КОНСТРУКЦИЯ ЗАЩИТНОГО СООРУЖЕНИЯ ОБИТАЕМОЙ СТАНЦИИ НА ПОВЕРХНОСТИ ЛУНЫ И СПОСОБ ЕЁ ВОЗВЕДЕНИЯ

Название	КОНСТРУКЦИЯ ЗАЩИТНОГО СООРУЖЕНИЯ ОБИТАЕМОЙ СТАНЦИИ НА ПОВЕРХНОСТИ ЛУНЫ И СПОСОБ ЕЁ ВОЗВЕДЕНИЯ
Разработчик (Авторы)	Пыжов Александр Михайлович, Леонов Владислав Александрович, Янов Илья Владимирович
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2802277
Дата регистрации	24.08.2023
Правообладатель	Пыжов Александр Михайлович, Леонов Владислав Александрович, Янов Илья Владимирович
Область применения (класс МПК)	B64G 1/54 (2006.01) E04G 11/04 (2006.01)
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к космической технике, а именно к способам, конструкциям и технологиям защиты жилых и служебных сооружений от опасных факторов космического пространства в условиях поверхности Луны и других естественных объектах Солнечной системы.

Процесс масштабного исследования и освоения Луны начнется с возведения на ее поверхности временной станции, которая позволит первым ее обитателям организовать и провести подготовительные мероприятия для создания долговременной обитаемой базы. Этот этап строительства обитаемой лунной станции называется нулевым (Луна - шаг к технологиям освоения Солнечной системы // Под научной редакцией Легостаева В.П. и Лопоты В.А. М.: РКК «Энергия», 2011. - 584 с. (С. 274)).

Основой концепции строительства обитаемых сооружений на Луне является их максимальная защищенность от агрессивных воздействий внешней среды, прежде всего от космического излучения и метеоритов, использование лунного природного материала и возможность длительного и комфортного пребывания в них астронавтов, в том числе, и на первом этапе колонизации. Перечисленные особенности этих сооружений, в свою очередь, устанавливают ряд технологических требований к ним: газонепроницаемость, устойчивость к регулярным импактным воздействиям метеоритов, простота конструкции и способа строительства, допускающие их роботизированное возведение (Леонов В.А., Багров А.В., Галеев С.А, Малая Е.В., Нечаев А.Л. Концепция строительства быстровозводимых укрытий на Луне // Материалы 54-х научных чтений памяти К.Э. Циолковского «Научное наследие и развитие идей К.Э. Циолковского». Калуга: Изд-во АКФ «Политоп», 2019. С. 225-228).

Первые проекты лунных баз стали появляться уже после 1946 года (Луна - шаг к технологиям освоения Солнечной системы // Под научной редакцией Легостаева В.П. и Лопоты В.А. М.: РКК «Энергия», 2011. - 584 с). Проекты рассматривали различные варианты лунных жилищ: искусственные сооружения, использование естественных полостей и защитных свойств лунного вещества, создание замкнутых систем жизнеобеспечения и т.д. Но от некоторых вариантов, например, использования естественных полостей сразу же отказались по причине их трудоемкости и длительности реализации.

Существующие конструкции лунных обитаемых станций и способы их возведения, как правило, отличаются большими трудозатратами и материалоемкостью, что снижает возможность роботизации процессов их возведения. Например, согласно патенту РФ, на изобретение №2624893 (бюлл. №19, опубл. 07.07.2017) средство защиты от воздействия опасных факторов космического пространства в условиях поверхности Луны представляет собой конструкцию, состоящую из оболочек (пакетов), заполненных уплотненным реголитом до плотности 3,0 г/см³, которые уложены на сетку типа «рабица», под которой находится несущая структура, представляющая собой каркас из плоскосвернутых (полимерных) труб, раздуваемых с помощью химических генераторов газов. Средство защиты образует арочную конструкцию, под которой находится защищаемый объект. Кроме вышеприведенных недостатков, присущих предлагаемым защитным сооружениям, эта конструкция имеет такие недостатки, как сложность заполнения уплотненным реголитом оболочек (пакетов) и их последующей ровной укладки на сетку, что снижает устойчивость защитной оболочки сооружения в целом.

