III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ЛУНА КАК ПЛАЦДАРМ ДЛЯ ОСВОЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
Елохин И.В.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Зачем нам нужны межпланетные путешествия.

После высадки на Луну в 1969 году многие люди думали, что к началу XXI века космические путешествия станут обычным делом, мы сможем посещать другие планеты в нашей Солнечной системе и, возможно, даже рискнем отправиться в межзвездное пространство! К сожалению, и через полвека человечество не смогло выбраться из земной колыбели. Может быть потому, что Космос нам не нужен? Конечно, нужен и вот 6 основных причин почему:

  1. Колонизация планет солнечной системы - это решение текущей проблемы перенаселения Земли, а также отдалённой проблемы переселения на другие планеты после неизбежного выгорания топлива Солнца [3];

  2. Защита Земли от столкновения с крупными астероидами и кометами, что возможно было причиной вымирания динозавров[1];

  3. Исчерпаемые природные ресурсы Земли (например, разведанных запасов нефти хватит не более чем на 50 лет) можно заменить космическим сырьём - в космосе (на астероидах, спутниках, кометах и планетах солнечной системы) есть золото, серебро, платина и практически все остальные элементы таблицы Менделеева;

  4. Побочные технологии - благодаря космической индустрии у нас есть GPS- навигаторы, цифровые камеры, термобельё, тефлоновые сковородки, одежда на липучках, «молнии» и многое другое;

  5. Новые знания - удовлетворение потребности человечества в новых знаниях для решения текущих задач и формулирования новых;

  6. Нам нужен ответ на вопрос: «Одни ли мы во Вселенной?». Для этого необходим поиск внеземных форм жизни и инопланетных цивилизаций.

Цель работы:

  • Оценить эффективность модели запусков космических кораблей с космодрома на Луне вместо использования земных стартовых площадок.

Задачи:

  1. Изучить строение Луны, природные условия, особенности

  2. Определить показатели притяжения и космических скоростей для Луны

  3. Разработать план доставки грузов и этапы строительства лунного космодрома

  4. Определить проблемы и наметить пути их решения

1. Общие сведения о Луне

Луна - второй по яркости объект на земном небосводе после Солнца и пятый по величине естественный спутник планеты Солнечной системы. Среднее расстояние между центрами Земли и Луны — 384 467 км (~ 30 диаметров Земли) (Приложение рис.1).

Луна состоит из коры, мантии и ядра. По данным со спутников гравитационной разведки GRAIL, толщина лунной коры больше на том полушарии, которое обращено к Земле и меняется в пределах от 0 до 105 км.

Оболочка внутреннего ядра богата железом, она имеет радиус 240 км, жидкое внешнее ядро состоит в основном из жидкого железа с радиусом примерно 300—330 километров. Вокруг ядра находится частично расплавленный пограничный слой с радиусом около 480—500 километров. Он, как полагают, появился в результате кристаллизации из магмы вскоре после образования Луны 4,5 миллиарда лет назад. Лунная кора имеет в среднем толщину ~ 50 км. Луна — второй по плотности спутник в Солнечной системе после Ио. Однако внутреннее ядро Луны мало, его радиус около 350 км; это только ~ 20 % от размера Луны, в отличие от ~ 50 % у большинства других землеподобных тел. Состоит лунное ядро из железа, с небольшим количеством примесей серы и никеля(Приложение рис.2). [8]

Поверхность Луны покрыта так называемым реголитом — смесью тонкой пыли и скалистых обломков. Толщина слоя реголита составляет от долей метра до десятков метров.

Отсутствие атмосферы приводит к высокому перепаду температур на поверхности Луны (от −160 °C до +120 °C), в зависимости от освещённости; при этом температура пород, залегающих на глубине 1 м, постоянна и равна −35 °C. Ввиду практического отсутствия атмосферы небо на Луне всегда чёрное, со звёздами, даже когда Солнце находится над горизонтом. Угловой размер Земли при наблюдении с Луны в 3,7 раз больше, чем лунный при наблюдении с Земли. Освещение отражённым светом Земли примерно в 41 раз сильнее, чем освещение лунным светом на Земле.

2. Почему Луна идеальна как космодром?

Взлететь с Луны в космос во много раз легче, чем с Земли. Главная причина этого - в том, что Луна гораздо меньше, чем Земля (ее радиус в 3,7 раза меньше земного, а масса Луны в 81 раз меньше земной) [9], а сила притяжения на ее поверхности намного слабее тяготения Земли. Давайте рассчитаем значение притяжения Луны.

