№ 3 (13) / 2023
Иван Иванников,
ученик 8 класса школыим. Артёма Боровика,г. Москва
В.В. Зотов,
руководитель проекта,доцент, кандидаттехнических наук,Национальныйисследовательскийтехнологическийуниверситет «МИСИС»
Аннотация. Статья посвящена исследованию специфических условий эксплуатации транспортных машин на Луне. В статье проанализированы и обобщены условия и факторы, которые приводят к износу ходовой части транспортных средств. Проведён поиск решений, применяемых наЗемле для увеличения износостойкости гусеничного и колёсного транспорта. На основании проведённого анализапредложены варианты новых материалов для повышенияизносостойкости машин, применяемых при освоении лунной поверхности. Особое внимание уделено таким специфическим факторам, как абразивность лунного грунта (реголита) и большой заряд частичек песка и пыли, которыеоседают на ходовой части машин.
1. Введение.
На сегодняшний день актуальным вопросом являетсяосвоение космического пространства, а также объектовблизлежащей Солнечной системы. Человечество грезит колонизацией Луны, Марса, астероидов, в том числе и длядобычи полезных ископаемых. Первоочередными задачами при этом остаются проектирование и строительстволунных баз, изыскания полезных ископаемых на другихпланетах, поиск воды и источников энергии, разработкаспециализированных технических средств и роботизированных систем для освоения других планет.
Человеческая деятельность немыслима без использования во всех областях деятельности различных машин имеханизмов. В том числе использования различных видовтранспорта. В большинстве случаев, в обычных привычныхусловиях, их технология изготовления и использования отработана. Надёжность таких транспортных средств оченьвысокая.
Однако прогресс не останавливается. Человечество осваивает всё более труднодоступные места на Земле. А такжевсё шире осваивает космическое пространство. И для освоения подобных мест необходимо надёжное безотказноеоборудование. Ведь условия в ещё неизведанных областяхнашей планеты, а также в космосе далеки от идеальных.Этим и обуславливалась их недоступность.
Но если для разработки новых транспортных средствдля работы в сложных условиях на Земле можно достаточно легко и успешно проводить исследования и испытанияновых материалов и оборудования, то для машин, которыепредполагается использовать вне Земли, это сделать достаточно сложно. Сложно повторить те условия, которыебудут в космосе. Сложно грамотно спланировать эксперимент [1].
Рис. 1. Пример песчинки реголита. https://elementy.ru/kartinka_dnya/1536/Chastitsa_lunnogo_grunta
Рис. 2. Оплавленная от удара метеорита песчинка. https://elementy.ru/kartinka_dnya/1536/Chastitsa_lunnogo_grunta
Целью данного исследования является обоснованиеприменения новых материалов для изготовления ходовойчасти транспортных машин для использования на луннойповерхности исходя из специфических условий их эксплуатации.
Для достижения цели планируется решить следующиезадачи:
- • провести анализ особенных климатических условий наЛуне, минералогических и физических свойств лунногогрунта, затрудняющих работу транспортных средств;
- • проанализировать существующие решения для обеспечения эффективной работы наземного транспорта всложных геологических и климатических условиях наземной поверхности, в том числе применение новыхуникальных материалов;
- • сделать обзор современных исследований по повышению абразивной устойчивости новых материалов;
- • на основании решения вышеназванных задач и существующего неудачного опыта использования машин входе лунных миссий представить предложения по применению новых материалов для повышения надёжностилунного транспорта.
2. Материалы и методы.
Состав и свойства лунного грунта (реголита) достаточнохорошо изучены [2, 3]. Начиная с первых лунных экспедиций забор грунта и доставка его на Землю было одной изосновных целей миссий. Исследования проводились и насамой Луне [4].
Основные элементы – это кислород, кремний, железо. Вменьших количествах присутствуют и другие известные наЗемле минералы. В зависимости от района процентный состав может варьироваться [5]. Для взаимодействия с материалами ходовой части транспортных машин важно, чтореголит на поверхности представляет собой песок илипыль. И этот песок имеет острые края и очень абразивен.Вызвано это постоянной бомбардировкой лунной поверхности крупными и мелкими метеоритами. Ведь там нетатмосферы, и космические частицы свободно долетают доповерхности на огромной скорости. Также из-за этого происходит образование стеклянных фракций песка. К тому жепесок и пыль имеют сильный положительный заряд. Этопроисходит благодаря солнечному излучению. И пыль буквально налипает на любые поверхности [6].
