Почему под космическим кораблем не образовался кратер при посадке?

Краткий ответ: Садящийся лунный модуль имел слабую тягу двигателя, необходимую для мягкой посадки. В вакууме поток реактивных газов сильно разрежен, а корабль двигался с горизонтальной скоростью, за исключением последних секунд. Поток реактивных газов не имел возможности и времени, чтобы «выкопать» большой кратер под кораблем, и успевал снять только небольшой верхний слой толщиной несколько миллиметров или сантиметров.

Лунная пыль довольно мелкая и легкая, однако при посадке лунного модуля ракетные газы смогли унести лишь незначительную часть приповерхностного слоя. Увидеть следы под кораблем, оставленные ракетными двигателями после посадки, можно на некоторых фотоснимках астронавтов. Однако там нет ничего похожего на кратер, который мог образоваться, если бы ракетные газы унесли значительные объемы пыли в месте посадки.

Чтобы определить состояние поверхности под лунным модулем, в исследовательском центре NASA в Лэнгли проводили натурные испытания на различных типах грунтов. И практически каждый земной грунт — пыль, песок, гравий — показал кратер под имитатором работающего ракетного двигателя.

Вопреки испытаниям и ожиданиям ни под одним лунным модулем не появилось сколь-нибудь заметного углубления.

Мифы о рыхлом реголите, в котором может утонуть садящийся космический аппарат, были разрушены еще 3 февраля 1966 года, когда прилунилась советская автоматическая межпланетная станция «Луна-9». Тогда удалось установить, что Луна твердая, и в дальнейшем это многократно подтвердилось.

На Земле вертолеты успешно приземляются и взлетают в пустынях, не выкапывая под собой кратер в песке, даже если весят больше лунного модуля. Если же говорить о Луне, то у нас есть наглядный пример в виде советских станций «Луна-17» и «Луна-21», которыми доставлялись советские луноходы. И есть китайские Chang'e 3 и Chang'e 4. Во всех четырех случаях никакого заметного кратера под космическими аппаратами не возникало.

Советские тяжелые аппараты «Луна» (серии Е-8) отключали маршевый двигатель на высоте около 20 м, а завершалась посадка на двигателях малой тяги, поэтому они не очень подходят для сравнения с Apollo.

Посадка китайских спускаемых аппаратов Chang'e 3 и Chang'e 4 имеет больше сходства, хотя масса и тяга двигателя перед посадкой у китайских аппаратов и американских отличаются в несколько раз. Chang'e 3 имел посадочную массу около 1,4 т и маршевый двигатель тягой около 210 кг. Лунный модуль Apollo имел посадочную массу около 7,2 т и садился на тяге около 1000 кг. Несмотря на это, никаких заметных различий в последствиях воздействия ракетной струи на грунт мы не увидим.

Отсутствие кратера под прилунившимся кораблем объясняется несколькими факторами:

• невысокой длительностью воздействия струи на грунт;
• свойствами лунной пыли в вакууме;
• свойствами распространения ракетной струи в вакууме.

Длительность воздействия ракетного двигателя LMDE (Lunar Module Descent Engine) на грунт в месте посадки незначительна по времени — до 10 секунд в точке касания поверхности. До этого времени корабли сохраняли горизонтальную скорость и постоянно смещались.

Давление газа ракетной струи на грунт не такое большое, как может показаться. Максимальное давление в камере сгорания спускаемой ступени лунного модуля составляло 8 кг на кв. см. Однако двигатель LMDE обладал возможностью дросселирования, т.е. уменьшения тяги, и режим самой малой тяги был именно у поверхности. Согласно данным производителя, тяга двигателя у поверхности при посадке составляла не более 25% от максимальной.

После выхода из сопла газы продолжают расширение, причем не только вниз, но и в стороны под углом примерно 45 градусов, поэтому и давление на поверхность снижается еще больше. Газ распространяется в вакууме, что отличает его работу от наземных испытаний. Непосредственно к поверхности сопло прижималось в последние секунды посадки, а до того момента находилось выше и в горизонтальном движении. Поэтому на каждом месте посадки с одной стороны «вылизанная» ракетным двигателем поверхность, а с другой — с которой находился выход из корабля — оставшийся рыхлый слой. Расход топлива на финальном этапе посадки составлял около 3 кг в секунду, т.е. за 10 секунд двигатель выбрасывал около 30 кг, и этого количества топлива, даже летящего на скорости 3 км/с, не хватило бы, чтобы выкопать глубокий кратер и разбросать реголит.

По моей просьбе разработчик ракетных двигателей Елисей Маслов произвел примерные расчеты, которые позволяют оценить степень воздействия ракетной струи на лунный грунт.

При плотности среды 0,6 г на куб. м и скорости потока 72 м/с газы дадут ветровую нагрузку, аналогичную земному ветру скоростью 0,036 м/с, что совершенно незначительно.

Как видно по следам астронавтов, достаточно рыхлый 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.