Design of Lunar Soil Simulant for Lunar Landing Applications and Its Mechanical Property Evolution under Impact Loading
यह अध्ययन चंद्रमा के सुदूर भाग और दक्षिण ध्रुव के लिए विशेष रूप से तैयार किए गए चांगबाई पर्वत ज्वालामुखी राख-आधारित चंद्र मृदा सिमुलेंट को विकसित करता है, जो विभिन्न ढलानों पर प्रभाव परीक्षणों के माध्यम से यह प्रदर्शित करता है कि लैंडिंग ग्रेडिएंट प्रभाव के बाद के यांत्रिक गुणों के स्थानिक वितरण को महत्वपूर्ण रूप से परिवर्तित करते हैं, जिसमें ढलान के ऊपर की ओर शियर स्ट्रेंथ (कतरनी शक्ति) कमजोर होती है और ढलान के नीचे की ओर मजबूत होती है जब तक कि वह 8° से परे स्थिर नहीं हो जाती।
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कल्पना कीजिए कि आप चंद्रमा की सतह पर खड़े हैं, और एक ऐसे परिदृश्य को देख रहे हैं जिसे कभी किसी मानव पदचिह्न ने छुआ नहीं है। आपके नीचे की जमीन पृथ्वी की मिट्टी जैसी नहीं है; यह महीन, नुकीली धूल और टूटी हुई चट्टानों की एक परत है, जो अरबों वर्षों में अंतरिक्ष के पत्थरों के निरंतर बमबारी और अंतरिक्ष के कठोर निर्वात द्वारा निर्मित हुई है। यह सामग्री, जिसे चंद्र रेगोलिथ (lunar regolith) के रूप में जाना जाता है, ऐसे तरीकों से व्यवहार करती है जिनका पूर्वानुमान लगाना कठिन है। जब कोई अंतरिक्ष यान उतरता है, तो उसके भारी पैर इस धूल में धंस जाते हैं, और जमीन जिस तरह से खिसकती है, संकुचित होती है या बगल की ओर विस्थापित होती है, वही यह निर्धारित करता है कि जहाज स्थिर खड़ा रहेगा या पलट जाएगा। दशकों से, वैज्ञानिक प्रयोगशालाओं में पृथ्वी पर इस विदेशी जमीन को फिर से बनाने का प्रयास कर रहे हैं ताकि लैंडिंग गियर का परीक्षण किया जा सके, लेकिन उनके अधिकांश मॉडल चंद्रमा के उस हिस्से की मिट्टी की विशेषताओं पर आधारित थे जिसे हम देख सकते हैं। अब, उन मिशनों के साथ जो चंद्रमा के अंधेरे, छिपे हुए दूरस्थ भाग (far side) और बर्फीले दक्षिणी ध्रुव को लक्षित कर रहे हैं, इंजीनियरों को एक नए प्रकार के परीक्षण स्थल की आवश्यकता है जो उन विशिष्ट क्षेत्रों की अनूठी, ऊबड़-खाबड़ प्रकृति से मेल खाता हो।
बीजिंग इंस्टीट्यूट ऑफ स्पेस मैकेनिक्स एंड इलेक्ट्रिसिटी के एक शोधकर्ता ने इस चुनौती को स्वीकार करते हुए चंद्रमा की सतह के लिए एक नया, अत्यधिक सटीक विकल्प विकसित किया है। उन्होंने चीन के चांगबाई पर्वत की ढलानों से एकत्र की गई ज्वालामुखीय राख (volcanic ash) से शुरुआत की, एक ऐसी सामग्री जो चंद्रमा के दूरस्थ भाग और विशाल दक्षिण ध्रुव-एटकिन बेसिन में पाई जाने वाली चंद्र मिट्टी के समान खनिज संरचना साझा करती है। इस राख को कुचलकर, पीसकर और विशेष आकारों में सावधानीपूर्वक छाँटकर, उन्होंने एक ऐसा मिश्रण तैयार किया जो वास्तविक चंद्र जमीन की बनावट और व्यवहार की नकल करता है। इस नए पदार्थ की लैंडिंग के प्रति प्रतिक्रिया का परीक्षण करने के लिए, उन्होंने अपने सिम्युलेटेड (simulated) मिट्टी से भरे एक विशाल, दस-मीटर-चौकोर सैंडबॉक्स का निर्माण किया। इसके बाद, उन्होंने एक चार-पैर वाले लैंडर के मॉडल को 2.5 मीटर प्रति सेकंड की वास्तविक लैंडिंग गति का अनुकरण करने वाली ऊंचाई से गिराया। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने लैंडर को केवल समतल जमीन पर ही नहीं उतारा; उन्होंने लैंडर का परीक्षण चार डिग्री, आठ डिग्री और बारह डिग्री के ढलानों पर किया ताकि यह देखा जा सके कि भूभाग के कोण ने परिणाम को कैसे बदला।