Таким образом, в отличие от земной поверхности, гдеабразивный песок встречается очень редко, и, кстати, оночень высоко ценится и добывается, вся лунная поверхность покрыта слоем песка и пыли размером 0,03-1 мм, имеющим очень сильные абразивные свойства [7].
3. Результаты.
3.1. Материалы, применяемые на Земле для повышения износостойкости ходовой части транспортных средств.
С появлением первых транспортных средств люди начали совершенствовать различные их свойства. В том числе, конечно, и надёжность. Основные поломки происходили в местах трения деталей механизмов друг о друга и в местах трения о поверхность почвы.
В связи с развитием прогресса транспорт стал более широко применяться и в тяжёлых климатических и геологических условиях. И здесь износ деталей увеличивался. Необходимо было разрабатывать и применять более современные износостойкие материалы. На сегодняшний день в этой области достигнуты очень большие результаты. Появилась и оформилась новая область науки – материаловедение.
Рис. 3. Трёхслойная цельнолитая шина. https://promtyre.ru/blog/vsyo-o-tselnolityh-shinah-rabota-primenenie/
На сегодняшний день для работ в сложных условиях в основном используются колёсные и гусеничные транспортные средства. Конечно, существуют и другие. Например, шагающие или шнекоходные. Мы их здесь не рассматриваем. Соответственно, и новые материалы разрабатывают для колёс и гусениц.
Существует много известных фирм, специализирующихся на разработке и производстве различных типов шин для специальной техники. Почти все из них имеют и свои исследовательские подразделения. В качестве примера можно привести французскую Michelin, итальянскую Marangoni, американские Goodyear и Titan, немецкую Continental, белорусскую Белшина и другие [7]. Одним из решений по увеличению эксплуатационного ресурса является заполнение шин различными эластомерами. Такие шины не боятся проколов. Подобные решения используют в своей продукции польская Interchemol, английская Air Seal, американские Arnco и Carpenter.
Рис. 4. Защитная кольчуга. https://os1.ru/article/7201-spetsialnye-zashchitnye-tsepi-bronya-krepka-i-shiny-nashi-bystry
Выпускают также цельнолитые шины. Как правило, они состоят из жёсткого базового слоя, амортизирующего слоя и износостойкого протекторного слоя [8].
Ещё один способ продлить срок службы шины – это надеть поверх неё металлическую кольчугу или цепи [9]. Это, естественно, увеличивает износостойкость.
Шины используются на спецтехнике [10, 11]. Наиболее близкими по требованиям, схожим с лунными условиями, являются шины для карьерных самосвалов [12, 13]. Здесь эксплуатируются машины на абразивном грунте [14, 15]. И основные эксплуатационные расходы на карьерах, помимотоплива, – замена изношенных шин. В среднем их меняют раз в год. А цена одной шины может быть несколько миллионов рублей.
Рис. 5. Карьерный самосвал. https://fasad-adelante.ru/shiny-dlya-raboty-v-karere/
Отдельный разговор о гусеничном транспорте. Со времён изобретения танка конструкции гусениц стремительно развивались [16]. Развивались и технологии создания новых материалов. И если первые образцы танков первой мировой войны могли проехать до ремонта не более 150 километров, и их приходилось подвозить на поле боя на колёсных тягачах, то танк Великой Отечественной войны, знаменитый Т-34, в среднем уже мог пройти до ремонта гусениц 1500 километров. Современные танки имеют ресурс ходовой части до 10000 км. А вообще гусеничный транспорт обязан повышением эффективности в плане материала для траков английскому учёному-металлургу Роберту Гадфильду. Марка стали так и называется его именем. В 1882 году он получил сплав повышенной прочности [17, 18].
Рис. 6. Роберт Гадфильд. https://stal-kom.ru/metall-dlya-trakov-gusenits/
В настоящее время распространены металлические, резинометаллические и резиновые гусеницы [19]. В России такие гусеницы разрабатывают и изготавливают на таких предприятиях, как «Уралвагонзавод», «Тверской экскаватор», «Эксмаш», «Промтрактор», «Кранэкс», «Картэкс» и других. За рубежом самые известные это Caterpillar, Komatsu, Volvo, Hitachi, JCB, Hyundai, Liebherr, Bumar, Doosan.
