На «Луноходе-1» был установлен комплекс научной аппаратуры, в том числе прибор для прямого измерения механических свойств лунного грунта. Эти измерения проводились по всей трассе движения через каждые 15–30 м пути. Непрерывно измерялись и использовались для оценки свойства покрова Луны параметры взаимодействия ходовой части «Лунохода-1» с грунтом Луны.
16 января 1973 г. началось путешествие «Лунохода-2» в восточной окраине Моря Ясности, в районе кратера Лемонье. В этой экспедиции в течение 4 месяцев исследовалась переходная зона от лунного моря к материку. В условиях сложного рельефа были проведены исследования по трассе протяженностью 37 км.
Следует напомнить, что «Луноход» представляет собой автоматический аппарат, управляемый с Земли и рассчитанный на длительный срок работы в условиях лунной среды и пересеченной местности.
Ширина колеи «Лунохода» 160 см, колесная база 170 см, диаметр колеса по грунтозацепам 51 см, ширина обода 20 см, масса «Лунохода» 576 кг. Давление на грунт при глубине колеи 3 см составляет 0,05 кгс/см2.
Физико-механические свойства грунта определялись независимо тремя методами.
Первый метод — это прямое определение механических характеристик грунта с помощью пенетрометра (рис. 16). Этот прибор смонтирован на ходовой части «Лунохода». Рабочей частью пенетрометра «Лунохода» служит конус с крестообразными лопастями. Под действием специального механизма конус автоматически вдавливался в грунт и затем поворачивался вокруг своей продольной оси, что позволяло измерять сопротивление лунного грунта сжатию и сдвигу.
Рис. 16. Общий вид автоматического прибора ПРОП, с помощью которого проведено более 1000 измерений механических характеристик реголита по трассе движения «Луноходов»
Другим методом определения механических свойств грунта являлась непрерывная регистрация во время движения «Лунохода» так называемых тягово-сцепных характеристик. Для этого на «Луноходе» установлена система датчиков, позволявших измерять угол наклона поверхности, величину крутящего момента для каждого колеса, скорость его вращения, величину пробуксования.
Оценка свойств грунта производилась также путем изучения следов «Лунохода», что позволяло судить о структуре грунта и его прочности.
По всей трассе движения «Луноходов» верхний слой покрова Луны был сложен мелкозернистым грунтом. Под колесами «Лунохода» обычно происходило уплотнение грунта, иногда с выпиранием его в стороны, с образованием трещин, сколов и комков. Обычно следы «Луноходов» имели крутые неосыпающиеся стенки, что указывало на наличие заметных сил сцепления. Девятое ненагруженное колесо, служившее для измерения пройденного пути, образовывало колею глубиной 0,5–1 см без выпирания грунта в стороны, что свидетельствовало о наличии на поверхности рыхлого слоя пылевидного, легко деформируемого рыхлого грунта.
По результатам работы пенетрометра была определена несущая способность верхнего слоя покрова Луны толщиной от 5,0 до 10 см (несущая способность определялась как удельное давление на конус при глубине внедрения, равной высоте конуса). Сопротивление вращательному срезу измерялось как отношение максимального крутящего момента на крыльчатке к моменту сопротивления суммы площадей среза. Кроме того, несущая способность оценивалась по следам девятого колеса.
При уплотнении грунта повторным вдавливанием несущая способность и сопротивление сдвигу значительно увеличивались. Следует отметить, что всего по трассе движения «Луноходов-1 и -2» было проведено свыше 1000 прямых измерений механических свойств покрова Луны, что позволило выявить его неоднородность, прежде всего связанную с характером местности и рельефа.
Рис. 17. Кривые зависимости нагрузки и глубины погружения в реголит конусно-лопастного штампа, установленного на «Луноходе-1»:
1 — на горизонтальном участке; 2 — на кольцевом валу кратера; 3 — на склоне кратера; 4 — на поверхности, усеянной мелкими камнями
На рис. 17 показаны типичные кривые внедрения пенетрометра, соответствующие горизонтальному участку, склону и валу кратера, а также участку, покрытому мелкими камнями. Во всех случаях несущая способность на валу кратера была заметно ниже, чем на склоне и горизонтальном участке кратера.