परिणामों ने एक ढलान पर लैंडिंग के प्रति जमीन की प्रतिक्रिया में एक चौंकाने वाला पैटर्न प्रकट किया। जब लैंडर ने एक समतल सतह पर लैंड किया, तो चारों पैर लगभग एक ही समय पर जमीन से टकराए, और प्रत्येक पैर के नीचे की मिट्टी समान रूप से संकुचित हुई। हालांकि, जैसे-जैसे ढलान बढ़ी, कहानी पूरी तरह बदल गई। जो पैर सबसे पहले जमीन से टकराया, यानी पहाड़ी के ऊपरी हिस्से में, उसने एक अलग तरह का प्रभाव अनुभव किया। क्योंकि लैंडिंग के क्षण में लैंडर अभी भी ढलान की ओर थोड़ा फिसल रहा था, इसलिए ऊर्जा का एक बड़ा हिस्सा मिट्टी को सीधा नीचे दबाने के बजाय उसे बगल की ओर धकेलने में चला गया। इससे पहाड़ी वाले पैर के नीचे की मिट्टी ढीली और कमजोर हो गई, जिससे जहाज का भार सहने की उसकी क्षमता कम हो गई। इसके विपरीत, जो पैर सबसे अंत में जमीन से टकराया, यानी पहाड़ी के निचले हिस्से में, वह तब टकराया जब लैंडर पहले ही स्थिर हो चुका था। इस पैर ने सीधे नीचे की ओर अधिकतम बल के साथ प्रहार किया, जिससे मिट्टी कस गई और एक बहुत मजबूत, अधिक सघन आधार बन गया।
संकुचन (compaction) के इस अंतर ने लैंडिंग स्थल के आर-पार एक स्पष्ट ग्रेडिएंट (gradient) बना दिया। पहाड़ी वाले पैर के नीचे की मिट्टी काफी अधिक छिद्रपूर्ण और नाजुक रही, जबकि निचले पैर के नीचे की मिट्टी काफी घनी और मजबूत हो गई। शोधकर्ता ने पाया कि यह पैटर्न एक बार आठ डिग्री की ढलान तक पहुँचने के बाद स्थिर हो गया; इससे अधिक तीव्र ढलानों ने इस असमान वितरण की मौलिक प्रकृति को नहीं बदला। निचले पैर के नीचे की मिट्टी का 'वॉयड रेशियो' (void ratio), जो कणों के बीच खाली स्थान की मात्रा का माप है, पहाड़ी वाले हिस्से की तुलना में कम था, जिसका अर्थ है कि कण बहुत करीब से पैक किए गए थे। यह असमान जमाव भविष्य के मिशनों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि ढलान पर लैंडर समान रूप से नहीं बैठेगा; एक तरफ का हिस्सा दूसरी तरफ की तुलना में कम धंसेगा, जिससे पूरे अंतरिक्ष यान के झुकने की संभावना बढ़ सकती है।
शोधकर्ता ने यह भी पुष्टि की कि उनका ज्वालामुखीय राख का मिश्रण वास्तविक चीज़ का एक उत्कृष्ट विकल्प था। उनके कणों का आकार चांग'ई-5 (Chang'e-5) मिशन द्वारा लाए गए नमूनों में पाए जाने वाले रेंज से मेल खाता था, और उनकी यांत्रिक शक्ति अपोलो मिशनों द्वारा लाई गई मिट्टी की सीमा के भीतर थी। सिम्युलेटेड मिट्टी वास्तविक चंद्र जमीन की तरह ही व्यवहार करती थी, जो दबने पर आपस में जुड़ने और दबाव में खिसकने की समान प्रवृत्ति दिखाती है। यह सिद्ध करके कि लैंडिंग की ढलान पहाड़ी के ऊपर कमजोर मिट्टी और पहाड़ी के नीचे मजबूत मिट्टी का एक अनुमानित क्षेत्र बनाती है, यह कार्य भविष्य के लैंडर डिजाइन करने वाले इंजीनियरों के लिए एक महत्वपूर्ण मार्गदर्शिका प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि चंद्रमा के दक्षिण ध्रुव या दूरस्थ भाग के असमान भूभाग पर सुरक्षित रूप से लैंड करने के लिए, अंतरिक्ष यान के स्थिरता गणनाओं को इस असमान संपीड़न (uneven compression) को ध्यान में रखना चाहिए, ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि जहाज उस झुकाव को झेल सके जो पहाड़ी पर लैंड करने से उत्पन्न होता है जहाँ जमीन स्वयं एक समान नहीं है।
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