2.1. Расчёт ускорения свободного падения для Луны

Все тела притягиваются друг к другу — это закон всемирного тяготения. Силы, с которыми тела притягиваются вычисляются по формуле [14]:

F = G × m1m2 ÷ R2

Здесь G — это гравитационная постоянная, равная 6,67 × 10-11 Н · м2/кг2. Она численно равна силе, с которой одно тело массой 1 кг притягивает другое тело с массой 1 кг, находящееся от него на расстоянии 1 м. Как мы видим, это очень маленькая сила. Поэтому мы замечаем притяжение только к очень массивным телам, космического масштаба.

Если размеры одного тела несоизмеримо меньше размеров другого тела и оно находится на поверхности второго тела или на высоте намного меньше радиуса второго тела, то за расстояние между телами принимается радиус второго тела. (Сила притяжения всегда направлена к центру тела.)

В результате действия закона всемирного тяготения планеты и другие космические тела притягивают к себе другие тела. Эта сила притяжения называется силой тяжести. Под ее действием падающим телам сообщается ускорение свободного падения (g). Сила тяжести вычисляется по формуле:

F = mg

Подставим вместо F в первую формулу значение F из второй. При этом пусть m1 — это масса падающего на Землю тела. Обозначим ее как m. А m2 — это масса Земли. Обозначим ее как M. Тогда получим:

mg = G × mM ÷ R2

Разделим обе части формулы на m (массу падающего тела):

g = G × M ÷ R2

Мы видим, что ускорение свободного падения зависит от массы и радиуса планеты. Чем больше ее масса, тем сильнее она притягивает тела и тем больше на ней ускорение свободного падения. Чем больше радиус планеты, тем дальше от ее центра находится притягиваемое тело и тем меньше будет ускорение свободного падения. Таким образом, чтобы сравнить ускорение свободного падения на Земле и Луне, надо сравнить отношения их масс к квадратам их радиусов. Но чтобы найти само ускорение свободного падения, надо еще умножить на гравитационную постоянную.

Масса Земли приблизительно равна 6 × 1024 кг, а ее радиус приблизительно равен 6400 км (6,4 × 106 м). Поэтому ускорение свободного падения на Земле приблизительно будет равно:

g = 6,67 × 10-11 Н × м2/кг2 × 6 × 1024 кг ÷ (6,4 × 106 м)2 ≈ 0,977 × 1019,8 Н/кг (м/c2)

Масса Луны примерно равна 7,5 × 1022 кг, а ее радиус примерно равен 1750 км. Поэтому ускорение свободного падения на Луне приблизительно будет равно:

g = 6,67 × 10-11 Н × м2/кг2 × 7,5 × 1022 кг ÷ (1,75 × 106 м)2 ≈ 16,335 10-11,6 Н/кг (м/с2)

Отношение ускорений свободного падения на Земле и Луне равно 9,8 : 1,6 ≈ 6 : 1. Что достоверно подтверждается другими источниками. [12]

Вывод: сила притяжения тела с массой m на Луне будет примерно в 6 раз меньше, чем на Земле.

2.2 Первая, вторая и третья космические скорости для Луны

Первая космическая скорость - это минимальная скорость, которую должен иметь искусственный спутник, чтобы вращаться вокруг небесного тела, не падая на него. Для Земли первая космическая скорость равна 7,91 км/с., а для Луны - всего 1,68 км/с [11]

Вторая космическая скорость - это минимальная скорость, которую должен иметь искусственный спутник, чтобы преодолеть гравитационное притяжение небесного тела и покинуть орбиту планеты. Для Земли вторая космическая скорость равна 11,2 км/с., а для Луны - всего 2,4 км/с [2]

Третья космическая скорость - это минимальная скорость, которую должен иметь искусственный спутник, чтобы преодолеть гравитационное притяжение небесного тела и Солнца и покинуть пределы Солнечной системы. Для Земли третья космическая скорость равна 16,65 км/с., а для Луны - всего 3,54 км/с [13]

2.3 Расчёт эффективности запусков с лунного космодрома

Давайте рассчитаем насколько эффективнее осуществлять запуски ракет с Луны чем с Земли. Схема простейшего жидкостного реактивного двигателя представлена на Рис.1.

Окислитель и горючее помещаются в специальных баках, располагающихся на ракете. Для подачи окислителя и горючего в камеру сгорания применяют турбонасосы. Через форсунки происходит подача жидкого горючего и окислителя в камеру горения. В камере сгорания происходит воспламенение топлива, и горячие газы с большой скоростью выбрасываются через сопло. Струя горячих газов, выбрасываемая из сопла реактивного двигателя, создает реактивную силу, приводящую ракету в движение.

