alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2017.28-30.069-081alternative-1238Research ArticleЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭНЕРГЕТИКИENVIRONMENTAL ASPECTS OF ENERGYВЫБОР ЗЕМНЫХ ГРУНТОВ-АНАЛОГОВ КАК СРЕДЫ ДЛЯ ДВИЖЕНИЯ ЛУННОГО РЕАКТИВНОГО ПЕНЕТРАТОРАTHE SELECTION OF TERRESTIAL SOIL-ANALOGS AS A MEDIUM FOR MOVEMENT OF LUNAR REACTIVE PENETRATORРодченкоВ. В.RodchenkoV. V.

д-р техн. наук, профессор, почетный работник Высшей школы, действительный член Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского, заместитель заведующего кафедрой «Управление эксплуатацией РКС Московского авиационного института

D.Sc. (engineering), Professor, Honorary Worker of Higher School, member of the K.E. Tsiolkovsky Russian Academy of Cosmonautics, the Deputy Head of the Management of Operation of RSS department

zagovorchev@yandex.ruСадретдиноваЭ. Р.SadretdinovaE. R.

канд. техн. наук, доцент кафедры «Управление эксплуатацией ракетно- космических систем»

Ph.D. in Engineering, Associate Professor at Department of Management of Exploitation in Rocket and Space Systems

zagovorchev@yandex.ruЗаговорчевВ. А.ZagovorchevV. A.

анд. техн. наук, доцент кафедры «Управление эксплуатацией ракетно-космических систем»

Ph.D. in Engineering, Associate Professor at Department Management of Exploitation in Rocket and Space Systems

zagovorchev@yandex.ruГалеевА. В.GaleevA. V.

аспирант кафедры «Управление эксплуатацией ракетно-космических систем»

Postgraduate at Department of Management of Exploitation in Rocket and Space Systems

zagovorchev@yandex.ruФГБОУ ВО Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University)Russian Federation201712012018028-306981Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20182018Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1238

Поднят вопрос исследования Луны в связи с проектами по использованию спутника Земли в будущей энергетике. По последним данным Луна богата гелием-3 и на ней обнаружена вода в виде льда. Лунный гелий можно применять в качестве термоядерного топлива, вода же необходима для обеспечения лунной базы, а также как источник для получения водорода. Все эти факторы делают задачу строительства лунных баз актуальной, а все эти направления деятельности требуют проведения бурильных работ на глубину от двух до десятков метров. Для исследования внутренней структуры Луны и решения ряда научных задач предлагается применять реактивные пенетраторы, которые представляют собой проникающие зонды-устройства, снабженные ракетными двигателями твердого топлива. Эти задачи связаны с образованием скважин в лунном грунте, а также доставкой научной аппаратуры, располагаемой в приборном отсеке, в заданную область грунтового пространства и/или возвращением ее на поверхность грунта. На основе данных, полученных отечественными и зарубежными экспедициями на Луну, приведены основные физико-механические свойства реголита. Физические характеристики лунного реголита значительно отличаются от свойств земных грунтов, что связано с другими условиями формирования и существованием верхнего покрова земного спутника, где присутствует идеальный вакуум и полностью отсутствует вода. Так, реголит обладает высокой пористостью и способностью к уплотнению, адгезии и накоплению электрического заряда, при этом высокая способность частиц лунного грунта к прилипанию способствует резкому возрастанию сил трения, а расход мощности на бурение в вакууме увеличивается. Подобраны ближайшие земные аналоги лунного грунта. Правильность выбора модельного грунта подтверждается представленными результатами расчётной и экспериментальной глубины проникания пенетратора, полученной в лабораторных условиях на стенде.

