چگونه می توانیم بر روی ماه سکوهای فرود و پرتاب بسازیم؟

‘اینها اولین گام ها برای باز کردن مسیرهای حمل و نقل منظومه شمسی به روی بشریت و روبات های استخراج منابع هستند.’

اگر آینده همانطور که برخی کارشناسان پیش بینی می کنند آشکار شود، ماه به یک فضاپیما شلوغ تبدیل خواهد شد.

وسایل نقلیه به طور معمول در سطح ماه منفجر می‌شوند و از آن پرتاب می‌شوند، بخشی از زنجیره تامینی که به اردوگاه‌های انسان‌ها پاسخ می‌دهد، امکانات علمی را تجهیز می‌کند و تجهیزات را برای عملیات استخراج فرازمینی پایین می‌آورد. در اوایل، پیش‌بینی می‌شود که موشکی از گرد و غبار و زباله‌های در حال پرواز باشد. یک گردهمایی اخیر از کارشناسان با آنچه ما می دانیم، چیزهایی که نمی دانیم در مورد نحوه انجام عملیات ‘فرودگاه مانند’ در ماه دست و پنجه نرم کردند.

کنسرسیوم نوآوری سطح ماه در ۲ مرداد ۱۴۰۳ یک کارگاه آموزشی برای پرتاب و فرود ماه برگزار کرد. این کنسرسیوم توسط آزمایشگاه فیزیک کاربردی جان هاپکینز در لورل، مریلند اداره می شود.دولت، دانشگاه و متخصصان بخش خصوصی ایده هایی را در مورد طراحی، تجزیه و تحلیل و ساخت تاسیسات پرتاب و فرود، و همچنین شناسایی شکاف های فناوری به منظور ایجاد حضور پایدار در ماه به اشتراک گذاشتند.

تلاش گروهی

اگر شریک آسمانی زمین به گذرگاه اصلی تبدیل شود و هر گونه سکونت طولانی مدت انسان را در آنجا حفظ کند، تصمیمات مهمی در راه است که چگونه می توان زیرساخت مورد نیاز را ایجاد کرد.

ایان جن، مهندس سازه با تمرکز بر زیرساخت های ایمن و سالم برای ماه، می گوید: ایجاد حضور انسان در سطح ماه یک تلاش گروهی است. او همچنین کاندیدای دکترا در دانشکده معادن کلرادو است.

جن به Space.com گفت: «احتمالاً قبل از اینکه هر گونه حضور برجسته انسانی در ماه اتفاق بیفتد، جرم قابل توجهی باید پرتاب شود و به سطح ماه تحویل داده شود. ما به متخصصانی از همه حوزه‌های صنعتی نیاز داریم تا برای تولید زیرساخت‌های ماه موفق و با عملکرد خوب همکاری کنند.»

ستون موشک

Jehn وسایل نقلیه پرتاب و فرود بزرگتر روی ماه را پیش بینی می کند. این آمدن ها و رفتن ها به معنای توده های موشکی بزرگتر است که با چشم انداز ماه در تعامل هستند.

کاهش اثرات نیروهای ستون موشک در حال حاضر یک منطقه مورد مطالعه است، زیرا گاز توده پتانسیل ایجاد دهانه در سطح و ایجاد پرتاب سنگ سنگی با سرعت بالا را دارد که می تواند به ساختار خودرو یا هر چیزی در مجاورت اطراف آسیب برساند. منطقه فرود،’ او گفت.

برای مهار این اثرات انفجار، در لیست موضوعات بحث، ساخت و استفاده از سکوهای پرتاب و فرود یا LLP است. هر طراح سطح سکوی فرود ارزش مشارکت در کار طراحی ‘فرستنده’ خود را دارد، باید بداند که یک فرودگر ماه در چه کلاس صنایع دستی قرار می گیرد.

قابل استفاده مجدد و راحتی در تعمیر: راهی به سوی پایداری

Jehn گفت: ‘LLP ها احتمالاً باید قابل استفاده مجدد یا به راحتی قابل تعمیر باشند تا از حمل و نقل ایمن و کارآمد افراد، دارایی های ماموریت و مواد به و از سطح ماه اطمینان حاصل شود.’