Реактивная сила (реактивная тяга) это сила отдачи струи, создаваемой в результате истечения газов из сопла реактивного двигателя и обеспечивающей передвижение аппарата в сторону, противоположную направлению реактивной струи.

Давайте вычислим и сравним эффективность ракеты на Земле и на Луне. Формулу, дающую возможность определить массу топлива, необходимого для сообщения ракете заданной скорости, в 1903 году получил Константин Эдуардович Циолковский [6]:

m0/m = ev/u

где m0 – масса ракеты с топливом, m – масса ракеты без топлива, v – скорость ракеты, u – скорость истечения газов, e (число Эйлера) = 2,718

Так, для достижения ракетой первой космической скорости (~ 7910 м/с [11]) при старте с Земли при скорости истечения газов ~ 3600 м/с (ракета «Союз») соотношение массы ракеты с топливом к массе ракеты без топлива равно:

m0/m = e7910/3600=2,718 2,19 = 8,933

это же вычисление с учетом поправки на первую космическую скорость для Луны (1680 м/с [3]) даст:

m0/m = e1680/3600=2,718 0,46 = 1,583

Таким образом, эффективность ракеты на Луне выше почти в 6 раз (8,933/1,583=5,6) . На самом деле ракету для старта с Луны можно сделать еще и намного легче, потому что стартующая с Земли ракета при своем подъеме преодолевает плотные слои атмосферы, а на Луне атмосфера отсутствует. Следовательно, ракету можно сделать намного менее прочной, а значит и более легкой. К тому же сила тяги двигателей на Луне не тратится на преодоление сопротивления воздуха и этот фактор еще добавит мощности.

В результате мы получаем, что ракета, стартующая с Луны, а не с Земли и выводящая в космос одну и ту же полезную нагрузку как минимум в 6 раз будет меньше тратить топлива, она будет легче и дешевле. Это и есть главный фактор размещения космодрома на Луне. То есть при старте с лунного космодрома, а не с Земли, мы можем увеличить в разы полезную нагрузку или при одинаковой полезной нагрузке – сэкономить на топливе и металле

3. Доставка грузов и строительство лунного космодрома

3.1. Орбитальные станции как перевалочные пункты

Концепция ДОС (долговременных орбитальных станций Земли) была одной из приоритетных направлений развития советской космонавтики.

Для уменьшения расхода топлива оптимально использовать комплексный поэтапный подход при построении лунного космодрома. Грузы для станции на Луне и модули космических кораблей и другая полезная нагрузка для последующего пусков с Луны на первом этапе доставляются на околоземную орбиту обычными химическими ракетами. Там из них формируется космический грузовой состав, с которым стыкуется беспилотный «космический тягач» - грузовой электроракетный космический корабль - и на малой тяге курсирует до лунной орбитальной станции и обратно. Перелет к Луне с малой тягой требует длительного времени, но для беспилотных кораблей это не имеет существенного значения, а экономия огромна. На окололунной орбитальной станции происходит сортировка и расцепка грузов с последующим прилунением на лунную базу-космодром. Причём космонавты будут по-прежнему совершать полеты к Луне и обратно с помощью обычных быстрых термохимических ракет.

3.2. Особенности строительство космодрома на Луне

Для осуществления запусков ракет с Луны необходимо построить полноценный космодром со стартовыми комплексами, заправочными станциями, жилыми модулями-куполами, обсерваториями, оранжереями и многим другим (Приложение рис.3).

Вместо традиционной технологии строительства предлагается использовать передовую технологию трёхмерной печати на 3D принтерах большого размера. А в качестве строительного материала оптимально использовать лунный грунт – реголит, смешанный с отвердителем. Реголит возникает в результате дробления и перемешивания лунных пород при падениях метеоритов и микрометеоритов в условиях вакуума и достигает толщины нескольких десятков метров лунной поверхности. Поэтому недостатка в стройматериалах не будет.

Так же возможно получится использовать технологию 3D печати на основе спекания или сваривания, ввиду того что лунные реголиты преимущественно состоят из соединений металлов (Приложение рис.4).

Для обеспечения пребывания людей и заправки топливом ракет, на Луну могут быть заранее направлены автоматы, которые подготовят запасы водорода и кислорода. Также заранее можно осуществить всё габаритное строительство, без непосредственного участия людей на Луне. Для этого можно использовать удалённое управление процессом строительства с Земли через межпланетную космическую связь и при активном использовании телеуправляемых «Аватаров» - человекообразных роботов и другой автономной и полуавтономной строительной техники.