 

The paper deals with the topical issue of lunar exploration in connection with the projects to use of the Moon in the future energy. According to the latest data, the Earth's satellite is rich in helium-3, and water has been found on it in the form of ice. Lunar helium can be used as a thermonuclear fuel. Water is necessary to ensure the lunar base, and as a source for hydrogen production. These factors make the building lunar bases is actual task. The described activities require drilling operations to a depth of two to tens of meters. In order to study the internal structure of the Moon and to solve a number of scientific tasks, the paper suggests the use of reactive penetrators which are the penetrating probe-devices equipped with rocket engines solid fuel. The scientific tasks associate with the formation of wells in the lunar soil as well as delivery of the scientific equipment placed in the instrument compartment in a specified area of ground space and/or returning it to the soil surface. Based on data obtained by Russian and foreign expeditions to the Moon, the paper contains the main physical and mechanical properties of regolith. The physical characteristics of the lunar regolith are significantly different from the properties of the Earth's soil which is associated with other conditions of formation and existence of the top cover of our satellite, where there is a perfect vacuum, and water is completely absent. For example, the regolith has a high porosity and ability to seal, the adhesion and accumulation of electric charge. The high ability of particles of the lunar soil to adhesion contributes to a sharp increase of the friction forces and the power consumption needed for drilling in vacuum increases. The paper selects the nearest terrestrial analogs of lunar soil. The correct selection of model of the soil corroborates the results of the calculated and experimental depth of penetration obtained in laboratory conditions on the stand.

 

