07.10.2020

Космическая фортификация или что и как строить на Луне

Освоение Луны невозможно без создания на ней постоянной базы.  Возведение и эксплуатация базы будит осуществиться в условиях действия агрессивных факторов, таких как температурные перепады, космическая радиация, микрометеоритная бомбардировка, вакуум, лунная пыль, пониженная гравитация.

Сравнивая факторы, действующие на Луне с воздействиями, от которых защищены существующие специальные фортификационные сооружения, можно заметить - некоторые воздействия совпадают, например, такие как космическая радиация,  проникновение извне вредных веществ,  микрометеоритная бомбардировка, сравнимая с артиллерийским обстрелом. Надо отметить, что функционирование земного защитного сооружения в режиме полной изоляции практически полностью совпадает с режимом  эксплуатации сооружений на Луне. Кроме того, похожи принципы компоновки внутреннего объема лунной базы и существующего шахтного, командного пункта РВСН. Исходя из вышесказанного следует принять, что с учетом лунных условий при создании  лунной базы, ее компоновка, защищенность и живучесть основывается на нормах, действующих  для специальных фортификационных  сооружений.

Что такое лунная база, как возвести и защитить ее, сделать безопасной для экипажа?

Лунная база – это комплекс в составе нескольких основных и вспомогательных сооружений, которые соединены проходными потернами. Все сооружения расположены на одной площадке и связаны техническими коммуникациями, которые проложены открыто или в проходных потернах (технологических лотках).

При выборе места площадки ЛБ на поверхности Луны необходимо учитывать:

- габариты площадки,

- отсутствие помех в подлетных зонах лунных кораблей (включая аномальные гравитационные зоны «ямы»),

- рельеф и профиль поверхности, возможность передвижения техники (луноходов),

- возможность устройства грунтового оснований под опоры сооружений.

На габариты площадки влияют:

- габариты сооружений,

- разрывы между сооружениями (например, радиусы безопасности от действия газовой струи при старт-посадке и выполнении монтажных операций),

- разносы между дублирующими элементами (например, входными оголовками или вводами коммуникаций),

- технологические размеры технических зон, габариты которых ограничены максимально возможной протяженностью инженерных коммуникаций  и другими нормами.

Оптимальной конфигурацией комплекса сооружений ЛБ является замкнутый контур, типа “каре“. Такая конфигурация предпочтительнее по условиям живучести и  доступности в любой отсек базы по не менее чем двум разнесенным проходам (путям эвакуации в смежные отсеки).  В центре площадки внутри контура  размещаются главные инженерные  системы, такие как  энергетическая и охлаждающая. Вне площадки размещаются навигационное и связное оборудование, элементы противоастероидной защиты и другие автономные системы.

Основные сооружения  выполняют следующие функции:

- посадка и старт пилотируемых лунных кораблей в автоматическом или ручном режимах управления;

- связь всех видов;

- управление и контроль функционирования всех систем;

- обеспечение бытовых условий для экипажа;

- защита от внешних факторов воздействия.

В состав сооружения включаются помещения максимальной защищенности с режимом полной изоляции, в которых постоянно или временно могут находиться без скафандров члены экипажа. К таким помещениям относятся:

- командный пункт и диспетчерская технических систем,

- операторская мониторинга внешнего пространства (противоастероидной защиты),

- бытовые помещения с сантехнической системой,

- научная лаборатория,

- помещения систем жизнеобеспечения.

В перспективе предусматриваются резервные места для размещения пункта управления и контроля работы автоматизированных комплексов по геологоразведке, добыче, обогащению и транспортировке на Землю полезных ископаемых производство сверхчистых материалов. Помимо производства и научных исследований предусматривается возможность пребывания на ЛБ "космических" туристов.

Вспомогательные сооружения выполняют  функции:

- наведения лунных кораблей на посадочную площадку при подлете к базе,

- устройство входных порталов с размещением систем шлюзования,

- организации мест хранения (или стоянки) резервных пилотируемых и транспортных лунных модулей, а также  хранилищ топлива, окислителя, кислорода, водорода и других расходных компонентов,

- размещения внешнего оборудования энергообеспечения, систем связи и космической навигации,

- кругового освещения и видео-фото наблюдения всей площадки базы,

- видеоконтроля процесса монтажа и эксплуатации соседних сооружений.

