В качестве одного из возможных вариантов использования автоматических устройств при будущих исследованиях Луны можно представить систему, включающую в себя самоходные аппараты, подобные уже знакомым нам «Луноходам», а также станции типа «Луна-16». Передвижные самоходные аппараты, перемещаясь по большой территории, смогут проводить научные измерения и отбор образцов грунта, а устройства типа станции «Луна-16» — обеспечивать доставку материалов, экспериментов и лунный грунт на Землю.
Эксперименты и исследования на Луне можно осуществлять с помощью различных методов. Например, можно создать в различных районах Луны научно-исследовательские полигоны, снабженные автоматической аппаратурой. В частности, очень перспективными районами для организации там полигонов являются полярные области Луны. В настоящее время они наименее изучены по сравнению с другими районами, что значительно повышает интерес к ним со стороны ученых. Однако, помимо этого, они интересны и по ряду других причин. Так. постоянное освещение Солнцем полярных районов очень важно как для энергоснабжения научно-технических комплексов, так и для проведения некоторых селенофизических экспериментов. В частности, отсутствие значительных перепадов температуры, вызываемых сменой дня и ночи в данных районах, очень удобно для измерения тепловых потоков из лунных недр. Немаловажно и то, что наблюдение различных небесных объектов из приполярных районов позволяет неограниченное время держать их в поле зрения инструментов наблюдения.
Следует отметить, оборудование исследовательских полигонов на Луне должно обладать возможностью длительно работать по сложной и гибкой программе, надежно и эффективно функционировать в экстремальных условиях космического пространства, при воздействии резких перепадов температур, микрометеоритной бомбардировки, облучения солнечным ветром и космическими лучами.
Аппаратура такого полигона может регистрировать сейсмические колебания Луны, тепловой поток из ее недр, состав газов, выделяющихся из недр Луны, состав и энергию солнечного ветра, массу, энергию и направление перемещения микрометеоритных и пылевых частиц, состав и энергию галактических космических лучей. Доставку различных научных приборов на полигон можно осуществлять автоматически. Такой комплекс мог бы функционировать без участия человека. Возможен вариант, когда полигон периодически посещается специалистами, которые проводят ремонт к замену оборудования, забирают и доставляют на Землю информационный материал.
Создание научно-исследовательских полигонов технически можно осуществить уже в недалеком будущем. Современное состояние космонавтики и научного приборостроения позволяет на это надеяться. В несколько более далекой перспективе хочется представить себе возможное объединение такого полигона с обитаемой базой, на которой работает коллектив ученых-исследователей. Создание обитаемых научных баз на Луне, вообще говоря — дело отдаленного будущего, но уже сейчас специалисты думают над различными вариантами их конструкции и оборудования.
По одному из предложенных проектов жилое помещение такой базы представляет собой полусферическую или цилиндрическую оболочку из многослойного эластичного материала, армированного стальными нитями. Оболочка удерживает свою форму под действием внутреннего давления. Помещение базы немного заглубляется под поверхность и защищается от температурных перепадов и микрометеоритной бомбардировки слоем грунта (для защиты от метеоритов размером 1–2 см достаточно слоя 15–20 см).
Первоначально на базе могут вести работу 2–3 человека, в дальнейшем персонал может увеличиться. Продолжительность пребывания на базе достигнет нескольких месяцев. Для эффективной работы космонавтов они должны располагать транспортными средствами различного назначения: от одноместных или двухместных луноходов грузоподъемностью 300–400 кг с ресурсом хода 30–40 км до тяжелых транспортных устройств с дальностью хода до 500 км, обеспечивающих возможность проведения научных работ в течение 15 суток.
Весьма перспективным для исследования Луны является совместное использование стационарной лунной базы и орбитального комплекса. В этом случае представляется возможным доставить посадочный отсек с космонавтами на любой участок поверхности Луны, расположенный в плоскости орбиты обитаемого спутника. Характерной особенностью такого проекта является то, что экипаж, находясь на орбитальной станции, может долгое время ждать космонавтов, совершивших посадку на Луну.
В течение достаточно длительного времени требования к эксплуатации ракетно-транспортной системы между Луной и Землей будут оставаться сложными. По-видимому, наиболее энергетически выгодным способом транспортировки грузов между окололунной и околоземной орбитальными станциями станет применение электрических реактивных двигателей с питанием солнечной энергией и сравнительно небольшой тягой, обеспечивающей полет Земля-Луна за 30–90 суток. Доставка грузов и людей с Земли на околоземную орбиту будет осуществляться кораблями многократного действия, работающими на химическом топливе. Для перелетов Луна- окололунная орбитальная станция и обратно может оказаться рациональным строительство на поверхности Луны электромагнитной катапульты (с питанием солнечной энергией), используемой как для запуска аппаратов на окололунную орбиту, так и для их мягкой посадки на поверхность.
Есть и еще одно направление освоения Луны, о котором, может быть, стоит поговорить отдельно. Речь идет о получении конструкционных материалов и разработке полезных ископаемых для использования их при создании научных баз, а в несколько более отдаленном будущем — при организации технологических производств на лунной поверхности, строительстве спутниковых солнечных электростанций.
Рис. 11. Один из вариантов траектории транспортировки лунного грунта к космическому перерабатывающему предприятию
В настоящее время в печати достаточно широко обсуждается вопрос о целесообразности создания на околоземных орбитах крупных энергетических спутников, оснащенных оборудованием для преобразования солнечной энергии в электрическую с последующей передачей ее на Землю (в виде энергии микроволнового излучения). Решение этой технической проблемы возможно очень надолго освободит человечество от энергетического кризиса и облегчит охрану среды обитания людей от загрязнения. Эти на первый взгляд далекие от лунной тематики проекты оказались неожиданно введены в круг проблем, связанных с освоением Луны.
Дело в том, что рассматриваемые энергетические комплексы удобно расположить в окрестностях Луны, в так называемых «треугольных точках либрации». Искусственный спутник Земли, находящийся вблизи одной из этих точек, имеет чрезвычайно устойчивое орбитальное движение. Кроме того, доставка с Луны конструкционных материалов, составляющих основную массу спутника, или сырья для их производства требует в 20 раз меньших затрат энергии, чем доставка их с Земли. Итоговая оценка приводит к заключению, что строительство подобных систем может быть рентабельным только при условии доставки сырья с поверхности Луны.
На рис. 11 показана схема одного из вариантов транспортировки грузов с Луны на энергетический спутник. Специальный механизм, работающий на электроэнергии, разгоняет контейнеры с грузом до скорости 2,33-2,34 км/с, достаточной для выхода из сферы притяжения Луны. Затем контейнеры совершают полет по баллистической траектории и попадают в улавливающее устройство, представляющее собой конус диаметром у основания 100 м. Конус-«улавливатель» должен иметь бортовую двигательную установку для поддержания нужного положения на орбите, а также для транспортировки контейнеров с грузом к спутнику.
Если рассматривать лунный грунт как сырье для переработки, то легко можно убедиться, что наиболее просто выделить из него металлическое железо. Частицы, которые можно отделить с помощью слабых магнитных полей, составляют 0,15-0,2 % от общего веса грунта. Они содержат около 5 % никеля и 0,2 % кобальта. Для полного выделения железа, алюминия, кремния, магния и, возможно, титана, хрома, марганца, а также кислорода, который образуется в качестве побочного продукта, необходимо использовать обычный металлургический процесс.