Материалы для гусениц из различных видов стали, резины, полимеров разрабатываются в ведущих лабораториях мира.
3.2. Современные научные исследования, проводимые для изучения износостойкости материалов.
В настоящее время во многих развитых странах разнообразными коллективами учёных проводятся многочисленные исследования новых материалов на абразивную устойчивость [20]. В том числе эксперименты с воздействием реальных грунтов на поверхность колёс или гусениц [21, 22]. И предложены новые сверхпрочные к истиранию материалы [23, 24].
Рис. 7. Износ материала массивом абразивного грунта. https://doi.org/10.3390/ma14206164
В работе [22], в частности, показано, что резиновые прокладки с добавлением эластомеров в траках гусеницы показали более чем в два раза выше прочность, чем сопоставимые из стали Гадфильда.
Но проблема исследования таких материалов на Земле состоит в том, что здесь зачастую невозможно или, во всяком случае, очень тяжело воспроизвести условия эксплуатации на реальной лунной поверхности [1]. А именно абразивность реального лунного грунта, и в особенности в сочетании с большим зарядом частиц. Частицы можно зарядить и на Земле, например, это научились делать с помощью холодной плазмы. Но дело в том, что такой заряд тяжело удержать. При соприкосновении с любым телом он растекается.
4. Обсуждение.
Для того, чтобы сформулировать рекомендации по конструкции транспорта и применяемым материалам для лунной программы, нужно проанализировать историю создания луноходов [25]. А также необходимо провести анализ современных решений на Земле. Последнее было сделано выше.
А о создании лунного транспорта впервые серьёзно задумался Константин Эдуардович Циолковский. Свой проект он представил в 1918 году. До этого проекты были только у писателей-фантастов. Британец Артур Кларк предложил свою концепцию лунохода в годы второй мировой войны. В США инженер Георг фон Тизенгаузен, работая на армию, предложил свой проект лунной машины. А фактически первым создателем лунохода можно считать польского учёного Мечислава Григория Беккера.
Впоследствии было создано много моделей луноходов. И именно колёсных. Хотя гусеничный вариант в своё время предложил сам знаменитый доктор Вернер фон Браун. Но, как известно, для доставки в космос грузов требуется очень много топлива. И вес груза стараются ограничить. Надо же ещё оторвать саму тяжёлую ракету от Земли. А металлические гусеницы из экономических соображений отвергли. Даже от закрытого кузова отказались. Конструкция напоминала багги с открытым верхом. Экономили вес на любых конструктивных решениях и материалах. И пришли к решению делать металлические колёса в виде широкого обода на спицах.
Рис. 8. Американский транспорт на Луне. https://www.drive2.ru/o/b/539117765085102211/
Сейчас появились новые, более лёгкие, но более прочные материалы, например, из композитов. И современный луноход может быть выполнен из этих современных материалов совершенно в другой конструкции. Да и появление резиновых гусениц, вес которых как минимум в два раза меньше стальных, позволяет вернуться к гусеничному приводу. Для исследования крутых кратеров или больших разломов может понадобиться луноход на гусеницах. К тому же в местах глубоких рыхлых полей реголита, возможно, понадобится более низкое давление на грунт.
Для испытаний транспортных машин разработчиками были созданы полигоны, имитирующие лунную поверхность. Но помимо похожего по структуре абразивного лунного грунта, ничего другого, близкого к реальным условиям, создано не было. Заряд удержать на имитационном грунте невозможно.
Исходя из состояния проблематики и проведённогоанализа решения данной проблемы на Земле, учитывая специфические условия работы на лунной поверхности, предлагается:
- •При проведении экспериментов с новыми материалами максимально точно воспроизводить условия, при которых придётся работать оборудованию на лунной поверхности;
- •Предложить использовать различные конструкции машин и различные материалы [26] для изготовления их ходовых частей в зависимости от геологических условий и состава реголита в разных частях поверхности Луны и в зависимости от целей и задач применения транспорта. В том числе вернуться к транспорту на гусеничном ходу;
- •Разработать технологии борьбы с наэлектризованной пылью. Некоторые исследования уже проводятся [27].
