МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛУННОГО ГРУНТА

Данные, полученные всеми приборами, дополняют друг друга. Поэтому интерпретация их показаний велась совместно, и при составлении окончательного заключения о природе верхнего слоя лунного грунта были использованы результаты измерений всех трех приборов.

При расшифровке показаний грунтомера-пенетрометра был использован тарировочный график, изображенный на рис. 1. Обработка телеметрических данных показала, что в полете и перед подачей команды на включение двигателя индентор находился в исходном (нулевом) положении. После срабатывания двигателя 24 декабря 1966г. в 21 час. 06 мин. он выдвинулся на 4,5 см. Последующие опросы телеметрической системой показали, что в 16 час. 15 мин. 25 декабря положение индентора не изменилось, а 26 декабря в 16 час. 01 мин. составило 4,25 см. В дальнейшем до конца работы АЛС оно менялось в пределах 4,17-4,33 см.

Если прибор попал на ровный участок, то глубина погружения индентора в грунт равна 4,5 см. Последующее уменьшение ее на 0,17- 0,33 см связано скорее всего с температурными деформациями выносного механизма, вызвавшими перемещения прибора в горизонтальном направлении, которые привели к вертикальным перемещениям конуса.

Погружение индентора на 4,5 см, т. е. менее чем на полную длину его свободного хода (5 см), говорит о том, что упор индентора не вошел в соприкосновение с корпусом прибора, нагрузка от двигателя на корпус не передавалась и, следовательно, сам корпус в грунт не погружался.

Для того чтобы можно было использовать данные тарировочных испытаний в земных условиях, необходимо привести измеренную глубину погружения индентора к земным условиям. Для этого нужно по табл. 1 предварительно определить, к какому типу относится материал, подвергшийся испытанию на Луне. Очевидно, это не твердый скальный грунт и даже не твердый пористый материал типа пенобетона или пеностекла. Для этого глубина вдавливания слишком велика. С другой стороны, это не может быть рыхлый пылевидный материал, так как в нем погружение индентора должно быть больше 5 см и в работу должен был включиться корпус прибора, чего на самом деле не наблюдалось. Следовательно, мы имеем дело с зернистым материалом.

Погружение индентора в зернистый материал зависит от силы тяги двигателя и от ускорения силы тяжести. Испытания в вакуум-камере и в самолете при лунном ускорении силы тяжести показали, что в лунных условиях за счет меньшего тяготения глубина погружения должна быть на ~70% больше, чем на Земле, а сила тяги двигателя еще примерно на 8,5% больше. Таким образом, в земных условиях глубина погружения индентора должна была приблизительно составить S_земн≈0,58 S_лун или
S_земн≈0,58×4,5 = 2,6 см

Это соответствует случаю работы прибора на плотном зернистом грунте или на рыхлом зернистом грунте с малой плотностью зерен, но обладающим небольшим сцеплением между зернами. Действительно, при испытаниях несвязного керамзитового гравия с объемным весом 0,75 г/см³ средняя глубина погружения индентора составила 5,0 см, а корпус прибора погружался дополнительно на 0,8 см. При испытаниях того же материала, зерна которого были склеены органической связкой, средняя глубина погружения составила 0,88 см. На кварцевом несвязном песке с объемным весом 1,52 г/см³ средняя глубина погружения была равна 3,7 см. Очевидно, что глубина в 2,6 см может быть получена либо на тяжелом кварцевом несвязном песке, либо на слабосвязном легком материале типа керамзита или аглопорита.

Для расшифровки показаний радиационного плотномера были использованы телеметрические данные первого сеанса связи сразу после прилунения и раскрытия лепестков АЛС. Средняя суммарная интенсивность зарегистрированного рассеянного излучения с учетом природного фона на Луне оказалась равной 0,95 условных единиц. Согласно тарировочному графику рис. 12, этому соответствует плотность исследуемого материала γ = 0,8 г/см³ по левой ветви кривой или γ = 2,1 г/см³ по правой ветви кривой.

