Средство и способ защиты искусственных объектов от воздействия факторов космического пространства
MEANS AND METHOD OF PROTECTION OF ARTIFICIAL OBJECTS FROM EFFECTS OF SPACE FACTORS

Изобретение относится к космической технике, а именно, к средствам и технологиям защиты искусственных объектов от вредного воздействия факторов космического пространства, таких как радиация, экстремальные температуры и микрометеороиды в природных условиях Луны.
Колонизация Луны в исторической перспективе неизбежно будет содержать доставку с Земли и/или строительство сооружений различного назначения: жилых, лабораторных, ангарно-ремонтных, производственных и т.п., которые должны быть защищены от повреждений и разрушения, а люди, в них находящиеся, - от опасной радиации, излишнего тепла, холода и микрометеороидной опасности.
В комплексе инженерных задач, которые предстоит решить при подготовке к освоению Луны, есть такая, от решения которой будет зависеть успех всего предприятия, а именно: противостояние радиационной опасности, которая особенно велика на «беззащитной» безатмосферной Луне. Ведется поиск материалов и конструктивных решений для достижения необходимого уровня защиты. Противорадиационные защитные свойства материалов характеризуются их удельной плотностью. При применении материалов с высокой удельной плотностью (металлы и сплавы), актуальным является требование по минимизации массы конструкций, доставляемых для этой цели с Земли, что значительно ограничивает такой подход. В этих обстоятельствах логично и целесообразно осуществить поиск возможностей применить для защиты или переработки в защитные средства местные лунные материалы. В настоящее время известно, что определенный слой лунного грунта - реголита, может служить защитой от вредных факторов космического пространства: радиации экстремальных температур и микрометеоритов (Луна - шаг к технологиям освоения солнечной системы. / Под редакцией В.П. Легостаева. М.: РКК "Энергия". 2011. С. 210).
Реголит, покрывающей лунную поверхность, представляет собой рыхлый темно-серый тонкозернистый порошок с включениями отдельных более крупных зерен. Реголит легко слипается в отдельные рыхлые комки. Несмотря на заметную слипаемость, он обладает неустойчивой, легко нарушаемой структурой, что происходит без всякого внешнего воздействия.
Свойства реголита определяются такими характеристиками, как плотность, пористость и толщина покрывающего слоя. Плотность (удельная масса) лунного реголита зависит от химического и минералогического состава. Пористость лунного реголита определяется свободным пространством между отдельными частицами (межзеренная пористость) и свободным пространством внутри частиц. Пористость оказывает прямое влияние на величину плотности реголита.
3
Изучение доступных источников дает ряд незначительно отличающихся значений плотности поверхностного слоя реголита. Среднее значение плотности лунного реголита принимается 1,5 г/см (Луна - шаг к технологиям освоения солнечной системы/Под редакцией В.П. Легостаева. М.: РКК "Энергия". 2011. С. 79-80).
3
3
Противорадиационные свойства реголита. Большая часть солнечных лучей не проникает в лунное вещество глубже, чем на несколько сантиметров. Наличие слоя в несколько г/см достаточно для полного затухания реакций в лунном веществе. Слой около 100 г/см обычно служит достаточной преградой для проникновения потока тяжелых ядер галактических лучей, которые обычно не проникают в лунные породы глубже 10 см. Реальное исследование показало, что использование слоя реголита толщиной 2-3 м может служить защитой от влияния космической радиации (Луна - шаг к технологиям освоения солнечной системы. / Под редакцией В.П. Легостаева. М.: РКК "Энергия". 2011. С. 277).
Теплопроводность реголита. Температурные условия на Луне:
- максимальная дневная температура…+130°C;
- максимальная ночная температура… - 150°C.
Низкая отражательная способность лунного поверхностного слоя приводит к тому, что около 90% падающей на Луну солнечной радиации переходит в тепло. Низкая теплопроводность лунного грунта способствует тому, что на глубине 1 м температура реголита не претерпевает существенных изменений. На глубине 35 см суточное колебание температуры составляет 6 К и полностью затухает на глубине 80 см. Реголит, в силу его низкой теплопроводности, может служить защитой от резкого перепада температур при толщине слоя 1-3 м (Луна - шаг к технологиям освоения солнечной системы / Под редакцией В.П. Легостаева. М.: РКК "Энергия". 2011. С. 210).
