Пенетрометр с помощью реактивного двигателя твердого топлива осуществил погружение в лунный грунт индентора и измерил возникающее сопротивление грунта.
Радиационный гамма-плотномер, предназначенный для определения плотности лунного грунта, состоял из блока датчиков, который автоматически устанавливался на поверхность грунта (рис. 15) и регистрирующего блока, находившегося внутри корпуса станции. Принятая схема прибора предусматривала облучение поверхности грунта потоком гамма-квантов от радиоактивного источника — цезия-137 и регистрацию рассеянного излучения, интенсивность которого зависит от плотности покрова Луны.
Рис. 15. Блок датчиков гамма-плотномера, с помощью которого были проведены первые физические измерения на поверхности Луны
Исследования показали, что грунт в месте посадки по своему взаимодействию с применяющимся аппаратом ближе всего подходит к несвязному грунту средней плотности. Он состоит из зернистого слабосвязного материала. Средняя плотность верхних 15 см грунта не менее 0,8 г/см3, сцепление в пределах верхних 5 см составляло около 0,005 кгс/см2, а несущая способность равнялась 0,68 кгс/см2.
Значительный вклад в определение прочности покрова Луны дали эксперименты, выполненные на американских станциях «Сервейер» в 1966–1968 гг. Интересные данные были получены на основе анализа динамики соударения аппаратов с грунтом, из опытов по автоматическому рытью траншеек (глубиной до 18 см). Полученные результаты в основном совпали и подтвердили результаты измерений, проведенных на «Луне-13».
Исследования физико-механических свойств покрова Луны в отдельных точках ее поверхности подготовили возможность высадки на Луну космонавтов и передвижения по ней транспортных средств.
В 1969–1972 гг. на Луну была произведена высадка шести экспедиций американских космонавтов в рамках программы «Аполлон». В общей сложности космонавты находились на Луне около 300 ч, из них примерно 80 ч они работали непосредственно на ее поверхности вне корабля «Аполлон».
Для исследования покрова Луны космонавты использовали геологическое и буровое снаряжение, фото— и кинокамеры. В комплект геологического снаряжения входили: лопатка, решетчатые совок и захват, геологический молоток и удлинительная ручка к ним, а также трубчатые грунтоносы для отбора образцов грунта и их — герметизации, щетка для очистки образцов, объединенная с лупой и разметчиком образцов, пружинные весы. Для сбора образцов использовались мешочки из тефлона и герметичный контейнер для них, а также специальные контейнеры, обеспечивающие сохранение высокого вакуума в течение длительного времени.
Для бурения скважин (диаметром 25 мм на глубину до 3 м) применялся ручной электрический колонковый бур. Рабочий орган бура мог одновременно вращаться, совершая 300 об/мин и наносить удары по забою скважины (2270 ударов в минуту). Масса бура на Луне составляла 1,96 кг, и для повышения эффективности космонавт должен был налегать на него своей тяжестью.
В экспедиции «Аполлона-14» впервые был использован простой ручной пенетрометр, представлявший собой алюминиевый стержень длиной 680 мм, диаметром 9,5 мм с заточенным нижним концом. Стержень был окрашен кольцами шириной 2 см для визуальной оценки глубины погружения и определения прочности грунта. Пенетрометр нагружался вручную.
В экспедициях «Аполлона-15 и -16» применялся пенетрометр с самописцем, который вычерчивал кривую зависимости глубины погружения от нагрузки.
В первых экспедициях научное оборудование и снаряжение космонавты переносили вручную. В экспедиции «Аполлона-14» они использовали ручную тележку, а в экспедициях «Аполлона-15, -16 и -17» они перемещались на вездеходах.
Большой интерес для оценки свойств покрова Луны имеют наблюдения космонавтов за особенностями своего передвижения и работой, связанной с погружением геологических инструментов.
Экипаж «Аполлона-11» высадился в Море Спокойствия на плоской равнине, усеянной многочисленными мелкими кратерами. На поверхности лежало много камней, комков и обломков горных пород размером до 80 см. На поверхности лежал коричневато-серый, слегка связный зернистый грунт, крупность зерен которого соответствует мелкому или пылеватому песку. Зерна прилипали к обуви подобно угольной пыли.
По внешнему виду грунта трудно было оценить его несущую способность. Отмечалась совершенно неожиданная разница в глубине следов и рыхлости грунта в пунктах, неразличимых друг от друга на глаз. Возможно, это было связано с разной толщиной рыхлого слоя.