Были встречены участки, где наблюдалось не обычное увеличение несущей способности с глубиной, а ее снижение, что свидетельствовало о залегании более рыхлых слоев под плотными. Такие участки обладали повышенной просадочностью.
Рис. 18. Характер статистического распределения несущей способности реголита на одном из участков трассы «Лунохода-1»
Наиболее вероятное значение несущей способности по трассе движения «Лунохода-1» составило 0,34 кгс/см2 (рис. 18). Несущая способность самого верхнего слоя грунта равнялась 0,02 — 0,03 кгс/см2. Наиболее вероятное сопротивление вращательному сдвигу было 0,048 кгс/см2, при изменениях по трассе движения — от 0,02 до 0,09 кгс/см2.
«Луноход-1» позволил провести исследования отдельных камней. Наряду с достаточно прочными камнями было встречено много камнеподобных образований — больших комьев, которые легко раздавливались и рассыпались при наезде на них.
По трассе движения были также участки, где на поверхности встречались выходы твердых горных пород или твердое основание было прикрыто очень тонким слоем разрыхленного грунта (~10 см).
Исследования покрова Луны, проведенные экспедициями астронавтов и «Луноходами», показали существенное отличие строения верхнего покрова Луны от строения какого-либо земного грунта, а также обнаружили большую изменчивость физико-механических свойств лунного грунта.
Необходимо было развить исследования как изучением более глубоких слоев грунта, так и детальным наземным анализом строения и состава лунного грунта. Следует отметить, что лабораторные наземные исследования позволяют использовать более многообразную и сложную технику измерений, пока еще недоступную для прямых измерений на месте. В настоящее время только сочетание прямых исследований на Луне и лабораторных исследований на Земле позволяет проникнуть в природу тонких механических и физико-химических процессов, обусловливающих специфику строения покрова Луны, в том числе особенности физико-механических свойств лунного грунта.
Для бурения покрова Луны и для доставки образцов лунного грунта в Советском Союзе в 1970–1976 гг. проведен запуск автоматических станций «Луна-16, -20 и -24».
«Луна-16» совершила посадку на Луну 20 сентября 1970 г. в Море Изобилия. «Луна-20» опустилась на Луну 21 февраля 1972 г. в материковом районе с трудным для посадки рельефом, возле кратера Аполлоний. Автоматическая станция «Луна-24» опустилась на Луну 18 августа 1976 г. в юго-восточном районе Моря Кризисов.
Места посадки автоматических станций «Луна-16, -20 и -24» были выбраны так, чтобы доставленная на Землю серия образцов могла бы помочь составить представление о характерном регионе Луны, включающем в, себя морской, материковый и переходной участки поверхности Луны.
Так, например, место отбора пробы станцией «Луна-24» расположено вблизи восьмикилометрового кратера метеорного происхождения, и выбросы из него должны присутствовать в образцах, доставленных «Луной-24».
Автоматические станции «Луна-16 и -20» имели одинаковые буровое оборудование и грунтозаборное устройство, позволившие им взять пробу лунного грунта с глубины до 35 см. Грунтозаборное устройство станции «Луна-24» обеспечило бурение и взятие пробы грунта с глубины до 2 м.
Грунтозаборное устройство автоматических станций «Луна-16 и -20» состояло из бурового станка; штанги, на которой он укреплен, и приводов, перемещающих штангу в вертикальном и горизонтальном направлениях. Рабочим органом станка служило буровое устройство, предназначенное для бурения и отбора керна в горных породах как твердых, так и рыхлых.
По окончании бурения пробоотборник извлекался из грунта и вводился вместе с образцом грунта в специальный контейнер автоматического герметического аппарата, возвращаемого на Землю.
Следует отметить, что, помимо решения главной задачи — отбора и доставки пробы грунта, автоматическое бурение на Луне позволяло провести оценку прочности пробуриваемого грунта. Так, например, процесс отбора пробы станцией «Луна-20» показал, что, несмотря на меньшую плотность грунта в месте бурения и однородность структуры доставленного на Землю керна, грунт на поверхности Луны выявил неоднородность своей прочности.
Одновременно с отбором образцов лунного грунта советскими автоматическими станциями привезли на Землю образцы лунных пород американские космонавты.