3.3. Дополнительные варианты использования лунного космодрома

Лунный тренировочный и испытательный лагерь. Луна является отличной площадкой для тренировки приземления на другие планеты и отработки навыков космонавтов по исследованию других планет с отличной от Земли атмосферой и гравитацией. Всё оборудование, скафандры и автоматические аппараты для работы на других планетах легко протестировать и доработать в лунных условиях (Приложение рис.5).

Эксперименты с альтернативными способами запуска ракет. Атмосферы на нашем спутнике нет. Зато достаточно небольшое значение космических скорости для Луны позволяет нам использовать гораздо более простую и маломощную электромагнитную катапульту для старта кораблей с Луны, причём выбор конечной точки нашего маршрута зависит исключительно от доступной на Луне энергии и длине электромагнитной катапульты — корабли с Луны можно запускать хоть к Плутону.

Производство ракетного топлива. В районе Южного полюса Луны в 2009 году обнаружено порядка 600 миллионов тонн воды в виде льда.[8] Из воды легко добывается водород – топливо для космических аппаратов. Кислород из воды будет использоваться для дыхания, и, наконец, вода как таковая – это первая жизненная необходимость.

Заводы по добыче металлов. Луна может быть потенциально богатой редкоземельными элементами вроде Европия и Тантала, которые пользуются большим спросом для производства электронных компонентов, солнечных панелей и других передовых устройств.

Лунные электростанции. Луна является источником Гелия-3 который может использоваться в качестве топлива для перспективных атомных электростанций (Приложение рис.6). Отсутствие атмосферы и обширные территории делают возможным строительство солнечных и термальных электростанций. Резкие температурные перепады можно использовать для генерации электричества на основе элементов Пельтье [11]

Добыча воды. В доставленном с Луны грунте ученые нашли довольно много окислов. Это означает, что не надо везти с собой большие запасы воды — ее можно заменить гораздо более легким водородом, а затем с помощью отработанной химической реакции получить воду в необходимых количествах., причем НПО имени С. А. Лавочкина и конструкторы бюро Бармина уже изготовили водоснабженческий автомат для Луны. [2]

Выращивание растений. Эксперименты с растениями на орбитальной станции МИР и МКС подтвердили потенциальную возможность прорастания семян и выращивания растений в условиях пониженной гравитации и даже невесомости. На Луне вполне можно построить автоматические теплицы и заниматься растениеводством (Приложение рис.7).

А также возможен перенос с Земли опасных и вредных производств, уникальные производства в условиях пониженной гравитации и отсутствия атмосферы, военные и разведывательные функции, астрономические наблюдения и прочие дополнительные функции.

  1. Возможные лунные проблемы

Длительное присутствие человека на Луне будет требовать решения ряда проблем.

1. Так, атмосфера Земли и магнитное поле задерживает большую часть солнечной радиации. Во время солнечных вспышек создаётся поток протонов и других частиц, способных представлять угрозу для космонавтов. Однако эти частицы обладают не слишком большой проникаемостью, и защита от них является решаемой проблемой. Кроме того, данные частицы обладают низкой скоростью, а значит, есть время для того чтобы укрыться в антирадиационные укрытия.

2. Гораздо большую проблему представляет собой жёсткое рентгеновское излучение. Расчёты показали, что астронавт после 100 часов на поверхности Луны с вероятностью 10 % получит опасную для здоровья дозу (0,1 Грея). В случае же солнечной вспышки опасную дозу можно получить в течение нескольких минут. Эту проблему возможно получится решить путем создания радиационной защиты Луны, например, искусственного магнитного поля вокруг космодрома или всей Луны.

3. В атмосфере Земли также сгорает множество микрометеоритов. На Луне без решения метеоритной проблемы невозможно создание условий для нормальной колонизации. В решении проблемы с микрометеоритами также может помочь магнитное поле Луны, а с более крупными метеоритами необходимо бороться на окололунной орбите.

4. Отдельную проблему представляет лунная пыль. Лунная пыль состоит из острых частиц (поскольку нет сглаживающего влияния эрозии), а также обладает электростатическим зарядом. В результате лунная пыль проникает везде и, обладая абразивным действием, уменьшает срок работы механизмов. А попадая в лёгкие, становится угрозой здоровью человека. Для решения данной проблемы можно создать, например, переходной шлюз в помещениям космодрома. Где под действием электростатических сил частицы будут собираться со скафандров входящих астронавтов.