5. Заключение.
1. В работе описана проблема создания новых материалов для надёжного функционирования транспортных средств на лунной поверхности.
2. Проведён анализ специфических условий применения машин и механизмов на Луне. Показано, что основными факторами, затрудняющими надёжное функционирование транспортных средств, являются высокая абразивность лунного грунта и большой заряд частиц песка и пыли, приводящий к их сильному налипанию на поверхность механизмов, приводящему к ускоренному износу последних.
3. Определено, что при разработке и испытаниях новых материалов для ходовой части лунного транспорта нужно учитывать специфические условия на лунной поверхности.
4. Предложены материалы для изготовления ходовой части различных транспортных машин для использования на Луне.
Список литературы
1. Иванников И. А. Исследование специфики и особенностей применения горных машин и оборудования при разработке месторождений полезных ископаемых в сложных условиях. 77-е Дни науки студентов НИТУ «МИСиС». Международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции. Книга 3, Секция: Горные машины и роботизация горного производства. Стр. 1171-1172.
2. Слюта Е. Н. Физико-механические свойства лунного грунта (Обзор). АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2014, том 48, № 5, с. 358–382. DOI: 10.7868/S0320930X14050053.
3. Зелёный Л. М., Захаров А. В., Борисова Т. А. Лунная пыль // Земля и вселенная : журнал. — 2017. — № 3. — С. 3—17.
4. Anthony Young. The Apollo Lunar Samples – 2017. Collection Analysis and Results. — New York: Springer, 2017. — 114 с.
5. Дубинский А. Ю., Попель С. И. О возможном механизме образования оксида железа в лунном реголите. Астрономический вестник, 2021, T. 55, № 4, стр. 316-321. DOI: 10.31857/S0320930X21040046.6. Попель С.И. Лунная пыль. Химия и жизнь, № 5, 2018.
7. https://elementy.ru/kartinka_dnya/1536/Chastitsa_lunnogo_grunta.
8. https://promtyre.ru/blog/vsyo-o-tselnolityh-shinah-rabota-primenenie/
9. https://os1.ru/article/7201-spetsialnye-zashchitnye-tsepi-bronya-krepka-i-shiny-nashi-bystry.
10. https://tires1.ru/shiny-dlya-spectekhniki/
12. https://fasad-adelante.ru/shiny-dlya-raboty-v-karere/
13. https://big-shina.ru/content/articles/shiny-dlya-karernoj-tekhniki/
15. https://dprom.online/mtindustry/27567/
16. https://topwar.ru/58927-kakaya-gusenica-luchshe.html.
17. https://stal-kom.ru/metall-dlya-trakov-gusenits/
18. https://dzen.ru/a/XoggwbsxwmecbtVi.
19. https://uraldetalservice.ru/smartblog/19_o-gusenitsah-ekskavatorov.html.
20. J. Napiórkowski, K. Olejniczak, «Effect of PE–LD and PE–HD as modifiers of elastomers used in mobile tracks on their tribological wear», Tribologia, Vol. 285, p. 89, 2019. DOI: https://doi.org/10.5604/01.3001.0013.5438.
21. Napiórkowski, J.; Lemecha, M.; Konat, Ł. Forecasting the Wear of Operating Parts in an Abrasive Soil Mass Using the Holm-Archard Model. Materials 2019, 12, 2180. https://doi.org/10.3390/ma12132180.
22. Olejniczak, K.; Napiórkowski, J. Wear Analysis of Materials Used for a Track Steering System in Abrasive Soil Mass. Materials 2021, 14, 6164. https://doi.org/10.3390/ma14206164.
23. https://textron-zapchasti.ru/blog/articles/6946/
24. Zhang, L., Chen, Y., & Ji, H. (2014). The Application of a New Composite Elastomer Material in Rubber Tracks. In Advanced Materials Research (Vols. 881–883, pp. 837–840). Trans Tech Publications, Ltd. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.881-883.837.
25. https://www.drive2.ru/o/b/539117765085102211/
26. https://findpatent.ru/patent/270/2706852.html.
27. https://new-science.ru/novyj-metod-izbavleniya-ot-lunnoj-pyli/