средагрунтгрунт-аналоггелий-3водородЛунапенетраторmediumsoilsoil-analoghelium-3hydrogenthe MoonpenetratorReferencesМаров, М.Я. Космические исследования Луны и планет [Текст] / М.Я. Маров, Ю.А. Нефедьев, А.В. Гусев // Земля и Вселенная. – 2010. – № 2. – С. 53–59.Marov M.Ya., Nefed'ev Yu.A., Gusev A.V. Space exploration of the moon and planets (KosmicheskieissledovaniyaLunyi planet). Zemlya i Vselennaya, 2010;(2):53–59 (in Russ.).Основные положения федеральной космической программы 2016-2025 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.roscosmos.ru/22347/. – (Дата обращения: 11.06.16.).The main provisions of the Federal space program 2016–2025 (Osnovnye polozheniya federal'noi kosmicheskoi programmy 2016–2025) [E-resource]. Available on: http://www.roscosmos.ru/22347/ (11.06.2016) (in Russ.).Зеленый, Л.М. Луна: исследование и освоение вчера, сегодня, завтра, послезавтра [Текст] / Л.М. Зеленый [и др.] // Природа. – 2012. – № 1. – С. 23–29.Zelenyi L.M., Khartov V.V., Mitrofanov I.G., Dolgopolov V.P. The moon: research and development yesterday, today and tomorrow, polyester (Luna: issledovanieiosvoenievchera, segodnya, zavtra, poslezavtra). Priroda, 2012;(1):23–29 (in Russ.).Строгонова, Л.Б. Лунная база, проблемы обитаемости [Текст] / Л.Б. Строгонова [и др.] // Труды МАИ. – 2013. – № 67. – С. 11.Strogonova L.B., Stolyarchuk V.A., Makarova S.M., VasinYu.A. The base of the Moon, problems of habitability (Lunnayabaza, problemyobitaemosti). Trudy MAI, 2013;(67):11 (in Russ.).Богачева, М.Н. Оценка эффективности развития глобальной энергетики на базе использования лунных ресурсов «Гелий-3» [Текст] / М.Н. Богачева // Труды МАИ. – 2010. – № 38. – С. 47.Bogacheva M.N. Evaluation of the effectiveness of the development of global energy based on the use the resources of moon the “Helium-3” (Ocenka jeffektivnosti razvitija global'noj jenergetiki na baze ispol'zovanija lunnyh resursov “Gelij-3”). Trudy MAI, 2010;(38):47 (in Russ.).Slyuta, E.N. The estimation of helium-3 probable reserves in lunar regolith / E.N. Slyuta, A.M. Abdurahimov, E.M. Galimov // Lunar and Planet. Sci. – 2007a. – Vol. 38. – Id. 2175.Slyuta E.N., Abdrahimov A.M., Galimov E.M. The estimation of helium-3 probable reserves in lunar regolith. Lunar and Planet. Sci., 2007;(38):2175 (in Eng.).Галимов, Э.М. Замыслы и просчеты: Фундаментальные космические исследования в России последнего двадцатилетия. Двадцать лет бесплодных усилий [Текст] / Э.М. Галимов. – М.: Едиториал УРСС, 2010. – 304 с.Galimov E.M. Concepts and Miscalculations: Fundamental space research in Russia in the last twenty years. Twenty years of fruitless efforts (Zamysly i proschety: Fundamental'nye kosmicheskie issledovaniya v Rossii poslednego dvadtsatiletiya. Dvadtsat' let besplodnykh usilii). Moscow: Editorial URSS, 2010.LCROSS Impact Data Indicates Water on Moon | NASA [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.nasa.gov/mission_pages/LCROSS/main/pre lim_water_results.html. – (Дата обращения: 13.11.2009).LCROSS Impact Data Indicates Water on Moon | NASA [E-resource]. Available on: https://www.nasa.gov/mission_pages/LCROSS/main/pre lim_water_results.html (13.11.2009)Яковлев, А.И. Изучаем земной и космический водород [Текст] / А.И. Яковлев, Г.М. Федоренко, А.Р. Щекин // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2012. – № 7. – С. 12–23.Jakovlev A.I., Fedorenko G.M., Shhekin A.R. Study of terrestrial and cosmic hydrogen (Izuchaem zemnoj i kosmicheskij vodorod). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2012;(7):12–23 (in Russ.).Галеев, А.Г. Этапы полета, факторы и нагрузки, действующие на ракетно-космическую технику при научных исследованиях планет с использованием кислородно-водородного топлива [Текст] / Галеев А.Г., Захаров Ю.В., Маркачев Н.А., Михай-лов Д.Н. // Международный научный журнал «Аль-тернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2016. – № 9–10. – С. 95–106.Galeev A.G., Zakharov Yu.V., Markachev N.A., Mikhailov D.N. Phases of flight, the forces and pressures acting on the rocket-space technology during research planets an using oxygen-hydrogen fuel (Etapy poleta, factory i nagruzki, deistvuyushchie na raketno kosmicheskuyu tekhniku pri nauchnykh issledovaniyakh planet s ispol'zovaniem kislorodno-vodorodnogo topliva). