтирован на ходовой части «Лунохода». Рабочей частью пенетрометра «Лунохода» служит конус с крестообразными лопастями. Под действием специального механизма конус автоматически вдавливался в грунт и затем поворачивался вокруг своей продольной оси, что позволяло измерять сопротивление лунного грунта сжатию и сдвигу.
Рис. 16. Общий вид автоматического прибора ПРОП, с помощью которого проведено более 1000 измерений механических характеристик реголита по трассе движения «Луноходов»
Другим методом определения механических свойств грунта являлась непрерывная регистрация во время движения «Лунохода» так называемых тягово-сцепных характеристик. Для этого на «Луноходе» установлена система датчиков, позволявших измерять угол наклона поверхности, величину крутящего момента для каждого колеса, скорость его вращения, величину пробуксования.
Оценка свойств грунта производилась также путем изучения следов «Лунохода», что позволяло судить о структуре грунта и его прочности.
По всей трассе движения «Луноходов» верхний слой покрова Луны был сложен мелкозернистым грунтом. Под колесами «Лунохода» обычно происходило уплотнение грунта, иногда с выпиранием его в стороны, с образованием трещин, сколов и комков. Обычно следы «Луноходов» имели крутые неосыпающиеся стенки, что указывало на наличие заметных сил сцепления. Девятое ненагруженное колесо, служившее для измерения пройденного пути, образовывало колею глубиной 0,5–1 см без выпирания грунта в стороны, что свидетельствовало о наличии на поверхности рыхлого слоя пылевидного, легко деформируемого рыхлого грунта.
По результатам работы пенетрометра была определена несущая способность верхнего слоя покрова Луны толщиной от 5,0 до 10 см (несущая способность определялась как удельное давление на конус при глубине внедрения, равной высоте конуса). Сопротивление вращательному срезу измерялось как отношение максимального крутящего момента на крыльчатке к моменту сопротивления суммы площадей среза. Кроме того, несущая способность оценивалась по следам девятого колеса.
При уплотнении грунта повторным вдавливанием несущая способность и сопротивление сдвигу значительно увеличивались. Следует отметить, что всего по трассе движения «Луноходов-1 и -2» было проведено свыше 1000 прямых измерений механических свойств покрова Луны, что позволило выявить его неоднородность, прежде всего связанную с характером местности и рельефа.
Рис. 17. Кривые зависимости нагрузки и глубины погружения в реголит конусно-лопастного штампа, установленного на «Луноходе-1»:
1 – на горизонтальном участке; 2 – на кольцевом валу кратера; 3 – на склоне кратера; 4 – на поверхности, усеянной мелкими камнями
На рис. 17 показаны типичные кривые внедрения пенетрометра, соответствующие горизонтальному участку, склону и валу кратера, а также участку, покрытому мелкими камнями. Во всех случаях несущая способность на валу кратера была заметно ниже, чем на склоне и горизонтальном участке кратера.
Были встречены участки, где наблюдалось не обычное увеличение несущей способности с глубиной, а ее снижение, что свидетельствовало о залегании более рыхлых слоев под плотными. Такие участки обладали повышенной просадочностью.
Рис. 18. Характер статистического распределения несущей способности реголита на одном из участков трассы «Лунохода-1»
Наиболее вероятное значение несущей способности по трассе движения «Лунохода-1» составило 0,34 кгс/см2 (рис. 18). Несущая способность самого верхнего слоя грунта равнялась 0,02 – 0,03 кгс/см2. Наиболее вероятное сопротивление вращательному сдвигу было 0,048 кгс/см2, при изменениях по трассе движения – от 0,02 до 0,09 кгс/см2.
«Луноход-1» позволил провести исследования отдельных камней. Наряду с достаточно прочными камнями было встречено много камнеподобных образований – больших комьев, которые легко раздавливались и рассыпались при наезде на них.
По трассе движения были также участки, где на поверхности встречались выходы твердых горных пород или твердое основание было прикрыто очень тонким слоем разрыхленного грунта (~10 см).
Исследования покрова Луны, проведенные экспедициями астронавтов и «Луноходами», показали существенное отличие строения верхнего покрова Луны от строения какого-либо земного грунта, а также обнаружили большую изменчивость физико-механических свойств лунного грунта.
Необходимо было развить исследования как изучением более глубоких слоев грунта, так и детальным наземным анализом строения и состава лунного грунта. Следует отметить, что лабораторные наземные исследования позволяют использовать более многообразную и сложную технику измерений, пока еще недоступную для прямых измерений на месте. В настоящее время только сочетание прямых исследований на Луне и лабораторных исследований на Земле позволяет проникнуть в природу тонких механических и физико-химических процессов, обусловливающих специфику строения покрова Луны, в том числе особенности физико-механических свойств лунного грунта.