Анализ существующих конструкций обитаемых станций на Луне и способов их возведения позволил сформулировать основную задачу предлагаемого изобретения, которая заключается в разработке конструкции строительного элемента станции, способного не только выдержать массу защитного слоя реголита, но и иметь достаточно простой способ для его возведения, позволяющий в дальнейшем его полностью роботизировать.

В настоящее время считается, что одной из наиболее рациональных и выгоднейших форм пространственных тонкостенных конструкций является купол (Цай Т.Н. Строительные конструкции. Железобетонные конструкции: Учебник. 3-е изд., стер. СПб.: Издательство «Лань». 2012. - 464 с. (С. 337)). Известно, что купольные строительные конструкции являются одними из самых прочных строительных конструкций. Так, например, сферические купола выдерживают нагрузку до 650-700 кг/м² (таблица преимуществ и недостатков купольных домов. Крым-дом-ЛСТК [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://crimeadomlstk.com/tablitsa-preimushestv-i-nedostatkov-kupolnyh-domov.html). Только подобная строительная конструкция в условиях Луны сможет выдержать большую массу слоя реголита, необходимого для защиты лунной базы от воздействия радиации и ударов метеоритов. Подобная прочность обеспечивается равномерным распределением нагрузок на все точки поверхности купольной конструкции.

Достоинства, которыми обладают купольные конструкции, позволяют их применять не только при строительстве объектов различного назначения, но и в различных климатических зонах, в том числе, и в условиях сурового климата (Тур В.И. Купольные конструкции: формование, расчет, конструирование, повышение эффективности: Учебное пособие. М.: Издательство АСВ. 2004. - 96 с. (С. 8)), например, как считают авторы предлагаемого изобретения, на Луне и других космических объектах Солнечной системы. Поэтому авторами предлагаемого изобретения было предложено в качестве силового строительного элемента обитаемой станции использовать купольную конструкцию.

Примером купольной конструкции, которую предлагалось использовать в качестве защитной строительной конструкции базы на Луне, была стрельчатая купольная конструкция, возводимая из реголитовых блоков с помощью пневмоопалубки, представленная в материалах 52-х Научных чтениях памяти К.Э. Циолковского (Янов И.В., Пыжов A.M., Лукашова Н.В. и др. Оценка возможности возведения и защиты обитаемой базы на поверхности Луны // Материалы 52-х научных чтений памяти К.Э. Циолковского. Калуга: Изд-во АКФ «Политоп», 2017. С. 307-308). Для защиты обитателей станции от радиационной и метеоритной опасности купольное сооружение укрыто слоем лунного грунта необходимой толщины, на который уложен слой блоков из реголита с упором в стенки кратера. Внутри купола установлен надувной жилой модуль и система жизнеобеспечения. Подобный защитный купол, как считают авторы предложенной конструкции, может быть основой строительных конструкций будущих лунных обитаемых баз, которые вполне могли бы стать альтернативой подземным лунным жилищам. Однако в этой купольной блочной конструкции не была до конца решена проблема скрепления блоков.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является защитное сооружение, приведенное в статье журнала «Воздушно-космическая сфера» (Пыжов A.M., Синицын Д.А., Янов И.В., Лукашова Н.В., Багров А.В., Леонов В.А. Защитный купол обитаемой станции на поверхности Луны // Воздушно-космическая сфера. 2019. №3. С. 44-49), в которой описана купольная конструкция защитного сооружения временной обитаемой станции на поверхности Луны, возводимого с помощью пневмоопалубки. В статье в качестве защитного и одновременно несущего элемента лунной обитаемой станции была предложена коническая купольная конструкция, состоящая из слоев, уложенных плашмя друг на друга трапециевидных реголитовых блоков, меньшее основание которых упирается в пневмоопалубку. Защитное сооружение устанавливается в естественном углублении на поверхности Луны и содержит шлюзовую камеру для выхода астронавтов на ее поверхность. Для скрепления слоев из реголитовых блоков друг с другом торец каждого блока, упирающийся в пневмоопалубку, снабжен коническим выступом. Такие выступы могут не только препятствовать перемещению слоев блоков относительно друг друга в горизонтальной плоскости, но и в случае необходимости, например, при лунотрясениях, ограничивать степень этого перемещения. Внутри защитного сооружения расположен жилой модуль, который соединен со шлюзовой камерой и с системой жизнедеятельности. Для защиты от космической радиации и сейсмического воздействия метеоритов на купольную конструкцию нанесен слой реголита толщиной 4 м, на который с целью его предохранения от ударного проникновения метеоритов уложен слой спеченных реголитовых блоков.