Jehn توضیح می‌دهد که سیستم‌های LLP می‌توانند از برخی شیوه‌های طراحی و ساخت‌وساز بسیار تثبیت‌شده در صنعت مهندسی عمران زمینی استفاده کنند. مهندسان عمران و سازه در حال طراحی سیستم‌های مشابهی هستند که در حال حاضر برای مناطق فرود SpaceX Falcon و Blue Origin New Shepard استفاده می‌شوند.

Jehn گفت که هر سیستم سازه ای برای فعال کردن طراحی به دو جزء متکی است و اینها شرایط بارگذاری پیش بینی شده و خواص مواد هستند.

Jehn گفت که برای زمین ماه، تلاش قابل توجهی برای توسعه مواد ساختاری در حال انجام است. این کار در حال پیشرفت است.

اما این نیز یک شکار است.

سازه های محکم

Jehn اشاره می‌کند: «مساله، ماهیت اختصاصی معیارهای بارگیری ستون موشک است. او گفت، با این حال، در حال حاضر این معیارها توسط خدمات باربری ماه تجاری ناسا (CLPS) و سازندگان سیستم فرود انسانی خودداری می‌کنند و تنها از طریق توافق‌نامه‌های غیر افشای الزام آور قانونی قابل دسترسی هستند.

برای این منظور، Jehn مشغول کار توسط انجمن مهندسین عمران آمریکا است. این گروه توسعه دستورالعمل های ‘مهندسی، طراحی، تجزیه و تحلیل و ساخت و ساز زیرساخت ماه’ را آغاز کرده است.

روی میز مواردی مانند نوع ساخت و مصالح مورد نیاز، اثرات زیست محیطی، و برخورد با سنگ سنگی قمری و سنگ ها برای اطمینان از ساخت سازه های محکم وجود دارد.

Jehn اشاره می‌کند که برای ستون‌های موشک از عملیات برخاست عمودی/فرود عمودی، اعمال فشار فیزیکی و شار حرارتی به سطح تعامل فرود و پرتاب معمول است. نازل‌ها، جهت‌گیری‌ها و اندازه‌های مختلف موشک منجر به اختلاف فشار و غلظت گرما می‌شوند.

Jehn گفت: ‘به نظر من، ایجاد شرایط بارگذاری در حال حاضر اولویت است. شما نمی توانید یک سیستم ساختاری، مانند یک LLP قمری، بدون معیارهای بارگذاری طراحی کنید.’ او گفت که یک قیاس در تلاش برای طراحی یک روگذر بزرگراه است بدون اینکه بدانیم چه نوع وسیله نقلیه ای روی آن پل حرکت می کند.

منبع حدس و گمان

با توجه به شش ماموریت آپولو بین سال‌های ۱۹۶۹ تا ۱۹۷۲ که ده‌ها ماه‌نورد را به زمین فرستادند و با خیال راحت به آن بازگرداندند، چرا این همه هیاهو و دود در مورد لمس کردن و خروج ماه وجود دارد؟

جان کانولی، استاد تمرین در بخش مهندسی هوافضای دانشگاه A&M تگزاس، پاسخ می دهد که فرودهای آپولو بیشتر سؤالات را ایجاد کردند تا پاسخ ها. سابقه ۳۵ ساله قبلی او در ناسا شامل کار بر روی برنامه سیستم فرود انسانی آرتمیس آژانس فضایی بود، جایی که او همچنین با پیمانکاران تجاری فرودگر ماه کار می کرد.

ما می‌دانیم که لایه بالایی سنگ‌های شنی بر روی ماه وجود دارد که تقریباً توسط هر سیستم محرکه فرودگر شکسته می‌شود. اما مکانیک آنچه در زیر این لایه اتفاق می‌افتد – هنگامی که لایه سنگی با عمق متراکم‌تر و منسجم‌تر می‌شود – هنوز به عنوان یک معما باقی مانده است. کانولی به Space.com می‌گوید: این موضوع منبعی برای حدس و گمان و صرف ساعت‌ها زمان شبیه‌سازی‌های کامپیوتری بوده است.

تغییر چگالی

کانولی گزارش می دهد که سنگ سنگی ‘کرکی’ بالای ماه، پوششی برای خاک ماه متراکم تر ‘سخت’ است که کمتر از چند فوت پایین تر است.