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2016;9–10:95–106 (in Russ.).Lorenz, R.D. Planetary penetrators: Their origins, history and future [Text] / R.D. Lorenz // Advances in Space Research. – 2011. – Vol. 48. – Iss. 3. – P. 403–431.Lorenz R.D. Planetary penetrators: Their origins, history and future. Advances in Space Research, 2011;48(3):403–431.Collinson, G. Planetary penetrators: The vanguard for the future exploration of the solar system [Text] / G. Collinson // Journal of the British Interplanetary Society. – 2008. – Vol. 61. – P. 198–202.Collinson G. Planetary penetrators: The vanguard for the future exploration of the solar system. Journal of the British Interplanetary Society, 2008;61:198–202.Родченко, В.В. Основы проектирования реактивных аппаратов для движения в грунте [Текст] / В.В. Родченко. – М.: МАИ-ПРИНТ, 2009.Rodchenko V.V. The design principles of a jet apparatus for movement in the soil (Osnovy proektirovaniya reaktivnykh apparatov dlya dvizheniya v grunte). Moscow, MAI-PRINT Publ., 2009 (in Russ.).Черкасов, И.И. Грунт Луны [Текст] / И.И. Черкасов, В.В. Шварев. – М.: Издательство «Наука», 1975. – 144 с.Cherkasov I.I., Shvarev V.V. The Soil of the Moon (Grunt Luny). Moscow: Nauka Publ., 1975 (in Russ.).Слюта, Е.Н. Физико-механические свойства лунного грунта (обзор) [Текст] / Е.Н. Слюта // Астрономический вестник. – 2014. – Т. 48. – № 5. – С. 358.Sljuta E.N. Physical and mechanical properties of lunar soil (Review) (Fiziko-mehanicheskie svojstva lunnogo grunta (obzor). Astronomicheskij vestnik, 2014;48(5):358 (in Russ.).Черкасова, Л.И. Исследования грунтов луны. история и перспективы [Текст] / Л.И. Черкасова // Вестник МГСУ. – 2011. – № 5. – С. 301.Cherkasova L.I. Studies of the soil of the moon. History and prospects (Issledovanija gruntov luny. istorija i perspektivy). Vestnik MGSU, 2011;(5):301 (in Russ.).Аким, Э.Л. Забор и доставка на землю образцов лунного грунта автоматическим космическим аппаратом «Луна-16» [Текст] / Э.Л. Аким // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. – 2010. – № 4. – С. 33–35.Akim Je.L. Pick-up and delivery to earth of lunar soil automatic spacecraft “Luna-16” (Zabor i dostavka na zemlju obrazcov lunnogo grunta avtomaticheskim kosmicheskim apparatom “Luna-16”). Vestnik NPO im. S.A. Lavochkina, 2010;(4):33–35 (in Russ.).Стахеев, Ю.И. Сравнительные характеристики распределения размеров частиц лунного грунта на местах посадок АЛС “Луна-16” и “Луна-20” [Текст] / Ю.И. Стахеев, А.В. Иванов, Е.К. Вульфсон // Космические исследования. – 1976. – Т. 14. – № 3. – С. 428–434.Staheev Ju. I., Ivanov A.V., Vul'fson E.K. Comparative characteristics of the size distributions of particles of lunar soil on the landing places of the ALS “Luna-16” and “Luna-20” (Sravnitel'nye harakteristiki raspredelenija razmerov chastic lunnogo grunta na mestah posadok ALS “Luna-16” i “Luna-20”). Kosmicheskie issledovanija, 1976;14(3):428–434 (in Russ.).Королев, В.А. Моделирование гранулометрического состава лунных грунтов [Текст] / В.А. Королев // Инженерная геология. – 2016. – № 5. – С. 40–50.Korolev V.A. Modeling of granulometric composition of lunar soils (Modelirovanie granulometricheskogo sostava lunnyh gruntov). Inzhenernaja geologija, 2016;(5):40–50 (in Russ.).Заговорчев, В.А. Влияние особенностей функционирования двигателя на технические характеристики лунного пенетратора [Текст] / В.В. Родченко [и др.] // Труды МАИ. – 2012. – № 59. – С. 9.Rodchenko V.V., Sadretdinova E.R., Zagovorchev V.A., Lugovtsov I.V. The impact of the features the work to engine to the technical characteristics of the lunar penetrator (Vliyanie osobennostei funktsionirovaniya dvigatelya na tekhnicheskie kharakteristiki lunnogo penetratora). Trudy MAI, 2012;(59):9 (in Russ.).Садретдинова, Э.Р. Выбор параметров лунных пенетраторов со сквозным каналом [Текст] / В.А.Заговорчев, В.В. Родченко, Э.Р. Садретдинова / Вестник Московского авиационного института. – 2014. – Т. 21. – № 2. – С. 32–40.Zagovorchev V.A., Rodchenko V.V., Sadretdinova E.R. The choice of parameters of lunar penetrators with a through channel (Vybor parametrov lunnykh penetratorov so skvoznym kanalom). Vestnik Moskovskogo aviatsionnogo instituta, 2014;21(2):32–40 (in Russ.).Велданов, В.А. Возможности моделирования проникания тел в грунтовые среды [Текст] / В.А. Велданов [и др.] // Инженерный журнал: наука и инновации. – 2013. – № 9 (21). – С. 28.Veldanov V.A., Daurskikh A.Yu., Karneichik A.S., Maksimov M.A. Possibility simulations of the penetration of bodies in the ground environments (Vozmozhnosti modelirovaniya pronikaniya tel v gruntovye sredy). Inzhenernyi zhurnal: nauka I innovatsii, 2013;(9):28 (in Russ.).Васильчук, Ю.А. Грунтоведение [Текст] / Ю.А. Васильчук [и др.] // Под ред. В.