В сооружениях размещаются мастерские, ЗИПы, хранилища и другие помещения с эпизодическим появлением в них членов экипажа в гермоскафандрах. Должны быть предусмотрены дополнительные места для размещения перспективного оборудования, например, 3д-принтеров изготавливающие необходимые детали для строительства ЛБ, ремонта вышедшей из строя техники или ее обслуживания.

На фасадах сооружений размещаются панели солнечных батарей с возможностью их наращивания, смонтированы  антенны систем связи и космической навигации, а так же другое внешнее оборудование.

Проходные потерны  обеспечивают:

- перемещение между сооружениями без выхода на поверхность,

- организацию системы шлюзования при входе-выходе на поверхность,

- устройство противорадиационного укрытия с микрометеоритной защитой,

- размещение рабочих мест для обслуживания роботизированных мобильных модулей (РММ или луноходов),

- противодействие проникновению пыли в основное сооружение (снятие статического электричества с поверхности скафандра, одноразовые бахилы, пылесос со съемным фильтром и другие меры),

- организацию дополнительных мест хранения расходных материалов (воды, пищи, кислорода и др.) для жизнедеятельности экипажа,

- прокладку коммуникаций (электрические, слаботочные кабели, газовые и жидкостные трубопроводы различных систем  и пр.).

Комплекс сооружений ЛБ должен отвечать требованиям защищенности и живучести, выполнение которых позволяет сохранить работоспособность объекта при более высокой степени поражения от расчетных внешних или внутренних аварийных  воздействий, повысить уровень безопасности членов экипажа.

Защищенность повышают конструктивные решения такие как:

- обсыпка грунтом от космической радиации,

- защитные тюфяки от микрометеоритов и действия газовой струи при взлете-посадке космических аппаратов

- теплоизоляция внутренних помещений от температурных перепадов,

- разнос и дублирование входов (мест старт-посадки дежурных лунных модулей в случае экстренной эвакуации),

- защита от неравномерных температурных деформаций открытых конструкций.

Живучесть достигается следующими мероприятиями:

- разбивка внутреннего объема на противопожарные отсеки, при этом из каждого отсека предусматриваются не менее 2-х переходов в смежные,

- системой шлюзования между отсеками и при входе с поверхности,

- организация поиска и заделка пробоин и не плотностей в гермоконтуре отсека,

- снижение утечек воздуха через наружные ограждающие конструкции потерны, для этого зону прохода отделить дополнительной надувной пленочной конструкцией, 

- дублирование и закольцованность коммуникаций инженерных систем жизнеобеспечения,   дублирование может  реализоваться подключением автономных аварийных  инженерных систем каждой секции,

- меры противодействия проникновению во внутренний объем вредных веществ и лунной пыли, путем обработки скафандров по аналогии с технологией прохода через санпропускник в защитных сооружениях,

- учет повышенных противопожарных требований,

- другие мероприятия (ношение  гермоскафандров с аварийным запасом воздуха),

Защитные мероприятия должны обеспечивать функционирование базы в условиях полной изоляции (аналогично одному из штатных периодов эксплуатации фортификационных сооружений).

Все компоновочные, конструктивные, инженерные и другие мероприятия и решения влияют друг на друга, поэтому должны решаться и приниматься комплексно  учетом всех требований норм и технических заданий.

В случае возникновения противоречащих требований к тому или иному элементу сооружения, приниматься должно решение наименее опасное для экипажа.

Конструктивные решения сооружений ЛБ.

Основные и вспомогательные сооружения - это вертикальные конструкции башенного типа. Такой конструктивный тип сооружения определяется техническими средствами доставки и технологическими возможностями монтажа. Монтаж на Луне, также как и посадку, проще всего выполнять, ставя секции друг друга, с помощью посадочно-монтажного ракетного блока.

Для восприятия внешних нагрузок каждая секция обрамлена унифицированным силовым каркасом. Каркасы каждой секции стыкуются между собой по вертикали и образуют единую несущую конструкцию - внешний силовой каркас (типа "этажерки"). Для компенсации различного типа деформаций и передачи нагрузки  в точках стыковки секции на силовой каркас предусмотрены упругие прокладки.

