Лунная посадочная площадка студенческой команды может помочь астронавтам НАСА избежать рискованных посадок на Луну

Когда НАСА впервые отправило людей на Луну, астронавты часто совершали рискованные слепые посадки на лунную поверхность из-за вздымающихся облаков пыли, которые поднимались во время их спуска. Астронавты могли бы избежать повторения этих мучительных опытов во время будущих миссий на Луну с помощью 3D-печатной лунной посадочной площадки, разработанной студенческой командой НАСА.

Посадочная площадка, разработанная студентами из 10 американских университетов и колледжей, имеет форму, минимизирующую лунные пылевые облака, вызванные посадкой ракет, и в конечном итоге может быть изготовлена из реголита, найденного на Луне. Прототип пусковой площадки планируется запустить в начале марта в Кэмп-Свифте, штат Техас, под бдительным присмотром студентов и инженеров НАСА, чтобы провести испытания ракеты горячим огнем.

«Мы показали, что можем напечатать структуру в 3D с помощью нашего существующего прототипа», — говорит Хелен Карсон, студентка факультета материаловедения и инженерии Вашингтонского университета в Сиэтле и главный исследователь команды Lunar PAD. —До сих пор у нас есть большая гибкость с различными направлениями, которые мы можем выбрать в зависимости от того, как развиваются материалы».

Такая концепция лунной площадки может оказаться особенно полезной в рамках текущей дорожной карты НАСА , направленной на возвращение людей на Луну в рамках программы Artemis. Американское космическое агентство уже заключило контракты с такими компаниями , как SpaceX, Blue Originи Dynetics, чтобы начать разработку идей для человеческого лунного посадочного модуля . Любая будущая посадка на Луну могла бы выиграть от снижения риска возможной катастрофы, который появляется от полета вслепую в облаке пыли. Кроме того, пыль и камни, разогнанные до больших скоростей выхлопом двигателя, представляют серьезную опасность для астронавтов, роботов или другого оборудования, уже находящегося на поверхности Луны.

Команда Lunar PAD впервые собралась вместе во время виртуальной академии НАСА L'Space (Lucy Student Pipeline Accelerator and Competency Enabler), состоявшейся летом 2019 года. Карсон и ее коллеги выиграли финансирование от процесса написания и оценки предложений НАСА, чтобы продвинуться вперед по проекту и сделать презентацию в Центре космических полетов имени Маршалла в июне 2020 года. На этом мероприятии было выделено дополнительное финансирование, чтобы команда могла напечатать и протестировать свой прототип принтера. Студенты также представили доклад о лунной площадке на форуме и выставке AIAA SciTech, который состоялся 19-21 января 2021 года.

Многоуниверситетская команда нашла решение проблемы, с которой астронавты наверняка столкнутся, когда вернутся на Луну.

Ранее идея команды включала в себя создание надувного дефлектора, который будет раздуваться выхлопом ракетного двигателя и блокировать любые обломки, выброшенные наружу из посадочной (или стартовой) зоны площадки. Но для этого потребовалось бы транспортировать на Луну гибкие, но прочные материалы, изготовленные на Земле.

«Возникли проблемы с выбором материала и дизайном, а также фактической транспортировкой его, — говорит Люк Мартин, студент-механик из Аризонского государственного университета. Поэтому мы попытались придумать другие идеи, более подходящие для использования ресурсов на месте».

Лунная площадка в настоящее время имеет верхний поверхностный слой, где ракеты и лунные посадочные модули могут как приземляться, так и запускаться. Но ключом к смягчению пылевых облаков или мелких частиц, ускоренных до высоких скоростей, является открытое внутреннее пространство подушки, расположенное под верхним слоем. Наклонные решетки в верхнем слое должны были направлять ракетный выхлоп во внутреннее пространство.

