Помните фильм Марсианин? А ровер, на котором он катался? Вспомните его кабину:
Развитое остекление, плоские стекла. Плоские стекла дают минимум искажения, потому до последнего времени в пилотских кабинах пассажирских самолетов применялись как раз плоские иллюминаторы.
Плюс технология изготовления криволинейных стекол с хорошими оптическими характеристиками до последнего времени была очень сложной и дорогой. Хотя все меняется:
Но интересно другое - форма. Форма должна обеспечивать максимальную обзорность с некоторым акцентом на "вперед и вниз" - видеть ВПП на взлете и посадке. Форма - прямоугольники, трапеции, различные скругленные формы:
Это объясняется углами обзора и особенностями бинокулярного зрения человека. И только очень иногда, для вспомогательного остекления применяют треугольную форму, если она "зажата" силовыми элементами. Причем все равно стараются треугольник расположить вершиной вверх, основанием вниз.
Вернемся к роверу из Марсианина. Восемь треугольных стекол/иллюминаторов, два трапециевидных, и плоские панели, образующие кабину. А ведь там же избыточное давление, примерно равное 1 кгс/см2.
У художественного фильма должна быть зрелищность и привлекательность для зрителя. И что бы зритель впечатлился. Из этих соображений ровер должен быть "визуально мощным", "визуально надежным" , "визуально прочным". Вот в этом - "визуальной прочности" - видимо и "зарыта собака".
С чем сталкивается обыватель в обычной жизни - прочным и надежным? Мосты, опоры ЛЭП, строительные металлоконструкции больших сооружений.
Везде "силовые треугольники". У не специалиста, да и у специалиста то же, подобные конструкции, да и просто подобные формы вызывают ощущение прочности и надежности.
Видимо это было одним из аргументов при выборе дизайна ровера.
Теперь вернемся к работе на внутреннее давление. В оболочке, нагруженной растяжением, любой вырез является концентратором напряжений - то есть он усиливает действующие напряжения. Наименьшее усиление напряжений (наименьший концентратор) дает круглый вырез. Затем следуют многоугольники со скругленными углами, квадраты со кругленными углами, прямоугольники со скругленными углами, треугольники со скругленными углами. Худший вариант - это острые углы, с малым радиусом скругления.
В свое время произошла серия авиакатастроф с самолетами "Комета" - как раз из за прямоугольных иллюминаторов.
Иллюминаторы на космических аппаратах - не украшение. У них есть вполне определенное назначение, основная функция, которую они должны выполнять. Это основное требование. За основными требованиями следуют требования надежности, минимального веса. Это - дополнительные требования. И лишь затем - различные второстепенные.
Взглянем теперь на иллюминаторы Лунного Модуля.
Насколько функциональны?
При посадке. Если аппарат опускается на поверхность двигателем и опорами вниз, то положение иллюминаторов - вершиной вниз - никак не способствует обзору поверхности. Если модуль перед посадкой летит двигателем вперед (для торможения) то опять же, вперед по ходу движения направлена вершина иллюминатора, и хорошему обзору подвергаются места, которые модуль уже пролетел.
При взлете. Не очень понятно, что нужно смотреть при взлете, но обзор вперед и вверх был бы значительно лучше, нежели вниз, но немного портит картину наклон иллюминатора в вертикальной плоскости.
При стыковке. Для стыковки есть специальный иллюминатор в средней части пилотской кабины, в ее верхней части.
Но как дизайнерское решение - треугольные иллюминаторы смотрятся очень интересно.
Ни у кого такого не было и вряд ли когда будет. Даже на МКС смотровой купол собран из круглого и трапециевидных, со скругленными краями, иллюминаторов.
Вернемся к ЛК-3. А как реализовано у него?
Все достаточно скучно и не оригинально. Круглый иллюминатор. Смотрит наклонно вниз - здесь с ЛМ они похожи - углом наклона иллюминатора. Что бы так наклонно разместить круглый иллюминатор выполнена вогнутая сферическая поверхность - как мы помним из первой части, на внешнее давление сферическая поверхность то же работает достаточно хорошо, а для данной вогнутой поверхности давление выглядит как "внешнее".
Есть несколько "служебных" иллюминаторов, предназначенных для звездной и солнечной навигации и ориентации, а так же иллюминаторы для стыковки с орбитальным модулем.