-13
8
-2
-1
Противомикрометеоритные свойства реголита. Поток пылевидных частиц с массой 10 г и скоростью падения 25 км/с при плотности потока 2⋅10 см с (число падающих частиц на квадратный сантиметр поверхности за секунду) может задерживаться слоем реголита 1-3 м (Луна - шаг к технологиям освоения солнечной системы / Под редакцией В.П. Легостаева. М.: РКК "Энергия". 2011. С. 210). Физика явлений, возникающих при проникновении частицы в пористый, сыпучий материал, иная, чем при ударах о твердое тело. В пористом веществе частица, действуя как поршень, сжимает перед собой материал и сначала закрывает поры, а потом движется как бы в сплошном материале. При закрытии пор резко возрастает температура (до 10 К). Тепловое давление, подобно давлению высоконагретого газа, замедляет и останавливает проникновение частицы. Противоударные свойства сыпучих структур подтверждены реально в военных защитных средствах в виде мешков с песком, в которых задерживаются пули значительно большей массы, чем микрометеориты.
3
3
3
3
Сжимаемость в рыхлом насыпном состоянии является существенным свойством реголита. Плотность грунта в рыхлом насыпном состоянии, доставленного "Луной-16", оказалась равной 1,115 г/см, а после уплотнения вибрацией, ударами и трамбованием - 1,793 г/см, чему соответствуют коэффициенты пористости 1,7 и 0,67. Плотность грунта, доставленного "Луной-20", в рыхлом насыпном состоянии составляла 1,04 г/см, а после уплотнения виброударным методом - 1,792 г/см, чему соответствуют коэффициенты пористости 1,82 и 0,67 (И.И. Черкасов, В.В. Швырев. Грунтоведение Луны. Издательство "Наука". Москва. 1979. С. 136-137).
Известны проекты, в которых используется лунный грунт в качестве защитного материала.
Погружение и/или засыпка реголитом непосредственно корпуса защищаемого объекта (О.С. Цыганков. Концептуальная модель формирования лунной исследовательской станции // Полет. 12. 2008. С. 15) неприемлема ввиду наличия на внешней поверхности функционирующих агрегатов.
Рассматриваются возможности использования особенностей рельефа, в частности, «лавовых трубок» (подповерхностных каналов лавовых потоков) для размещения в них модулей лунной базы (Луна - шаг к технологиям освоения солнечной системы / Под редакцией В.П. Легостаева. М.: РКК "Энергия". 2011. С. 384). Геометрия этих образований, прочность покрывающего слоя, да и само их существование достаточно неопределенны.
Изучается возможность использования монолитного лунобетона или производство строительных блоков, сформированных из реголита методами гидратации, автоклавирования и спекания (О.С. Цыганков. Концептаульная модель формирования лунной исследовательской станции // Полет. 12. 2008. С. 15). Эти технологии потребуют значительного количества воды и чрезвычайно высокого энергоснабжения, что на начальном этапе освоения Луны не будет доступно.
Возможно применение подходов подземной урбанистики в варианте заглубленного размещения защищаемых модулей в котловане траншейного типа с эскарпами (пологими съездами). Для случая плоского горизонтального перекрытия траншеи, засыпка вызовет чрезмерную нагрузку и высокие требования к прочности и устойчивости перекрытия. Известно устройство куполообразных перекрытий из гофрированных металлических листов массой до 10 тонн под засыпку слоем реголита массой 2600 тонн (Луна - шаг к технологиям освоения солнечной системы / Под редакцией В.П. Легостаева. М.: РКК "Энергия". 2011. С. 282). Потребный объем засыпки выше уровня поверхности будет зависеть не только от толщины защитного слоя, но и от естественного угла откоса реголита. Для перекрытий под обратную засыпку и укрепление откосов может быть применена технология с использованием пилообразных сварных тонколистовых стальных металлоконструкций толщиной 0,1-0,3 мм с несущими балками, трансформируемыми наддувом за счет химических газообразователей (фиг. 8) (О.С. Цыганков. Концептуальная модель формирования лунной исследовательской станции // Полет. 12. 2008. С. 15). Указанные подходы сопряжены с огромной трудоемкостью строительства.
Известно предложение, согласно которому заранее изготовленную опалубку можно заполнить реголитом и уплотнить. Можно изготовленные панели заполнять реголитом уже в процессе сборки самих сооружений. (В.В. Шевченко. Лунная база // М. Знание. Космонавтика и астрономия. №6. 1991. С. 6). Заполнение панелей реголитом в процессе сборки сооружений крайне нетехнологично, особенно при увеличении числа и типоразмеров защищаемых объектов. Данное предложение, как аналог, содержит тривиальную для земных условий технологию, технически и экономически нерациональную для реализации на Луне. Изготовление опалубки, последующее наполнение ее грунтом и его уплотнение потребует чрезмерно больших трудозатрат и высокой материалоемкости.
