По мере того как мировая космонавтика вступает в новую фазу «равного внимания к познанию и использованию», высокоточные имитаторы лунного реголита стали основным базовым материалом для использования лунных ресурсов на месте (ISRU) и строительства лунных баз. Хотя традиционные процессы механического дробления и просеивания могут имитировать макроскопические механические свойства лунного реголита, они не способны воспроизвести такие ключевые микроструктурные особенности, как наноразмерные частицы металлического железа, цементирующее вещество и стеклянные сферулы, образовавшиеся в процессе выветривания в глубоком космосе. Это приводит к значительным отклонениям физических характеристик имитатора, таких как теплопроводность и адсорбционно-десорбционное поведение, от реального лунного реголита. Теплопроводность имитаторов лунного реголита, полученных традиционными методами, отклоняется от показателей реального реголита более чем на 100%, что серьезно ограничивает надежность наземной верификации.
Команда профессоров Тан Цзюньюэ и Цзян Шэнъюаня из Харбинского политехнического университета совместно с Институтом геохимии Китайской академии наук, компанией Xi'an North Qinghua Electromechanical Co., Ltd. и другими организациями опубликовала результаты исследования в престижном международном журнале «Aerospace», впервые предложив технологию получения высокоточных имитаторов на основе высокоэнергетической детонации. Им успешно удалось воспроизвести в имитаторе характеристики космического выветривания и теплофизические свойства реального лунного реголита. Этот прорыв обеспечивает высоконадежную материальную основу для китайских проектов по исследованию дальнего космоса и был оценен как эпохальное достижение в области создания имитаторов лунного реголита.
Воссоздание «травматической памяти» лунной поверхности силой детонации
Уникальные характеристики выветривания лунного реголита обусловлены космическим выветриванием, вызванным ударами микрометеоритов. Основываясь на этом механизме формирования лунного реголита, исследовательская группа предложила использовать мгновенные поля высокой температуры, высокого давления и высокоскоростного удара, создаваемые детонацией мощного взрывчатого вещества в герметичном контейнере, для комплексной модификации сырья для имитатора лунного реголита.
Ключевые параметры процесса детонации:
Для проверки осуществимости детонационной модификации команда провела численное моделирование методом гидродинамики сглаженных частиц (SPH). Результаты точно выявили мгновенную физическую эволюцию имитатора лунного реголита под воздействием детонационной ударной волны микросекундной длительности. Через 4 микросекунды после начала детонации давление на фронте ударной волны может достигать 25,85 ГПа, охватывая более 50% площади образца; через 5 микросекунд пиковая температура в системе достигает 1435,3 K (около 1162°C), превышая порог плавления исходных минералов, при этом основная температура поддерживается в диапазоне 600-900 K. Такой высокоточный контроль температуры позволяет формировать цементирующее вещество и стеклянные сферулы за счет локального плавления, избегая при этом разрушения минерального состава из-за чрезмерного плавления — примерно в 10% площади образца возникла сильно расплавленная стеклянная фаза, образовавшая структуры, аналогичные типичному цементирующему веществу в лунных образцах.
При точном контроле фронта ударной волны с давлением 25,85 ГПа и вышеуказанного температурного поля в модифицированном детонацией имитаторе были успешно получены характерные для лунного реголита цементирующее вещество и стеклянные сферулы. Цементирующее вещество демонстрирует неправильную морфологию и развитую пористую структуру. Морфологические характеристики обоих компонентов хорошо согласуются с образцами лунного реголита, доставленными с обратной стороны Луны миссией «Чанъэ-6», а соотношение цементирующего вещества и стеклянной фазы можно точно регулировать путем изменения энергии детонации.
Значительный прогресс был также достигнут при тестировании теплофизических свойств. Испытания методами лазерной вспышки и дифференциальной сканирующей калориметрии показали, что после детонационной модификации теплопроводность имитатора при комнатной температуре снизилась примерно на 41%, а в условиях низких температур — примерно на 50,4%. Полученные значения теплопроводности приблизились к измеренным значениям для образцов лунного реголита программы «Аполлон». Значительное улучшение теплопроводности объясняется большим количеством межфазных тепловых сопротивлений, создаваемых микроструктурами выветривания, и фундаментальным изменением путей теплопередачи в твердой фазе.
Ключевой скачок от лабораторной точности к инженерным задачам в дальнем космосе
Основной вклад данного исследования заключается в том, что впервые технология высокоэнергетической детонации была применена для получения имитатора лунного реголита, что позволило в рамках одного этапа комплексно смоделировать весь процесс «дробление-плавление-цементация», происходящий при формировании лунного реголита. Полученный модифицированный имитатор по своей характерной морфологии и теплофизическим свойствам приближается к реальному лунному реголиту и может служить надежной испытательной базой для трех ключевых сценариев:
Использование лунных ресурсов на месте (ISRU): обеспечение реальной материальной основы для калибровки точности и предварительной валидации таких ключевых технологий, как извлечение водяного льда, получение кислорода и 3D-печать строительных материалов;
Строительство на Луне: заполнение пробела в высокоточных испытательных материалах при наземном прототипировании таких объектов лунной инфраструктуры, как конструкции радиационной защиты, модули жилых отсеков и посадочные площадки;
Калибровка полезной нагрузки для обнаружения водяного льда: предоставление высоконадежной основы для наземной калибровки и поверки приборов для обнаружения водяного льда в таких лунных миссиях, как серия «Чанъэ».
На уровне промышленного внедрения этот результат получил инженерную поддержку в рамках проекта «Методы и технологии эффективного использования ресурсов лунного реголита» (под руководством ХПУ с участием многих университетов и научно-исследовательских институтов), который является ключевым специальным проектом Национальной программы ключевых исследований и разработок «Инженерные науки и комплексные междисциплинарные исследования». Исследовательская группа заявила, что в дальнейшем будет систематически оптимизировать такие ключевые параметры, как масса заряда и геометрия ограничений, чтобы еще больше повысить однородность свойств имитатора и производительность его получения, продвигаясь от проверки лабораторных принципов к практическому инженерному применению. Это обеспечит прочную техническую поддержку для дальнейшего развития китайских лунных миссий серии «Чанъэ» и проектов по исследованию дальнего космоса.