Следы имели четкие кромки и не нарушали грунта вне своего очертания. Однако иногда отмечались растрескивание и взбугривание прилегающей поверхности грунта, что говорит о большей первоначальной плотности. Комки, встречающиеся на поверхности, были очень похожи на камни. Они легко разрушались под ногой, так как состояли из слипшихся между собой частиц.
Средняя глубина следа космонавта была около 1 см. Наибольшая (15–20 см) была отмечена при ходьбе по рыхлому грунту, из которого состоят валы кратеров.
Экспедиция «Аполлона-12» проводила исследования в типично морском районе Луны (в Море Познанном), сходном по своему характеру с районом, где работала предыдущая экспедиция, но находящимся от нее на расстоянии около 1,5 тыс. км. Грунт был в месте посадки черный, пылевато-песчаный с включением более крупных зерен. Глубина слоя пыли была значительно больше, чем в районе посадки «Аполлона-11». Ноги космонавтов местами глубоко погружались в пыль, и та налипала на все предметы, которыми они пользовались.
Космонавты занесли много запыленных предметов внутрь кабины и заметили, что после пребывания в атмосфере кислорода при давлении 0,35 кгс/см2 в течение нескольких дней пыль отстала от поверхности предметов.
Экспедиция «Аполлона-14» высадилась в материковом районе, покрытом огромным количеством кратеров. Грунт оказался исключительно мягким и мелкозернистым, напоминая порошок талька, окрашенный в коричневый цвет.
При рытье траншейки были вскрыты следующие слои: верхний зернистый темно-коричневый, толщиной 3–5 см; следующий за ним слой из черных стекловатых частиц — 0,5 см или меньше. Ниже лежал более светлый крупнозернистый материал. Погружение грунтоносов проходило значительно труднее, чем в предыдущей экспедиции. Грунт плохо держался внутри грунтоносов и частично высыпался при их извлечении. Пенетрометр погрузился на глубину до 70 см.
Экспедиция «Аполлона-15» высадилась на местности, где толщина слоя пыли оказалась равной 15–30 см, т. е. значительно больше, чем в местах первых экспедиций. На склонах около 10° космонавтам было трудно удерживать равновесие, и они не раз падали.
Экспедиция «Аполлона-16» исследовала район плоскогорья у кратера Декарт. Участок посадки оказался загроможден большими обломками горных пород. Отмечалось очень большое количество пыли.
Экспедиция «Аполлона-17» высадилась на местности, густо покрытой кратерами мелких размеров. Местами встречался очень рыхлый грунт, в котором следы космонавтов достигали глубины 20 см. При поездке на вездеходе очень мешала пыль, от ее абразивного действия стерся слой резины на рукоятке геологического молотка, и начали протираться перчатки.
В этой экспедиции впервые участвовал геолог-астронавт — Г. Шмитт. Им были обнаружены отложения шариков, состоящих из оранжевого и черного стекла специфического химического состава, указывавшего на их возможное вулканическое происхождение. Г. Шмитт пишет, что «только уникальный в научном отношении характер района экспедиции «Аполлона-17», где встречались как наиболее древние, так и самые молодые геологические формации, мог смягчить печаль от сознания того, что полетом этой экспедиции заканчивались исследования по программе «Аполлон».
На экспедиции «Аполлонов» затрачено 25 млрд. долл., каждый новый полет обходился почти в 0,5 млрд. долл. Экспедиции космонавтов пришлось прекратить, как указывали руководители НАСА, по финансовым соображениям. Программа дальнейшего изучения Луны с помощью пилотируемых полетов в США была отложена.
Советская программа космических исследований предусматривала систематическое и планомерное изучение Луны с использованием автоматических исследовательских станций. При этом намечалось расширение исследований с помощью самоходных станций «Луноход», позволяющих вести длительные исследования на протяженных трассах, охватывающих большие площади поверхности Луны. Другая серия автоматических станций типа «Луна» предназначалась для бурения в глубь покрова Луны и доставки образцов лунного грунта.
В 1970–1973 гг. были проведены эксперименты с участием самоходных научных лабораторий «Луноход-1 и -2». Путешествие «Лунохода-1» началось 17 ноября 1970 г. и продолжалось 332 дня. За это время «Луноход-1» прошел свыше 10 км. По всей трассе движения «Лунохода-1» проводились систематические исследования покрова Луны. На Землю было передано около 25 тыс. снимков поверхности и более 200 панорам. В результате сфотографировано 500 тыс. м2 лунной поверхности, а 80 тыс. м2 детально обследовано.