В качестве прототипа средства и способа защиты искусственных объектов от воздействия факторов космического пространства принята статья автора данной заявки (О.С. Цыганков. Концептуальная модель формирования лунной исследовательской станции // Полет. №12. 2008. С. 15), где описано использование реголита, расфасованного в мягкие емкости и обкладывание ими защищаемых объектов. Способ защиты искусственных объектов от воздействия факторов космического пространства заключается в обнесении защищаемого объекта несущим каркасом, который служит основой для укладки на нее пакетов с реголитом. Недостатками прототипа являются неприспособленность к массовому промышленному производству, большие трудозатраты и материалоемкость средства защиты искусственных объектов от воздействия факторов космического пространства.
Самоценность реголита, как защитного материала, побуждает к поиску рациональных форм и способов его использования, основанных на свойствах и количественных характеристиках реголита.
Задачей изобретения является создание эффективного, надежного средства защиты от воздействия факторов космического пространства с использованием лунного реголита, обладающего высокой заводской готовностью и монтажной технологичностью с минимальными материало- и трудоемкостью.
Техническим результатом изобретения является обеспечение эффективности, надежности, приспособленности к массовому промышленному производству, высокой заводской готовности, монтажной технологичности, минимизации трудозатрат и материалоемкости средства защиты искусственных объектов от воздействия факторов космического пространства использованием реголита с необходимым уровнем защиты.
2
3
Технический результат достигается тем, что средство защиты искусственных объектов от воздействия факторов космического пространства состоит из оболочки, заполненной реголитом, причем оболочка изготовлена из материала на основе стекловолокна с пределами рабочих температур -200÷+550°C и прочностью 180÷400 кгс/мм, слой реголита, сформированный в оболочке, имеет плотность 3,0±0,3 г/см, толщина слоя реголита δ=0,5÷0,75 м, при этом оболочка имеет форму параллелепипеда с размерами сторон δ×2δ×3δ (фиг. 1).
Технический результат достигается также и тем, что способ защиты искусственных объектов от воздействия факторов космического пространства включает обнесение защищаемого объекта несущей структурой, несущую структуру перекрывают металлической сеткой, на поверхность которой укладывают встык между собой средства защиты в виде оболочек, заполненных реголитом, при этом оболочки укладывают, по крайней мере, в два слоя с перекрытием стыков между оболочками нижележащего слоя оболочками верхнележащего слоя (фиг. 2 и 3).
3
3
При средней плотности реголита 1,5 г/см достаточна толщина защитного слоя реголита 2-3 м (Луна - шаг к технологиям освоения солнечной системы / Под редакцией В.П. Легостаева. М.: РКК "Энергия". 2011. С. 277). При использовании реголита плотностью 3,0±0,3 г/см, т.е. в 2 раза больше средней природной плотности, толщина защитного слоя реголита может быть снижена в 2 раза, т.е. до 1,0-1,5 м. При использовании реголита в виде раздельных слоев, например, двух, толщина слоя может быть δ=0,5÷0,75 м. Наличие не менее двух слоев оболочек обосновано требованием перекрывать стыки между оболочками нижележащего слоя оболочками вышележащего слоя (фиг. 2).
3
Предполагается промышленно-заводское производство средств защиты, например, путем упаковки реголита в оболочки в форме параллелепипеда с размерами сторон δ×2δ×3δ по образцу упаковки цемента или сахара-песка (фиг. 1). Машины и агрегаты для такого производства существуют и могут быть адаптированы для лунных условий. Плотность реголита 3,0±0,3 г/см может быть достигнута уплотнением за счет высокой сжимаемости реголита, например, виброударным методом (И.И. Черкасов, В.В. Швырев. Грунтоведение Луны. Издательство "Наука". Москва. 1979. С. 137).
Форма оболочки в виде параллелепипеда с размерами сторон δ×2δ×3δ обусловлена необходимостью обеспечить гибкость оболочки при укладке на криволинейные, например, цилиндрические поверхности с радиусом R≥28, что подтверждено на экспериментальном макете оболочки, заполненной сыпучим материалом (фиг. 2).
Сущность изобретения поясняется графическими материалами на фиг. 1-8.