Согласно литературным данным и проведенным оценочным расчетам, подобная защитная конструкция способна защитить обитателей лунной станции от воздействия космической радиации и ударного воздействия метеоритов массой до 300 г.

Однако, несмотря на простоту конической конструкции, установка в ней шлюзовой камеры в области опорного пояса купольного сооружения будет приводить к снижению ее прочности, а, с точки зрения рационального использования внутреннего объема, подобная конструкция не является достаточно эффективной. Кроме того, проблема скрепления блоков в купольной конструкции решена частично, поскольку блоки в ней могут перемещаться относительно друг друга в радиальном направлении. Все эти недостатки негативно скажутся на защитные и эксплуатационные свойства станции.

В связи с этим авторами была поставлена задача разработки более эффективной конструкции защитного сооружения временной обитаемой базы на поверхности Луны с точки зрения более рационального использования внутреннего объема, простоты и возможности установки шлюзовой камеры без потери прочности сооружения и решения проблемы скрепления блоков друг с другом.

Технический результат, на решение которого направлено изобретение, заключается в повышении защитных и эксплуатационных свойств защитной конструкции лунной обитаемой станции с учетом установки шлюзовой камеры для выхода экипажа станции на поверхность Луны.

Технический результат достигается тем, что в конструкции защитного сооружения обитаемой станции на поверхности Луны, расположенного в естественном углублении на лунной поверхности, включающей защитное укрытие, состоящее из противометеоритного слоя реголитовых блоков, размещенное на противорадиационном слое насыпного реголита, которое уложено с упором в стенки углубления на купольную несущую конструкцию конический формы, состоящую из слоев, уложенных друг на друга трапециевидных реголитовых блоков, причем слои из блоков скреплены друг с другом с помощью конических выступов на торцах блоков, упирающихся в пневмоопалубку, а внутри защитного сооружения находятся система жизнеобеспечения и жилой модуль, соединенные со шлюзовой камерой для выхода на поверхность Луны, толщина противорадиационного слоя насыпного реголита составляет от 1-го до 3-х м, а толщина противометеоритного слоя реголитовых блоков - не менее 0,25 м, а несущая купольная конструкция защитного сооружения конической формы дополняется опорным кольцом, в качестве которого используется стеновая несущая конструкция цилиндрической формы, состоящая из реголитовых блоков трапециевидной формы, слои которых скрепляются друг с другом за счет прямоугольных выступов на торцах блоков, обращенных к пневмоопалубке, изготовленной из многослойного полимерного материала и состоящей из двух герметично соединяемых секций, верхняя из которых используется для возведения купольного покрытия и цилиндрической части несущей конструкции, а вторая секция является ее основанием, укладываемым на строительную площадку, причем внутри стеновой конструкции находится жилой модуль с емкостью для воды, выход из которого на поверхность Луны осуществляется с помощью шлюзовой камеры, участок которой, проходящий через стенку цилиндрической конструкции упрочняется снаружи кольцом катушечной формы из композиционного материала, а все реголитовые блоки конической и цилиндрической частей защитного сооружения дополняются боковыми выступами и углублениями, форма и размеры которых соответствуют друг другу, что обеспечивает жесткое соединение и препятствуют их перемещению в радиальном направлении.

Для оценки эффективности различных форм защитных сооружений было проведено сравнение расчетных объемов стрельчатой и конической купольных конструкций, имеющих равные габариты на примере сооружения, имеющего высоту - 8 м, а диаметр основания -10 м. Оказалось, что объем сооружения стрельчатой формы более чем в 1,7 раза больше, чем объем сооружения конической формы. Кроме того, замена стрельчатой формы сооружения на близкую к ней комбинацию, состоящую из двух частей - цилиндрической и конической форм в тех же габаритах приводит к упрощению конструкции без снижения ее объема.