Для "очумелых ручек".
Любой из вас может провести простенький эксперимент. Взять непрозрачный материал - например, бумагу или картон - шириной около полуметра и длиной в метр. Три отдельных куска. Вырезать в одном треугольник вершиной вниз, во втором - круг, в третьем - квадрат или прямоугольник. Примерно равной площади.
Сесть в автомобиль. По очереди прикладывать вырезанные имитации иллюминаторов к лобовому стеклу и пробовать рассмотреть дорогу. Ни в коем случае не пытаться ехать! Рассматривать всякие возможные неровности, ямки и камешки, которые случайно попасть под колеса. Потом самостоятельно сделать выводы - какая форма иллюминатора лучше. Может быть это будет треугольная, вершиной вниз...
Посмотрим теперь на опоры.
Не все "шасси" целиком, а только то, что соприкасается с грунтом.
По поводу "заворачивания в пленку". На освещенной солнцем стороне Луны ее поверхность и находящиеся там предметы нагреваются выше 100 градусов (до 127 градусов Цельсия - пишут различные справочники). Для человека это очень высокая температура, но для алюминиевых сплавов - не так уж и много. При нагреве прочность снижается, но это единицы процентов на таких температурах.
Более того, максимальную нагрузку опоры испытывают только один раз - в момент касания грунта. После этого, если даже опора потеряет большую часть прочности, то это никак и не на чем не скажется. Температура опоры перед касанием будет определяться ее равновесной температурой открытого окололунного пространства - количество энергии от Солнца, количество отраженной/переизлученной от Луны и излученная в открытое пространство.
Значит что то есть другое в этом "стыдливом" заворачивании в пленку. Возможно, что бы отвлечь от чего то другого.
Как работает опора? Не обязательно лунная - любая опора на грунте.
Есть сосредоточенная нагрузка Р, которая приложена, как правило, к центру опоры. Есть ответная реакция грунта, распределенная по площади опоры q. В опоре возникают напряжения - изгиба и сдвига.
Эпюры перерезывающей силы и изгибающего момента будут примерно такие в любых двух взаимно перпендикулярных диаметрах (если опора круглая) или осевых линиях (если опора квадратная):
Потому для установки на плоскую поверхность "идеальной" опорой будет плоский лист с развитыми подкреплениями, по форме примерно похожими на эпюру изгибающего момента.
Вогнутая поверхность в первый момент дает малую площадь опоры, но по мере погружения в грунт эта площадь увеличивается. Большой радиус имеет преимущество перед малым.
Но почти все виды грунтов (сыпучие, вязкие, вязко-пластичные) при приложении к их поверхности нагрузки пытаются выскользнуть из под опоры.
Что бы уменьшить этот эффект, по периметру делают направленный вниз выступ или бурт. У обуви, предназначенной для хождения по плохим грунтам такой периметр протектора часто присутствует.
Для предотвращения выскальзывания лучший вариант - плоский с буртом, худший - сфера с малым радиусом.
Еще одно требование для опоры - "самоустанавливаемость". Это требование разделяется на два - свобода в шарнире крепления к "шасси" и форма опоры.
Свобода крепления должна быть достаточная, для установки в нужное положение при неровном грунте, но не чрезмерная, что бы опора не пришла ребром в грунт.
Форма опоры для "самоустановки" - различные вариации сферической поверхности.
Посмотрим теперь еще раз на опоры двух аппаратов.
ЛК-3
Сферическая поверхность с большим радиусом - компромисс между "самоустанавливаемостью" и возможным выдавливанием грунта.
По массе - сферическая поверхность с подкреплениями, сведенными в центр приложения нагрузки - то же оптимум.
ЛМ
Меньший относительный радиус, отсутствуют подкрепления - борьба за большую массу, как и с кабиной экипажа?
Кроме того, если судить по фото, то радиус уменьшается от центра к краям - этакая "форма сковородки". Это что бы облегчить выскальзывание грунта?
Может потому так старательно и "стыдливо" заворачивают опоры в блестящую пленку?
Какой элемент конструкции ЛМ не возьми - вопросы, вопросы...
Посмотрим немного решений опор из других областей человеческой деятельности.
Продолжение в следующей части...