Внутренняя часть пусковой площадки включает вентиляционные перегородки. Некоторые из них имеют форму слезинок или листьев, которые помогают направлять ракетный выхлоп и любые сопутствующие частицы пыли или камня наружу из центра пусковой площадки. Эстетически привлекательная компоновка вентиляционных перегородок, которые некоторые сравнивают с цветочными лепестками, оказалась наиболее эффективной моделью, полученной в результате многочисленных итераций, проверенных с помощью моделирования потока.

«Это очень практично, очень эффективно и в то же время очень красиво», — говорит Винсент Мураи, студент-механик из общественного колледжа Капиолани в Гонолулу.

Выхлопные газы и любые сопутствующие частицы покидают внутреннее пространство площадки через специальные выходы, называемые диффузорами кинетической энергии, встроенные в наружные стенки круглой площадки. Такие диффузоры состоят из полых прямоугольных блоков, которые могут также включать вентиляторы для преобразования некоторой избыточной энергии выхлопа ракеты в круговое движение вентилятора и блокировать частицы с помощью поворотных лопастей вентилятора.

Любые высокоскоростные частицы, которые проходят через вентиляторы, будут сталкиваться с дефлекторами, расположенными прямо за выходами в полномасштабной версии площадки. И «фартук», окружающий посадочную площадку, также будет включать в себя дефлекторную стену по периметру, чтобы направлять любые оставшиеся частицы выхлопных газов вверх и в сторону от любого близлежащего космического корабля, людей или сооружений.

Дополнительная подушка была изготовлена с помощью портального 3D-принтера, разработанного компанией Icon из Остина. Компания уже работает с NASA над адаптацией своей технологии 3D-печати для космического строительства на Луне и Марсе.

3D-печать основных слоев дополнительной подушки заняла всего один день. Команда также потратила три дополнительных дня на такие задачи, как использование принтера для заполнения различных компонентов бетоном и латание или сглаживание определенных частей площадки. Людям приходилось вручную устанавливать волоконно-оптические датчики для обнаружения изменений напряжения и температуры.

Но самая трудоемкая и практическая часть строительства включала обрезку и размещение предварительно вырезанных блоков из водорастворимой пены, чтобы обеспечить временную структурную опору для нависающих участков площадки. Полномасштабное строительство такой площадки на Луне или Марсе потребовало бы иного, и в идеале более эффективного решения для обеспечения таких съемных опор.

«После нескольких дней резки, упаковки и вставки пены стало очевидно, что это, вероятно, не самое лучшее использование времени астронавта, — говорит Андрес Кэмпбелл, студент интегрированного инженерного факультета с акцентом на аэрокосмическую инженерию в Университете штата Миннесота в Манкато и главный исследователь команды. Это было бы что-то, что было бы роботизировано сложно сделать».

В любом случае полномасштабная и действующая Лунная площадка не должна была бы самостоятельно справляться с работой по снижению уровня пыли. Например, Карсон первоначально предложил электродинамическую технологию защиты от пыли, которая пассивно выталкивала бы пыль с посадочной площадки, используя преимущества заряженной лунной пыли. Автоматизированные средства очистки, такие как те, что Кэмпбелл описал как «космический робот Roomba», могли бы помочь сохранить зону запуска и посадки свободной от пыли.

“Идея о том, что вы можете комбинировать прокладку не только с электродинамической защитой от пыли, но и с любой другой пассивной системой защиты от пыли, все еще заслуживает рассмотрения”, - говорит Карсон. - Потому что в дополнение к этому блокноту у вас все еще будет пыль, которая может быть поднята от других видов деятельности на поверхности.”

Концепция 3D-печатной площадки в конечном итоге может оказаться полезной для будущих миссий на Марс и другие планеты. Такие конструкции пусковых площадок должны учитывать некоторые различия в атмосфере и гравитации на шлейфах ракет и пылевых облаках, не говоря уже о таких факторах, как электростатически заряженные частицы пыли Луны и марсианские пылевые бури. Тем не менее команда разработала площадку, чтобы потенциально работать за пределами сценариев посадки на Луну.

«Наша цель состояла в том, чтобы построить многоразовую площадку для всех внеземных сред», — говорит Мураи.