Таким образом, расчеты показали, что наиболее оптимальной конструкцией защитного сооружения обитаемой станции является конструкция, состоящая из нижней цилиндрической части и верхней конической. Кроме того, установка шлюзовой камеры в нижнюю цилиндрическую часть защитного сооружения не будет влиять на прочность купольного покрытия и всего сооружения в целом при условии упрочнения части шлюзовой камеры, находящейся внутри стеновой цилиндрической конструкции. В связи с этим, для упрочнения данного участка шлюзовой камеры, на него предлагается установить кольцо катушечной формы из композиционного материала. Для решения проблемы перемещения реголитовых блоков в конструкциях в радиальном направлении боковые поверхности всех блоков предложено дополнительно снабдить углублениями и выступами, форма и размеры которых соответствуют друг другу, что обеспечивает их жесткое соединение и препятствует перемещению.

Конструкция защитного сооружения обитаемой станции на поверхности Луны в соответствии с предлагаемым изобретением представлена на фиг. 1, где:

1 - противометеоритный слой реголитовых блоков; 2 - противорадиационный слой насыпного реголита; 3 - купольное коническое покрытие из реголитовых блоков; 4 - кратер на поверхности Луны; 5 - стеновая несущая конструкция цилиндрической формы из реголитовых блоков; 6 - верхняя секция пневмоопалубки; 7 - жилой модуль; 8 - нижняя секция пневмоопалубки; 9 - шлюзовая камера; 10 - люк для выхода на поверхность Луны; 11 - стенка кратера на поверхности Луны; 12 - кольцо катушечной формы для упрочнения участка шлюзовой камеры; 13 - оборудование системы жизнеобеспечения.

В качестве примера приводится конструкция защитного сооружения обитаемой станции на поверхности Луны, состоящая из двух частей - из нижней блочной части цилиндрической формы диаметром 10 м и высотой 3 м, на которой находится верхняя часть сооружения - купольное коническое покрытие, диаметр основания которого составляет 10 м, а высота - 5 м. Защитное сооружение состоит из отдельных слоев блоков, изготовленных из реголита и скрепленных между собой.

Для расчета требуемого количества блоков различной номенклатуры для верхней конической части защитного сооружения была разработана компьютерная программа на платформе «Bootstrap» (https://cloud.mail.ru/public/3He3/ot2csJiXx). Расчет показал следующие результаты:

- нижняя цилиндрическая часть сооружения состоит из 12 слоев, в которых находятся 1068 штук реголитовых блоков, форма которых приведена на фиг. 2 (позиция 5). Габариты блоков цилиндрической части толщиной 0,25 м составляют 0,75×0,35 м;

- верхняя коническая часть - купольное покрытие защитного сооружения состоит из 18 слоев (ярусов), в которых находятся 444 реголитовых блока, форма которых приведена на фиг. 2 (позиция 3). Длина блоков составляет 0,75 м, а толщина - 0,25 м. В зависимости от места расположения блоков в куполе их ширина изменятся от 0,5 до 0,375 и 0,25 м.

В качестве шлюзовой камеры используется часть космического аппарата, которая в месте прохождения ее через стенку углубления на поверхности Луны упрочняется кольцом катушечной формы из композиционного материала. На несущей блочной конструкции, состоящей из нижней цилиндрической части и купольного покрытия, находится противорадиационный слой насыпного реголита толщиной от 1 до 3 м (фиг. 1, позиция 2). Дополнительная защита обитателей жилого модуля - размещение приборов и оборудования вдоль стен и на крыше модуля (Луна - шаг к технологиям освоения Солнечной системы / Под научной редакцией Легостаева В.П. и Лопоты В.А. М: РКК «Энергия», 2011. - 584 с. (С. 286)) (фиг. 1, позиция 13).

Известно, что лунный поверхностный грунт - реголит является хорошей защитой от воздействия солнечной и космической радиации, а его слой толщиной 2-3 м даже без уплотнения значительно снижает радиационную опасность внутри жилого отсека (Шевченко В.В. Лунная база. М.: Знание, 1991. - 64 с. (С. 35)). Это подтверждается и другими авторитетными специалистами в области космической техники, которые также считают, что слой лунного грунта толщиной около трех метров надежно защитит обитаемые модули от солнечной и галактической радиации, и небольших метеороидов (Луна - шаг к технологиям освоения Солнечной системы // Под научной редакцией Легостаева В.П. и Лопоты В.А. М: РКК «Энергия», 2011. - 584 с. (С. 277). В последнее время у ученых, специалистов по космическим исследованиям сформировалось мнение, что «полтора-два метра лунного реголита дадут достаточно хорошую защиту, которую не смогут пробить даже тяжелые частицы лучей космических энергий» (Бурцева Н.Л. Лев Зеленый: Луна - «седьмой континент» Земли // Воздушно-космическая сфера. 2019. №3. С. 10-15).