Первая величина соответствует рыхлому зернистому грунту или высокопористому материалу типа пенобетона, вторая - плотному скальному грунту или бетону. Поскольку присутствие плотных скальных пород на самой поверхности Луны не соответствует современным астрономическим, радиофизическим и фотографическим данным, результат γ = 2,1 г/см³ следует отбросить и принять в качестве более достоверного γ = 0,8 г/см³. Возможность залегания твердого пористого материала, у которого &gamma = 0,8 г/см³, на поверхности не исключена, но глубина погружения индентора слишком велика для такого материала. Поэтому следует признать наиболее вероятным присутствие слабосвязного зернистого материала с объемным весом γ≈0,8 г/см³. Принимая среднее значение угла внутреннего трения φ = 32° и пользуясь методами механики грунтов, можно приближенно вычислить сцепление можду зернами, которое оказалось равным 0,005 кг/см². Такие значения φ и C на Земле встречаются у маловлажных песков, которые обладают небольшой связностью.

Толщина исследованного слоя определяется глубиной, на которую просвечивается грунт при работе радиационного плотномера, и составляет около 15 см.

Суммируя все приведенные выше данные, можно прийти к заключению, что в месте посадки АЛС "Луна-13" на поверхности, по-видимому, залегает слой зернистого материала с объемным весом γ = 0,8 г/см³ или несколько меньше, состоящий из зерен и гранул из пористого минерального вещества, слабо связанных между собой в местах контакта. Угол внутреннего трения ~32°, сцепление порядка 0,005 кг/см². Толщина этого слоя в точке измерения под грунтомером-пенетрометром не менее 5 см.

Эксперимент, проведенный на "Луне-13", показал, что аппаратура обладает достаточной надежностью, а полученные с ее помощью данные согласуются с результатами анализа фотопанорам и результатами других методов исследования. Экспериментально удалось впервые оценить вероятную прочность и плотность самого верхнего слоя лунного грунта, который непосредственно подвергается воздействию прилуняющихся аппаратов, лунных транспортных средств и служит покровом путей движения космонавтов. Приборы, установленные на "Луне-13", дали конкретные значения параметров, характеризующих свойства этого слоя, которые могут быть использованы для создания расчетной модели лунного грунта. При этом удалось значительно сузить диапазон существовавших ранее представлений о свойствах лунных грунтов и получить о них данные, которые имеют большое научное и практическое значение.

ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Первый сеанс передачи показаний чувствительных элементов радиометра начался через 4 мин. после мягкой посадки станции "Луна-13" - в 21 час. 06 мин. по московскому времени 24 декабря 1966 г.

	Продолжительность этого сеанса была 12 мин., в течение которых показания чувствительных элементов были переданы несколько раз. Результаты приведены на рис. 2. Они обнаруживают систематическое, но различное для разных чувствительных элементов падение температуры. Это обстоятельство связано с изменением радиационного баланса чувствительных элементов после раскрытия лепестковых антенн. Температуры совпали только для чувствительных элементов 2 и 4. Прямые линии, которые аппроксимируют временную зависимость температур чувствительных элементов, пересекаются в точке, соответствующей моменту посадки станции (294°К=21°С). Эту температуру имели чувствительные элементы до посадки, когда они находились под сложенными лепестковыми антеннами. Солнце взошло через несколько часов после посадки станции и его высота над лунным горизонтом hS за время наблюдений увеличилась до 38°. Зависимость радиационной температуры, измеренной чувствительными элементами, от hS показана на рис. 3. Уменьшение температуры чувствительных элементов 2 и 3, которое наблюдалось сначала, сменилось затем подъемом вследствие нагревания лунного грунта. Минимальные температуры наблюдались при hS = 6°. Здесь они были ниже значений, которые могли быть зарегистрированы аппаратурой станции. Для чувствительных элементов 1 и 4 резко выраженный подъем кривых на рис. 2 при малых значениях hS объясняется прямой солнечной засветкой. На рис. 3 в зависимости от hS показано отношение T/Tтеор, где Т - измеренная радиационная температура, а Ттеор = Т0 (sin hS)1/4, т. е. наблюдаемые температуры плоской поверхности, которая находится в радиационном равновесии с солнечным излучением. Отношение T/Tтеор для чувствительных элементов 2 и 3 практически постоянно, но для элемента 2 оно на 16% ниже из-за частичного затенения его поля зрения тенью от станции и попадания в поле зрения лунного неба. Принимая отношение T/Ттеор = 1 для чувствительного элемента 3 и учитывая, что попадающий в поле его зрения участок поверхности наклонен к Солнцу примерно на 3;deg;, получаем Т0 = 390 + 3° К, которая представляет собой эффективную радиационную температуру лунного грунта при hS = 90° в месте посадки станции "Луна-13", вычисленную в предположении, что поверхность представляет собой плоскость. В этом случае интегральное альбедо поверхности для солнечного излучения заключено в пределах от 2 до 7,5%.