В качестве фундаментов силового каркаса используются  опорные рамные конструкции. Рамы фиксируются анкерами, забитыми в грунт с помощью пиропатронов. При необходимости для плотного прилегания обломков породы к опорной раме, пустоты между ними заполнить металлическим натрием. Опорная конструкция имеет ответную часть для стыковки с первой нижней секцией и силовым каркасом.

Для реализации вертикальной технологии монтажа каждая секция оборудована унифицированными межсекционными стыками двух видов:

- герметические с люками для прохода и конструкциями пропуска коммуникаций,

- силовыми  разъемами каркаса.

Все стыки и разъемы способны многократно использоваться и быть доступными для визуального контроля.

Каждая секция - это отдельный герметичный противопожарный отсек со своим целевым комплектом оборудования. Оборудование выполняется блоками полной заводской готовности. Для перемещения внутри секции и обслуживания оборудования предусматриваются вертикальные лестницы и промежуточные площадки.

Конструктивно проходные потерны выполняются из гофрированного пленочного материала на пневмокаркасе, в виде секций-«рукавов» переменного сечения, что обеспечивает стыковку смежных секций нужной длины потерны. Конструкция должна быть достаточно гибкой, чтобы учитывать профиль поверхности (уклоны) и повороты в плане, а также быть ремонтно-пригодной (запенивание отверстий, наклейка пластыря). После установки внешняя поверхность потерны фиксируется слоем теплоизоляционного материала (типа пенополиуретановая,  специальная монтажная пена или материалы подобного назначения). Общая толщина защитного слоя в верхней зоне 0.8-1.0м.

Снаружи потерны обкладываются скальными обломками по вспенивающемуся материалу, что обеспечивает теплоизоляцию, радиационную и микрометеоритную защиту, а в местах взлета-посадки дополнительную защиту от действия газовой струи ракетного двигателя.

Как строить лунную базу?                       

Строительство базы происходит в несколько этапов. Вначале выполняется выбор площадки. На выбранный участок поверхности осуществляется посадка 3-5 блоков с роботизированными мобильными модулями (луноходами). Их задача очистить площадку ЛБ, подготовить основания.  Затем на подготовленное основание устанавливаются  опорные рамные конструкции. Рамы размещаются согласно плановым координатам и высотным привязкам. Рамы доставляются вместе с луноходами, которые эти рамы и устанавливают в проектное положение. На опорные рамы устанавливаются монтажно-посадочными блоками секции. Правильность положения (ориентации при монтаже) секций между собой контролируется автоматически с внешним видеоконтролем. В итоге на базе должно быть оборудовано не менее 3-х посадочных мест, на одном из которых должен находиться дублирующий взлетно-посадочный лунный модуль.

Следующие этапы строительства могут осуществляться под контролем прибывшего экипажа. Задачей экипажа  первой экспедиции является проверка работы всех технических систем и оборудования, стыковки межсекционных коммуникаций,  установка  переходных потерн, начало их обваловки с помощью специализированных роботизированных мобильных модулей (РММ). Итогом должно стать начало полноценного функционирования станции по программе  освоения Луны.

Скафандры для лунной базы.

Важнейшим фактором защищенности экипажа является наличие многофункциональных скафандров. Скафандр в космосе единственное средство жизнеобеспечения и индивидуальной защиты космонавта  На базе нужны скафандры герметичные внутрибазового использования и защитные для выхода на поверхность.

Внутрибазовые скафандры  аналогичны  стартовым и предназначены для постоянного ношения. Скафандр защищает космонавта от баротравмы при внезапном падении внешнего давления, частично от космической радиации и лунной пыли.  Кроме того, космонавт в скафандре готов к экстренной эвакуации, для чего в нем есть запас кислорода и воды на время необходимое для покидания лунной базы. Облачение в скафандр космонавтом выполняется самостоятельно, без посторонней помощи.

 Скафандр для нахождения на лунной поверхности должны обладать следующим:

- герметичностью и прочностью,

- системой обеспечения термо-влажностного режима с запасами воды и кислорода,

- свободой движения космонавта в условиях пониженной гравитации,

- защищать от солнечного нагрева, космической радиации и проникновения пыли,

- обеспечивать обзор с защитой от солнечного света,

- облачение и снятие без посторонней помощи,

- связью всех необходимых видов и ряд других технических требований.