Т. Трофимова. – 6-е изд., переработ. и доп. – М.: Изд-во МГУ, 2005. – 1024 с.Vasilchuk Yu.A., Voznesensky E.A., Golodkovskaya G.A., Ziangyrov R.S., Korolev V.A., Trofimov V.T. / Eds. Trofimov V.T. Soil science (Gruntovedenie). Moscow: MGU Publ., 2005. 1024 p.ГОСТ 20522-2012. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний. – Введ. 2013-07-01. – М.: Стандартинформ, 2013. – 16 с.GOST 20522-2012. Soils. Methods of statistical processing of the results of the use of (Grunty. Metody statisticheskoi obrabotki rezul'tatov ispytanii). Moscow: Standartinform Publ., 2013.ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. – Введ. 2013-01-01. – М.: Стандартинформ, 2013. – 63 с.GOST 25100-2011. Soils. Classification (Grunty. Klassifikatsiya). Moscow: Standartinform Publ., 2013. 63 p.Бакулин, В.Н. Исследование влияния свойств грунта посадочной поверхности на устойчивость процесса посадки космического аппарата с механическим посадочным устройством [Текст] / В.Н. Бакулин [и др.] // Вестник Московского авиационного института. – 2014. – Т. 21. – № 1. – С. 25–32.Bakulin V.N., Kokushkin V.V., Borzykh S.V., Voronin V.V., Shchiblev Yu. N. Study of the influence of the soil properties of the landing surface on the stability of the process of landing a spacecraft with a mechanical landing device (Issledovanie vliyaniya svoistv grunta posadochnoi poverkhnosti na ustoichivost' protsessa posadki kosmicheskogo apparata s mekhanicheskim posadochnym ustroistvom). Vestnik Moskovskogo aviatsionnogo instituta, 2014;21(1):25–32 (in Russ.).Федорова, Н.А. Влияние прочностных свойств поверхностного слоя космического тела на глубину проникания реактивных пенетраторов [Текст] / Н.А. Федорова // Молодежный научно-технический вестник. – 2015. – № 11. – С. 3.Fedorova N.A. The impact strength properties of the surface layer of cosmic body on the depth of penetration of reactive penetrators (Vliyanie prochnostnykh svoistv poverkhnostnogo sloya kosmicheskogo tela na glubinu pronikaniya reaktivnykh penetratorov). Molodezhnyi nauchno-tekhnicheskii vestnik, 2015;(11):3 (in Russ.).Федоров, С.В. Использование импульса реактивной тяги для увеличения глубины проникания исследовательских модулей в малопрочные грунтовые преграды [Текст] / С.В. Федоров, Н.А. Федорова, В.А. Велданов // Известия Российской академии ра-кетных и артиллерийских наук. – 2014. – № 4. – С. 53–63.Fedorov S.V., Fedorova N.A., Veldanov V.A. The use of pulse jet thrust to increase the penetration depth of the research modules in low-strength ground obstacles (Ispol'zovanie impul'sa reaktivnoi tyagi dlya uvelicheniya glubiny pronikaniya issledovatel'skikh modulei v maloprochnye gruntovye pregrady). Izvestiya Rossiiskoi akademii raketnykh I artilleriiskikh nauk, 2014;(4):53–63 (in Russ.).Баженов, В.Г. Экспериментально-теоретический анализ нестационарных процессов взаимодействия деформируемых ударников с грунтовой средой [Текст] / В.Г. Баженов [и др.] // Прикладная механика и техническая физика. – 2001. – Т. 42. – № 6. – С. 190–198.Bazhenov V.G., Kotov V.L., Krylov S.V., Balandin V.V., Bragov A.M., Tsvetkova E.V. Experimental and theoretical analysis of non-stationary process of interaction of deformable projectiles with a dirt environment (Eksperimental'no-teoreticheskii analiz nestatsionarnykh protsessov vzaimodeistviya deformiruemykh udarnikov s gruntovoi sredoi). Prikladnaya mekhanika I tekhnicheskaya fizika, 2001;42(6):190–198 (in Russ.).Баландин, В.В. Экспериментальное изучение динамики проникания твердого тела в грунтовую среду [Текст] / В.В. Баландин [и др.] // Журнал технической физики. – 2016. – Т. 86. – № 6. – С. 62–70.Balandin V.V., Balandin V.V., Bragov A.M., Kotov V.L. Experimental study of dynamics of rigid body penetration into soil environment (Eksperimental'noe izuchenie dinamiki pronikaniya tverdogo tela v gruntovuyu sredu). Zhurnal tekhnicheskoi fiziki, 2016;86(6):62–70 (in Russ.).Родченко, В.В. Экспериментальная проверка метода выбора проектных параметров реактивных пенетраторов для движения в лунном грунте [Текст] / А.Г. Галеев [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2014. – № 16. – С. 46–60.Galeev A.G., ZakharovYu.V., Rodchenko V.V., Sadretdinova E.R., Zagovorchev V.A. Experimental verification of a method of selecting design parameters of a jet penetrating devices for movement in a lunar ground (Eksperimental'naya proverka metoda vybora proektnykh parametrov reaktivnykh penetratorov dlya dvizheniya v lunnom grunte). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2014;(16):46–60 (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.