Реальная толщина слоя насыпного реголита в каждом конкретном случае будет зависеть от предварительно проведенных исследований радиационной способности лунного грунта в месте установки защитного сооружения на поверхности Луны. При этом нужно учитывать и защитную способность стенок защитного сооружения, плотность реголита в которых составляет более 2,0 г/см². Кроме того, в защите от космического и солнечного излучения, в какой-то мере будут участвовать и стенки естественного углубления, в котором будет находиться защитное сооружение.

На противорадиационный слой насыпного реголита помещается противометеоритный слой реголитовых блоков толщиной не менее 0,25 м (фиг. 1, позиция 1), препятствующий проникновению микрометеоритов и метеоритов в слой насыпного реголита.

В связи с последней информацией о противорадиационной способности реголита нами был проведен оценочный расчет способности противорадиационного слоя реголита противостоять ударам метеоритов.

В настоящее время принята ударно-взрывная аналогия импактного воздействия метеоритов на кору Земли (или другой планеты), согласно которой высокоскоростной удар метеорита подобен взрывному процессу. В наибольшей степени этой аналогии удовлетворяют заряды конденсированных взрывчатых веществ (ВВ) типа тротила (ТНТ), взрываемые на малой глубине, либо на поверхности преграды (Шишкин Н.И. Влияние импульса метеорита на размеры ударного кратера // Прикладная механика и техническая физика. 2011. Т. 52. №6. С. 3-12). Известно, что, взрыв заряда ВВ в какой-либо среде приводит к колебательному движению этой среды и сооружений, расположенных в ней. Подобное воздействие взрыва называется сейсмическим и может привести к образованию трещин в сооружении или его разрушению (Эпов Б.А. Основы взрывного дела. М.: Воениздат, 1974. - 224 с (С. 160-161)).

Анализ литературных данных показал, что при ударном воздействии метеорита на прочную преграду в большей степени опасность представляет не внедрение его в преграду за счет кинетической энергии (в этом случае метеорит внедряется на глубину, приблизительно равную его диаметру (Шишкин Н.И. Влияние импульса метеорита на размеры ударного кратера // Прикладная механика и техническая физика. 2011. Т. 52. №6. С. 3-12), а ударная волна, которая распространяется на значительно большую глубину (глубину трещинообразования) и приводит к образованию трещин в сооружении или его разрушению. Так, например, согласно данным (Комир В.М. и др. Моделирование разрушающего действия взрыва в горных породах. М.: Наука, 1972. - 215 с. ) радиус зоны трещинообразования в породах горного массива находится в пределах 20-30 радиусов заряда.

В связи с этим был проведен оценочный расчет зон разрушения в противорадиационном реголитовом слое при ударном воздействии метеоритов различной массы. Для расчетов был выбран наиболее распространенный каменный тип метеоритов (Додд Р.Т. Метеориты. Петрология и геохимия. Монография. М.: Мир, 1986. - 384 с. (С. 18)).

Исходные данные:

- толщина противорадиационного слоя реголита - 1-3 м;

- плотность сферического заряда-аналога ТНТ эквивалентного действию удара метеорита о поверхность Луны - 1600 кг/м³ (Орлова Е.Ю. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ. Л.: Химия, 1973. - 688 с. (С. 681));

- энергия взрыва 1 кг ТНТ - 4,186⋅106 Дж (там же);

- средняя скорость удара метеоритов о лунную поверхность - 27000 м/с (Попель СИ., Голубь А.П., Лисин Е.А., Извекова Ю.Н. и др. Удары высокоскоростных метеороидов и отрыв пылевых частиц от поверхности Луны // Письма в ЖЭТФ. 2016. Т. 103. Вып. 9. С. 641-646);

- средняя плотность каменного метеорита - 3540 кг/м³ (Зигель Ф.Ю. Вещество Вселенной. М.: Химия, 1982. - 176 с. (С. 79));

Расчет объема и радиуса метеоритов проводился при условии, что их форма близка к шару. Масса зарядов-аналогов ТНТ оценивалась из сравнения кинетической энергии метеоритов различной массы с энергией взрыва одного килограмма ТНТ.

