Exhaust Jet — Dust Layer Interaction During a Lunar Landing

Abstract

Although our present knowledge of the lunar environment is rather incomplete, it appears very likely that there exists on the moon a dust layer of limited depth. A spacecraft landing on such a surface would cause erosion and possibly a local dust storm, since the retrograde rockets would interact with the surface in the final phase of the descent. The paper defines a theoretical model to describe the erosion and subsequent transport of dust in the vicinity of the landing vehicle. Available experimental information is examined, and a more complete description of the exhaust jet — dust layer interaction is established. Particular attention is paid to three important phases of the problem:

• a) The gas dynamics of the exhaust

• b) The mechanics of the surface erosion

• c) Visibility through the dust cloud

It is shown that the Mach number and Reynolds number of the exhaust flow, together with certain dust parameters determine the character of the erosion. The shape of the crater caused by this erosion is calculated and shown to be in qualitative agreement with the experimental results. The extent of the dust cloud and visibility through the cloud are shown to depend on the size of the particles, the depth of the dust layer, and the location of the vehicle above the surface.

Résumé

Bien que nos connaissances actuelles de l’environnement lunaire soient assez incomplètes, il est très probable qu’une couche de poussière de profondeur limitée éxiste sur la Lune. Un astronef atterrissant sur une pareille surface, y provoquera l’érosion et peut-être même une tempête locale de poussière, puisque durant la phase finale de la déscente il y aura interaction entre les fusées rétrogrades et la surface. La présente communication définit un modèle théorique pour décrire l’érosion et le transport de poussière qui s’ensuit au voisinage du véhicule atterrissant. Les données expérimentales disponibles sont éxaminées et une description plus complète est donnée de l’interaction veine d’échappement — couche de poussière. Une attention spéciale est accordée à trois phases importantes de ce problème

• a) La dynamique des gaz d’échappement

• b) le mécanisme de l’érosion de la surface, et

• c) la visibilité au travers du nuage de poussière.

Il est montré que les nombres de Mach et de Reynolds du flux d’échappement définissent avec certains paramètres de la poussière le caractère de l’érosion. La forme du cratère résultant de cette érosion est calculée, et il est prouvé qu’elle est en accord qualitatif avec les résultats expérimentaux. Il est démontré que l’éxtension du nuage de poussière et la visibilité au travers de celui-ci dépendent de la dimension des particules, de la profondeur de la couche de poussière et de la position du véhicule au dessus de la surface.

Aбстрактный

Несмотря на то,что современное знание лун-ного ландшафта еще довольно несовершенно,кажется весьма вероятным существование на ее поверхности слоя пыли ограниченной толщины.При посадке на такую поверхность космический корабль вызовет эрозию и,возможно,местную пылевую бурю,так как во время окончательной фазы посад-ки ракетные двигатели будут взаимодействовать с лунной поверхностью.Рассмотрим имеющиеся экспериментальные данные и более совершенное описание взаимодействия с пылевым слоем. Особое внимание обращено на три фазы этой задачи:

• a) механизм поверхности эрозии

• b) механизм поверхностной эрозии,и

• c) видимость сквозь пылевое облако.

Показано,что числа Маха и Рейнольдса,вместе с нескольки-ми параметрами пыли,определяют характер эрозии.Расчитана форма образовавшегося в следствие эрозии кратера и показа-но что этот расчет качественно соответствует эксперименталь-ным результатам.Показано также,что протяжение пылевого облака и видимость через него зависят от глубины пылевого слоя,от размера пылевых частиц и от положения космическо-ко корабля над его поверхностью.

Aero-Space Engineer.