Connolly گفت: ‘دانستن از اینکه خواص ژئوتکنیکی سطح ماه به سرعت در این متر اول تغییر می کند، تلاش های ما برای مدل سازی سطح را پیچیده می کند، زیرا شما باید تغییر چگالی، چسبندگی، تخلخل و مقاومت برشی را در نظر بگیرید.’ ستون موتور یک فرودگر قمری، پس از دمیدن لایه بالایی سنگ سنگی شل، به طرق مختلف به تعامل با سنگ سنگی آشکار ادامه خواهد داد.

کانولی افزود، مدل سازی تحلیلی مشکل آسانی نیست. نیاز به مدلسازی صحیح جریان گاز ستون موتور و سپس مدلسازی نحوه تعامل گاز با سنگ سنگی قمری وجود دارد.

کانولی می‌گوید: بنابراین تقریباً باید هر ذره سنگ‌لیت را به‌صورت جداگانه مدل‌سازی کنید، زیرا از ماتریس خاک خارج می‌شود، در ستون شتاب می‌گیرد، به ذرات دیگر برخورد می‌کند و در نهایت به یک مسیر بالستیک ختم می‌شود.» او گفت و این به مقدار زیادی از زمان اجرای دینامیک سیالات محاسباتی روی یک ابر رایانه نیاز دارد.

همه چیز درباره محلول اسپری: کاربردها و مزایا

آیا باید یک سکوی پرتاب/فرود آماده کنیم تا فرودگرها به جست‌وجوی سنگ‌لیت قمری و پرتاب آن با سرعت‌های بالا در سخت‌افزار با ارزش و سطح همسایه خودداری کنند؟

Connolly توصیه می کند: ‘من معتقدم که پاسخ مثبت است، اما شاید بلافاصله نه.’ او گفت که در ابتدا می توانید از توپوگرافی خود ماه به عنوان ‘برم’ برای محافظت از دارایی های سطحی استفاده کنید. فقط یک محل فرود را انتخاب کنید که تپه یا خط الراس بین آن و سایر کالاها و خدمات غیرمعمول وجود دارد.

کانولی گفت، اما اگر می‌خواهید به فرود در همان مکان ادامه دهید، ممکن است لازم باشد آن را برای از بین بردن اثرات ستون‌های موشک فرودگر درمان کنید.

اگر اینطور است، می‌توانید برای گرفتن عکس از «خرقه کرگدن» تماس بگیرید – بله، شما آن را درست می‌خوانید. ارتش آن را راینو اسنات (Rhino Snot) نامید – یک پلیمر تجاری اسپری روی مناطقی که برای درمان نواحی مستعد گرد و غبار استفاده می شود و با اتصال ذرات خاک به یکدیگر، استحکام خاک را افزایش می دهد.

کانولی می‌گوید: «نظامی برای تثبیت سریع جاده‌های خاکی و سکوهای فرود هلیکوپتر، پلیمرهای مایع را اسپری می‌کند و نسخه‌ای از این فناوری واجد شرایط ماه را می‌توان برای سکوهای فرود استفاده کرد.»

کانولی ادامه داد، اگر به راه حلی طولانی‌مدت نیاز است، همانطور که در مورد یک قمر دائمی با فرودگرهایی که به طور منظم وارد و خارج می‌شوند، یک درمان سطحی مانند یک پد سنگی عمیق متخلخل ممکن است پاسخ درستی باشد.

موفقیت در ماموریت

راب مولر، فن‌شناس ارشد در آزمایشگاه عملیات مکانیک دانه‌ای و سنگ‌لیت در کارگاه باتلاق ناسا در مرکز فضایی کندی در فلوریدا، می‌گوید: فرودهای ایمن و مطمئن و در نهایت پرتاب‌ها روی ماه برای موفقیت مأموریت ضروری است.

مولر به Space.com گفت که داده‌های خروجی از فرودگرهای خدمات باربری ماه تجاری (CLPS) ناسا، بینش جدیدی در مورد نحوه برخورد ستون‌های موتور موشک بر مواد سطح ماه ارائه می‌کند.

مولر گفت، با در دست داشتن این دانش، آنچه در درازمدت ممکن است روشن است.

مولر گفت: ‘در آینده شاهد توسعه فضاپیماها در سطح ماه و سایر مقاصد مداری و سطحی منظومه شمسی خواهیم بود. آنها از پیشرانه های مشتق شده در محل مانند هیدروژن و اکسیژن از آب استفاده خواهند کرد.’ ‘اینها اولین گام ها برای باز کردن مسیرهای حمل و نقل منظومه شمسی به روی بشریت و روبات های استخراج منابع هستند.’