грунт располагается только у самой поверхности Луны. Чуть ниже он уже настолько плотный, что сапоги астронавтов не погружались в реголит глубже нескольких сантиметров, за исключением более рыхлых бортов метеоритных кратеров. В тех местах, где верхний слой пыли оказался удален ракетными газами, люди оставляли едва заметные следы. Некоторые опоры лунного модуля вообще не погружались ни на сантиметр – на тех участках, где наиболее интенсивно прошлась струя газа.
Расчет произведен Елисеем Масловым
Почему следы людей, оставленные в реголите, такие резкие?
КРАТКИЙ ОТВЕТ: Следы сапог и колес на Луне не похожи на следы, оставленные на земном песке, из-за разницы формы частичек реголита и песка, а также физических условий.
Знаменитая фотография следа, оставленного астронавтом Эдвином Олдрином в лунном реголите, стала не только символом освоения Луны человеком, но и вызвала вопросы. След отлично держит форму протектора сапога, на Земле так может только влажный песок, а на Луне, как известно, воды практически нет. Правда сейчас мы знаем, что вода на Луне есть, но она находится в связанной форме и ничтожных количествах, которые никак не сделают лунный грунт влажным в приэкваториальных областях.
Отчетливые следы астронавтов в лунном грунте остались благодаря высоким сцепным свойствам лунной пыли, которые зависят от размеров и формы пылинок, от отсутствия воздуха и электризации. Острые выступы на поверхности пылинок повышают их возможность удерживаться друг за друга. Дополнительный сцепной эффект добавляют силы межмолекулярного взаимодействия (Ван дер Ваальса) – те же силы помогают гекконам ползать по стеклу, а астероидам – собираться в плотные тела из кучи камней. Слабое лунное притяжение способствует сохранению формы даже глубоких отпечатков подошв астронавтов и колес луноходов.
Следы (слева направо) луномобиля и астронавтов Apollo 15, «Лунохода-2», лунохода Yutu. NASA, Роскосмос/ГЕОХИ РАН, CNSA/CLEP
Земной песок более массивный за счет размера песчинок, и песчинки, как правило, имеют округлую форму, которая стала результатом атмосферного воздействия и механического взаимодействия с соседними песчинками под действием ветра и жидкой воды. Более подходящая модель лунного грунта – сухая мука или цемент. В том, что лунный реголит хорошо держит форму, можно убедиться при помощи фотографий советских и китайских луноходов. Их колеса не обладают гладкостью подошвы сапога Олдрина, поэтому не оставляют таких наглядных следов, но даже те, что есть, показывают нам, что свойства лунного грунта не аналогичны свойствам земного песка.
Как взаимодействовали с пылью колеса лунных роверов?
КРАТКИЙ ОТВЕТ: Взаимодействие колес лунных роверов с пылью демонстрирует безвоздушную среду с низкой силой притяжения, что полностью соответствует физическим условиям на Луне.
Экипажи Apollo 15, 16 и 17 обладали самыми быстроходными транспортными средствами на поверхности Луны. Автоматические луноходы что прошлого, что настоящего значительно уступают им в скорости. Максимальная скорость луномобиля Lunar Roving Vehicle составляла 13 км/ч, а у советских «Луноходов» почти в сто раз меньше – лишь 0,14 км/ч. Поэтому напрямую сравнить взаимодействие с реголитом колес американских транспортных средств и луноходов других стран не получится.
Американцы позволяли себе лихачить на роверах, и этот «Гран-при» остался для истории в съемке 16-мм камеры экипажа Apollo 16.
Глядя на поездку Джона Янга по лунной поверхности 28 апреля 1972 года, снятую на 16-мм камеру Чарльзом Дьюком, нельзя не обратить внимание на потоки пыли из-под колес. Если посмотреть на одиночные кадры, то на первый взгляд кажется, что поток пыли, вырывающийся из-под заднего колеса, поднимается под углом 45 градусов, а потом падает на поверхность почти отвесно вниз. Однако такое невозможно ни на Земле, ни на Луне, если нет какого-то встречного препятствия. На Земле есть атмосфера, которая тормозит полет песчинок, вылетающих из-под колес, но это лишь сокращает дальность их полета, сохраняя дугообразную баллистическую траекторию.
«Гран-при» астронавтов Apollo 16. NASA
Если взглянуть на серию кадров «лунного ралли», то можно понять, что выброшенная пыль продолжает полет по дуге, как и положено. Иллюзию отвесного падения создают более плотные потоки реголита, которые поднимаются от задних колес отдельными волнами, когда протекторы черпают более щедрые горсти грунта. Проследив взглядом за такой волной, мы увидим, что она движется с одной скоростью, но из-за разницы в размере и сцепных свойствах частицы ведут себя по-разному. Нижняя, наиболее плотная часть выброшенного грунта постепенно оседает на поверхность, пролетая малой дугой, а верхняя движется по баллистической траектории, рассеиваясь в пространстве до полной невидимости.
Пыль, вылетающая из-под колес луномобиля LRV. В правой колонке отмечается высота пылевого выброса из-под колеса. На нижней иллюстрации сравниваются измерения. NASA
Сейчас любой желающий может найти видеозаписи земных ралли на похожих четырехколесных машинах «багги», чтобы сравнить поведение песка и пыли на Земле и Луне. Во время движения земных багги на невысокой скорости, подобной той, что могли себе позволить развить астронавты, потоки песка и пыли практически не поднимаются выше колеса. Это происходит из-за более высокой силы земного притяжения и сопротивления воздуха. При значительном увеличении скорости земных багги песок и пыль поднимаются иногда выше автомобиля, но их «хвост», висящий в воздухе, простирается на десятки метров за машиной. Если поверхность песчаная и достаточно сухая, то багги поднимает целые облака пыли, которые висят в воздухе десятки секунд или минуты. Ничего подобного на Луне не происходит.
Гонки земных машин по влажному песку позволяют обойтись без облаков пыли, и тогда остаются только длинные и невысокие «хвосты» из-под колес. Причем такой эффект сохраняется при движении как больших автомобилей, так и малых радиоуправляемых моделей.
«Лунное ралли» проходило на невысокой, в сравнении с земными гонками, скорости около 10 км/ч, при этом колеса LRV легко подбрасывали грунт выше автомобиля. Независимо от размера частиц, и песчинки, и пылинки одинаково подчинялись законам баллистики в полете и не создавали зависающих облаков, которые невозможны в вакууме.
Сравнивая «лунное ралли» с земными соревнованиями, которые проходят по сухому и влажному песку на автомобилях, управляемых людьми, или на моделях, можно убедиться, что «непыльный» заезд Джона Янга был возможен только на Луне.
Почему не видно струи ракетного двигателя при старте с Луны?
КРАТКИЙ ОТВЕТ: Струя ракетного двигателя имеет слишком низкую плотность газа, чтобы быть заметной в условиях яркого дневного освещения на Луне.
Лунный модуль программы Apollo, который доставлял людей на Луну, а затем возвращал обратно, состоял из двух ступеней: двигатели первой ступени