Зоны разрушения противорадиационного слоя реголита зарядами-аналогами ТНТ, взрываемыми на малой глубине и моделирующими действие ударов метеоритов о поверхность реголита, оценивались зависимостями, приведенными в статье журнала сетевого издания (Вохмин С.А., Курчин Г.С, Кирсанов А.К., Грибанова Д.А. Обзор существующих методик расчета параметров зон разрушения породного массива // Современные проблемы науки и образования. 2015. №1-1; URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=19369 (дата обращения: 05.03.2021)).

Результаты расчета основных зон разрушения, возникающих в противорадиационном слое реголита от взрыва сферических зарядов-аналогов ТНТ, приведены в таблице 1.

Таким образом, анализ литературных данных и проведенные расчеты показали, что защитный слой реголита толщиной 1-3 м способен защитить обитателей лунной станции на поверхности Луны от космической радиации, а несущую строительную конструкцию станции от разрушения ударами каменных метеоритов массой от 10 до 100 г соответственно. Для того чтобы предотвратить ударное проникновение метеорита, в противорадиационный насыпной слой реголита на него укладывается слой материала с большей плотностью и прочностью, например, из спеченного или плавленого лунного базальта или реголита толщиной не менее 0,25 м.

Известно, что купольные конструкции по расходу материалов при их возведении среди пространственных жестких систем являются самыми экономичными, причем эффективность этих конструкций возрастает с увеличением пролета (Тур В.И. Купольные конструкции: формование, расчет, конструирование, повышение эффективности: Учебное пособие. М: Изд. АСВ. 2004. - 96 с. (С. 7)). Предпочтительным способом возведения монолитных бетонных купольных конструкций в условиях Земли в настоящее время считается способ с применением пневматической опалубки (Лебедева Н.В. Учеб. Пособие. М: «Архитектура-С». 2006. - 130 с. (С. 70)). Пневматическая опалубка не требует больших затрат на транспортирование, монтаж и эксплуатацию. Достоинствами пневматических надувных опалубок являются большая несущая способность, надежность и возможность перекрытия больших пролетов. С помощью такой опалубки можно возводить конструкции в самых труднодоступных местах. Важными преимуществами пневмоопалубок является их малая масса, высокая оборачиваемость и низкая трудоемкость монтажа и демонтажа. Основным недостатком такого способа возведения купольных конструкций является необходимость применения «мокрой технологии» - применения большого количества жидкого бетона и технологии торкретирования (пневмонабрызга), а также торкрет-пушки, что сопровождается неизбежными потерями бетонной смеси, что практически невозможно осуществить в условиях сурового климата, например, на Луне и других объектах солнечной системы.

В связи с этим в описании патента РФ на изобретение №2694455 (опубл. в бюлл. №29, 15.07.2019) был предложен достаточно простой способ возведения стрельчатых купольных сооружений на пневматической опалубке с помощью блочных изделий, изготавливаемых из местного материала, в том числе, и в условиях Луны - из реголита. Предложенный способ возведения купольных конструкций основан на укладке блочных изделий, имеющих форму прямоугольного параллелепипеда, длина которого больше его удвоенной толщины, вокруг пневмоопалубки горизонтальными рядами (слоями), параллельно основанию. При этом одними торцами блоки упираются в оболочку пневмоопалубки и образуют внутреннюю поверхность купола, а другие торцы изделий образуют его наружную поверхность. Для возведения стрельчатого купольного сооружения использована пневмоопалубка, состоящая из трех герметично соединенных секций, верхняя из которых представляет собой прямой круговой конус, образующая которого наклонена к его основанию под углом в 45°, а высота и радиус основания составляют 7/10 частей от радиуса основания купола, средняя секция является слоем сферы, меньший радиус которого равен радиусу основания конусной части опалубки, а больший радиус равен радиусу основания купола.

Однако, согласно описанию упомянутого изобретения, для скрепления блоков авторами было предложено использовать водную композицию на основе натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы, что в условиях Луны не приемлемо. Кроме того, пневмоопалубка для возведения стрельчатого купола представляет собой достаточно сложное в раскрое и изготовлении изделие.