Предъявляемым требованиям может ответить лунный скафандр, конструкция которого выполнена из трех отдельных элементов: внутрибазового гермоскафандра, силового экзоскелета, внешнего защитного костюма-оболочки.

Экзоскелет размещается поверх гермоскафандра и предназначен:

- для стабилизации (приведение к естественной моторики) движений при ходьбе в условиях пониженной гравитации,

- для увеличения усилий при необходимости выполнения каких-либо физических действий, 

- крепление системы жизнеобеспечения при выходе на поверхность Луны,

- использование в качестве силового тренажера имитирующего земные нагрузки.

Внешний защитный костюм-оболочка выполняется аналогично теплоотражающему пожарному костюму, адаптированному к условиям нахождения на Луне. Костюм-оболочка одевается поверх экзоскелета и выполняет функции:

- защиту от космической радиации,

- предотвращает проникновение пыли и загрязняющих веществ во внутрь оболочки,

- предохраняет от перегрева от солнечного излучения.     

Для предотвращения попадания пыли рекомендуется использовать одноразовые бахилы и если возможно костюмы-оболочки. Снятие и обеспыливание элементов производить в потерне перед первым герметическим тамбуром системы шлюзования.

Живучесть инженерных систем.                   

Все инженерные системы, обслуживающие и обеспечивающие безопасное  функционирование лунной базы, работают в режимах:

- автоматическом, безлюдном, при котором системы  жизнеобеспечения отключены,

- автоматическом, работа всех систем под контролем экипажа,

- ручном, при ремонте или нештатной ситуации.

Живучесть инженерных систем достигается  их дублированием. 

Основные инженерные системы – энергетическая и связанная с ней система  теплоотведения (утилизация излишков тепла особенно во время лунного дня).

В период монтажа  объектов ЛБ главными потребителями электроэнергии являются основные строительные механизмы, функции которых выполняют роботизированные мобильные модули (РММ). Для их эффективной работы   требуется наличие энергоблока, мощность которого должна обеспечивать работу оборудования в условиях продолжительного лунного дня и особенно ночи.

Днем снабжение электроэнергией может обеспечиваться от панелей солнечных батарей, которые размещены на прибывшей секции. На секции предусмотрены контакты для автоматической зарядки аккумуляторов РММ.

Ночью возможным источником электроэнергии может являться  размещенный в секции блок аккумуляторных батарей, накопивших энергию за лунный день.  Наиболее эффективными в использовании могут оказаться серно-натриевые высокотемпературные аккумуляторы.

Для организации эффективной работы  РММ в начальный период из всех автономных источников энергообеспечения оптимальным является энергоблок с кислородно-водородным турбогенератором. Топливные компоненты доставляются с Земли или получают на месте из воды и металлического натрия.  Использование турбогенератора совместно с преобразователем напряжений и серно-натриевыми аккумуляторами позволяет:

- регулировать расход топливных компонентов при пиковых колебаниях нагрузки в электросети ЛБ,

- при расходе сжиженных газов использовать (возможно) их холод для кондиционирования воздуха,

- при утилизации выхлопа получается дефицитная чистая вода и водород,

- без утилизации выхлоп уносит избытки тепла в окружающее пространство.

Сооружения энергоблока разместить в центре площадки ЛБ (в центре электрической нагрузки от потребителей). 

Для утилизации тепла предлагается использовать для обогрева потерн и коммуникационных лотков или насыпной грунт, для чего во внутренней зоне  ("каре") в обсыпке сооружений ЛБ на глубине не менее 2.5м заложить регистры системы утилизации излишков тепла. Естественная температура лунного грунта на глубине 2.0 м составляет минус 34-350 С. Для увеличения теплоотдачи предлагается, грунт вблизи регистров пропитать металлическим натрием.

В статье только слегка затронут пласт проблем, которые необходимо решить, а значит определиться что и как строить на Луне.

 Колечин Сергей Евгеньевич



 Фото для анонса: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F_%D0... 

Поделиться в соц. сетях
1085