На фиг. 1 показано средство защиты в виде оболочки, заполненной реголитом.
На фиг. 2-3 показан способ защиты искусственных объектов от воздействия факторов космического пространства с применением вышеуказанного средства защиты.
На фиг. 4-7 показаны примеры способа защиты с помощью предложенного средства защиты.
На фиг. 8 представлена несущая структура.
На фигурах введены следующие обозначения:
1 - оболочка;
2 - наполнитель из реголита;
3 - сетка типа «рабица»;
4 - несущая структура;
5 - корпус защищаемого объекта.
2
3
Средство защиты искусственных объектов от воздействия факторов космического пространства (фиг. 1) содержит оболочку 1, выполненную, из материала на основе стекловолокна, например, стеклоткани ЭЗ-200 по ГОСТ19907-83 и ТУ5952-002-995544202-2011, с пределами рабочих температур -200÷+550°C (steklotkan-story.ru/steklotkani) и прочностью 180÷400 кгс/мм (С.М. Алексеев, С.П. Усманский / Высотные космические скафандры. Москва, «Машиностроение», 1973. С. 200, 247), заполненную реголитом 2 с плотностью 3,0±0,3 г/см, толщина слоя реголита 2, сформированного в оболочке 1, δ=0,5÷0,75 м при суммарной толщине слоев реголита 1,0÷1,5 м, оболочка 1 имеет форму параллелепипеда с размерами сторон δ×2δ×3δ.
Способ защиты искусственных объектов от воздействия факторов космического пространства включает обнесение защищаемого объекта несущей структурой 4, представляющей собой, например, каркас из плоскосвернутых труб, трансформируемых (раздуваемых) за счет давления химических газообразователей (фиг. 8), которую перекрывают металлической сеткой 3 (например, сеткой типа «рабица», ГОСТ 5336-80. Технические условия (http//:www.metalgost.ru), на поверхность сетки 3 укладывают встык между собой средства защиты в виде оболочек 1, заполненных реголитом 2, при этом оболочки 1 укладывают не менее, чем в два слоя с перекрытием стыков между оболочками 1 нижележащего слоя оболочками 1 верхнележащего слоя при суммарной толщине слоев реголита 1,0÷1,5 м. Укладку оболочек производят с помощью роботизированных средств.
Изобретение открывает широкие возможности для промышленно-заводского массового изготовления средств защиты. Технологическая цепочка изготовления предложенных средств защиты выглядит следующим образом:
- зачистка площади от крупных камней;
- грохочение (просеивание от средних фракций);
- подача в шаровую мельницу (при необходимости - по состоянию грунта);
3
- подача на виброконвейер и уплотнение массы реголита до плотности 3,0±0,3 г/см;
2
3
- подача в фасовочный агрегат для упаковки по типу цемента или сахара-песка, при этом оболочку, используемую для упаковки реголита, изготавливают из материала на основе стекловолокна с пределами рабочих температур -200÷+550°С и прочностью 180÷400 кгс/мм, с размерами сторон δ×2δ×3δ; заполнением оболочки формируют слой реголита толщиной δ=0,5÷0,75 м с плотностью 3,0÷0,3 г/см;
- получают средство защиты в виде оболочки, заполненной реголитом, в форме параллелепипеда с размерами сторон δ×2δ×3δ.
Целевое использование оболочек, заполненных реголитом, реализуемо в различных вариантах строительный конструкций (фиг. 4-7):
- укладка непосредственно на корпус защищаемого объекта (фиг. 4);
- защищаемый объект на поверхности обносится несущей структурой, перекрывается крупноячеистой сеткой, доставляемой в рулоне, на которую укладываются защитные оболочки (фиг. 5);
- полупогруженное положение защищаемого объекта, упрощенная несущая структура и сетка на ней для укладки защитных оболочек (фиг. 6);
- погруженное положение защищаемого объекта, горизонтальное перекрытие с сеткой для укладки защитных оболочек (фиг. 7).
Строительство защитных конструкций может быть сопряжено с использованием валов кратеров, скальных образований и т.д. Агрегаты и строительная техника для реализации техпроцессов изготовления и монтажа защитных оболочек существуют в виде наземных образцов и могут быть адаптированы для лунных условий. Строительство защитных сооружений на основе технологии оболочек, заполненных реголитом (варианты наименований: защитный пакет (ЗП), лунопротектор (ЛП)), представляется оптимально-перспективным высокотехнологичным методом освоения и колонизации Луны.