Наиболее близким способом возведения предлагаемой конструкции защитного сооружения обитаемой станции на поверхности Луны является способ возведения купольной конической конструкции из реголитовых блоков с помощью пневмоопалубки описанный в статье журнала «Воздушно-космическая сфера» (Пыжов A.M., Синицын Д.А., Янов И.В., Лукашова Н.В., Багров А.В., Леонов В.А. Защитный купол обитаемой станции на поверхности Луны // Воздушно-космическая сфера. 2019. №3. С. 44-49).

Способ возведения защитного сооружения, согласно статье журнала, состоит в следующем. В углублении на поверхности Луны надувается пневмоопалубка купола, укладывается шлюзовая камера, после чего вокруг конической пневмоопалубки горизонтальными слоями параллельно основанию укладываются предварительно изготовленные трапециевидные блоки из реголита, меньшие основания которых упираются в пневмоопалубку, образуя коническое защитное сооружение. Для скрепления слоев из блоков их торцы, упирающиеся в пневмоопалубку, снабжены коническим выступом. Такие выступы могут не только препятствовать перемещению слоев блоков относительно друг друга, но и в случае необходимости, например, при сейсмических воздействиях (лунотрясениях), ограничивать степень этого перемещения в определенных пределах.

Далее на сформированную из спеченных реголитовых блоков коническую оболочку купола наносится четырехметровый слой противорадиационной защиты из лунного грунта, на который сверху для защиты от прямого попадания метеоритов укладывается еще один слой блоков с упором в стенки углубления. В случае если купольное сооружение предназначается для проживания астронавтов, внутри опалубки устанавливается герметичный жилой модуль, который дополняется необходимым оборудованием для их жизнеобеспечения.

При необходимости рядом с возведенным защитным куполом могут устанавливаться еще несколько защитных куполов, связанных между собой защищенными тоннелями, которые не повлияют на прочность основных конструкций.

Если в качестве жилых модулей применяют оболочки или различные части космических аппаратов, то в этом случае в углубление на поверхности Луны устанавливается оболочка аппарата, которая затем покрывается пневмоопалубкой.

Для изготовления блоков предлагается использовать мобильную СВЧ-печь, в которой будут спекаться предварительно отформованные блоки из реголита. Этот способ не требует достаточно тщательной предварительной подготовки реголита, в отличие от способа изготовления блоков с помощью 3D-принтеров и солнечных концентраторов (Леонов В. А., Багров А.В. Строительство помещений большой высоты на Луне. Материалы 54-х Научных чтений памяти К.Э. Циолковского. Калуга: Изд-во АКФ «Политоп», 2019. С. 247-248). В связи с этим возведение предложенного в статье конического защитного сооружения возможно только из отдельных реголитовых блоков, которые изготавливаются заранее любыми различными способами, например спеканием отформованных блоков в СВЧ-печи, с помощью 3D-принтеров и солнечных концентраторов.

Описанный в статье способ возведения купольного сооружения отличается большей простотой и возможностью дальнейшей роботизации, в отличие от способа возведения купольного защитного сооружения стрельчатой формы (патент РФ №2694455, опубл. в бюлл. №29, 15.07.2019). Это вызвано однообразием укладки блоков практически по всей поверхности пневмоопалубки, за исключением замковой области купола. Однако установка шлюзовой камеры в нижнюю часть конического купольного сооружения будет снижать прочность сооружения к сжатию за счет нарушения целостности опорного пояса в основании купольной конструкции.

Кроме того, в описанном способе возведения защитного сооружения не решена до конца проблема скрепления отдельных блоков между собой, что снижает прочность сооружения, а предлагаемая конструкция пневмоопалубки при использовании в качестве жилых модулей корпусов космических аппаратов в процессе возведения и дальнейшей эксплуатации защитного сооружения не может обеспечить защиту внутренней части сооружения от лунного вакуума и пыли.

В связи с этим авторами была поставлена задача разработки эффективного способа возведения конструкции защитного сооружения временной обитаемой базы на поверхности Луны с точки зрения обеспечения рационального использования внутреннего полезного объема, простоты, универсальности и возможности установки шлюзовой камеры без потери прочности сооружения, а также решения проблем скрепления блоков друг с другом и герметизации внутренней части сооружения.