Заключение

При выполнении данной работы мною изучено большое количество литературы. Что позволило мне выяснить современные представления о строении Луны и её природных условиях

Получена информация о том, что сила притяжения тела с массой m на Луне будет примерно в 6 раз меньше, чем на Земле. Первая космическая скорость для Луны – всего 1,68 км/с.

Вычислено, что эффективность запуска ракеты на Луне почти в 6 раз выше, чем на Земле.

Разработан план доставки грузов и этапы строительства лунного космодрома. А так же рассмотрены дополнительные варианты использования лунного космодрома

Определены проблемы и намечены пути их решения

Российская госкорпорация «РОСКОСМОС» уже включила в космическую программу России на 2016 – 2025 годы планы по созданию не менее 5 космических аппаратов для исследований Луны с окололунной орбиты и с ее поверхности, а также для доставки образцов лунного грунта на Землю. Также запланировано создание ракеты тяжелого класса для выведения космических аппаратов, пилотируемых кораблей и орбитальных модулей на траектории полета к Луне, облета Луны и лунных орбит. [14]

И хоть Луна в соответствии с договором о неприкосновенности территории в космосе, заключенном США, Россией и Китаем в 1967 году не может никому принадлежать, нужно поторопиться и быть первыми, чтобы выбрать оптимальные места для размещения космодрома и разработки полезных ископаемых.

Время освоения Луны пришло, Россия – вперёд!

Библиографический список

  1. 10 ВАЖНЫХ ПРИЧИН ОСВОЕНИЯ КОСМОСА [Электронный ресурс]. Hi-News.ru — ежедневная научно-популярная хроника мира высоких технологий. URL: https://hi-news.ru/space/10-vazhnyx-prichin-osvoeniya-kosmosa.html

  2. Вторая космическая скорость [Электронный ресурс]. Википедия. URL:https://ru.wikipedia.org/wiki/Вторая_космическая_скорость

  3. Елохин И.В., ЖИЗНЕННЫЙ ПУТЬ ЗВЕЗДЫ СОЛНЦЕ // Старт в науке. – 2016. – № 3. – С. 118-120; URL: http://science-start.ru/ru/article/view?id=340 (дата обращения: 25.01.2017).

  4. Звезда (лунная база) [Электронный ресурс]. Словари и энциклопедии на Академике. URL:http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1498722

  5. Индия отправит первую частную экспедицию на Луну полет [Электронный ресурс]. Еженедельник «Аргументы и факты». URL: http://www.aif.ru/society/science/indiya_otpravit_pervuyu_chastnuyu_ekspediciyu_na_lunu

  6. Кабардин О.Ф., ФИЗИКА – учебник для 10 класса с углубленным изучение физики // Издательство Просвещение, 2007 С.56-59

  7. Компания, в чьи планы входит добыча ресурсов на Луне, собрала деньги на первый полет [Электронный ресурс]. GearMix.ru — Переводные новости о науке и технике. URL: http://gearmix.ru/archives/32771

  8. Луна [Электронный ресурс]. Википедия. URL:https://ru.wikipedia.org/wiki/луна

  9. Масса Луны. Вопросы остаются [Электронный ресурс]. Cайт лаборатории космических исследований Ульяновская секция Поволжского отделения Российской Академии Космонавтики им. К. Э. Циолковского. URL: http://www.spacephys.ru/massa-luny-voprosy-ostayutsya

  10. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ФЕДЕРАЛЬНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ ПРОГРАММЫ 2016-2025 [Электронный ресурс]. Госкорпорация «РОСКОСМОС» URL:http://www.roscosmos.ru/22347

  11. Первая космическая скорость [Электронный ресурс]. Википедия. URL:https://ru.wikipedia.org/wiki/Первая_космическая_скорость

  12. Перельман Я.И., Занимательная астрономия // Издательство АСТ, 2017 С.270-272

  13. Третья космическая скорость [Электронный ресурс]. Википедия. URL:https://ru.wikipedia.org/wiki/Третья_космическая_скорость

  14. Ускорение свободного падения на Земле и на Луне [Электронный ресурс]. Науколандия. URL: http://scienceland.info/physics9/earth-moon

  15. Ученые обнаружили на Луне 600 млн тонн водяного льда [Электронный ресурс]. Сетевое издание «РИА Новости». URL:https://ria.ru/science/20100302/211718311.html

  16. Элемент Пельтье [Электронный ресурс]. Словари и энциклопедии на Академике. URL:http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/418212

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рисунок 1.

Рисунок 2.

Рисунок 3.

Рисунок 4.

Рисунок 5.

Рисунок 6.

Рисунок 7.