Технический результат, на решение которого направлено изобретение, заключается в повышении эффективности способа возведения конструкции защитного сооружения обитаемой станции на поверхности Луны, направленного на повышение защитных и эксплуатационных свойств возводимого сооружения и снижения затрат на его возведение.

Технический результат достигается тем, что в способе возведения защитного сооружения обитаемой станции на поверхности Луны, включающем установку на предварительно подготовленной площадке в кратере - естественном углублении на лунной поверхности конической пневмоопалубки, установку шлюзовой камеры в основание пневмоопалубки и последующую укладку горизонтальными слоями параллельно строительной площадке трапециевидных спеченных реголитовых блоков впритык к пневмоопалубке меньшим основанием, содержащим конический выступ по направлению от опорного кольца купола к его ключу, засыпку конического сооружения противорадиационым слоем насыпного реголита, на который плашмя укладывается противометеоритный слой спеченных реголитовых блоков в упор в стенки кратера и последующую установку внутрь защитного сооружения надувного или иного герметичного жилого модуля и системы жизнеобеспечения, отличающийся тем, что перед подготовкой строительной площадки проделывается проем в стенке кратера для последующей доставки жилого модуля и укладки шлюзовой камеры, затем подготавливается строительная площадка на дне кратера, на которую укладывается нижняя секция двухсекционной эластичной пневмоопалубки, после этого через проем в стенке кратера доставляется жилой модуль диаметром 2,9-3,2 м и длиной до 8 м, а также элементы системы жизнедеятельности, которые укладываются на нижнюю секцию пневмоопалубки, затем снаружи периметра нижней секции пневмоопалубки выкладывается первый слой трапециевидных реголитовых блоков цилиндрической стеновой части защитного сооружения, содержащих выступы и углубления на боковых стенках и торцах, упирающихся в пневмоопалубку, благодаря которым блоки и слои из них скрепляются между собой, после чего на первый слой реголитовых блоков катушечнообразным кольцом сверху укладывается шлюзовая камера, из которой затем выталкивается верхняя секция многослойной эластичной опалубки, которой покрывают жилой модуль и все элементы системы жизнеобеспечения, после этого ее герметично соединяют с нижней секцией пневмоопалубки и надувают до рабочего состояния, подавая газ внутрь герметичных стенок и внутренней области пневмоопалубки, затем блоками выкладывается вся оставшиеся цилиндрическая часть сооружения и коническое покрытие, возведение которого завершается установкой замковой части купола, доставляемой с Земли, после этого проем в стенке кратера, в котором находится входной люк шлюзовой камеры, засыпается насыпным реголитом, и далее формируется противорадиационное покрытие возведенного сооружения, состоящее из слоя насыпного реголита толщиной 1 -3 м, на которое укладывается противометеоритный слой спеченных реголитовых блоков толщиной не менее 0,25 м, затем из внутренней области пневмоопалубки стравливается газ, после чего она заполняется воздухом.

Ниже приводится пример возведения защитного сооружения обитаемой станции на поверхности Луны в соответствии с предлагаемым изобретением. Способ возведения защитного сооружения обитаемой станции на поверхности Луны ориентирован на применение местного материала - реголита, частей космических аппаратов и стандартных жилых модулей, доставляемых с Земли. Габариты возводимого сооружения составляют 10×8 м, диаметр цилиндрической части - 10 м, высота цилиндрической части - 3 м; высота конического покрытия - 5 м, а его диаметр в основании - 10 м. Способ возведения защитного сооружения состоит в следующем:

- в соответствии с поставленной задачей первого этапа освоения Луны выбирается область, район и место для возведения временной обитаемой станции «минимальной конфигурации» (Луна - шаг к технологиям освоения Солнечной системы // Под научной редакцией Легостаева В.П. и Лопоты В.А. М.: РКК «Энергия», 2011. 584 с. (С. 227) на поверхности Луны. Критериями при выборе мест возведения временной обитаемой базы могут быть: удобство для проведения комплекса научных исследований; удобство для доставки грузов; возможность использования рельефа местности (наличие подходящих углублений (кратеров) и необходимого количества малосвязанного реголита); перспектива строительства постоянной обитаемой станции. Теоретически возможно размещение временной обитаемой станции (ВОС) в трех районах Луны: в полярной, экваториальной и среднеширотных областях. Однако наиболее перспективным местом размещения лунной базы считается полярная область (там же С. 287, 293).