Автоматические станции «Луна-16 и -20» имели одинаковые буровое оборудование и грунтозаборное устройство, позволившие им взять пробу лунного грунта с глубины до 35 см. Грунтозаборное устройство станции «Луна-24» обеспечило бурение и взятие пробы грунта с глубины до 2 м.

Грунтозаборное устройство автоматических станций «Луна-16 и -20» состояло из бурового станка; штанги, на которой он укреплен, и приводов, перемещающих штангу в вертикальном и горизонтальном направлениях. Рабочим органом станка служило буровое устройство, предназначенное для бурения и отбора керна в горных породах как твердых, так и рыхлых.

По окончании бурения пробоотборник извлекался из грунта и вводился вместе с образцом грунта в специальный контейнер автоматического герметического аппарата, возвращаемого на Землю.

Следует отметить, что, помимо решения главной задачи — отбора и доставки пробы грунта, автоматическое бурение на Луне позволяло провести оценку прочности пробуриваемого грунта. Так, например, процесс отбора пробы станцией «Луна-20» показал, что, несмотря на меньшую плотность грунта в месте бурения и однородность структуры доставленного на Землю керна, грунт на поверхности Луны выявил неоднородность своей прочности.

Одновременно с отбором образцов лунного грунта советскими автоматическими станциями привезли на Землю образцы лунных пород американские космонавты.

Наряду с фундаментальными исследованиями состава, происхождения и эволюции Луны доставленные образцы лунного грунта используются и для изучения их физико-механических характеристик.

Поскольку физико-механические характеристики обусловливаются не только строением покрова Луны но и условиями, в которых он находится, их изучение необходимо было провести в специальных установках обеспечивающих изоляцию от земной атмосферы и создание при испытаниях условий, моделирующих лунную среду.

Для изучения физико-механических свойств лунного грунта использовалась специальная приемная камера исследовательский бокс и универсальная камера ТОР-1 (рис. 19), позволившие определить комплекс характеристик грунта. В качестве примера на рис. 20 приведены результаты испытаний на пенетрацию лунного грунта и земных грунтов-аналогов.

Рис. 19. Общий вид измерительных узлов вакуумной универсальной установки ТОР-1, используемой для комплексных наземных измерений физико-механических характеристик лунного грунта. Стрелкой указано место, куда помещается образец грунта

Рис. 20. Изменение сопротивления пенетрации (Rn) лунного грунта и земных грунтов-аналогов в зависимости от изменения их коэффициента пористости (е):

1 — лунный грунт; 2 — андезито-базальтовый вулканический песок; 3 — молотый базальт; Не 20° — испытания в атмосфере гелия при нормальном давлении и температуре + 20 °C; Не 140° — испытания в атмосфере гелия при нормальном давлении и температуре + 140 °C; Vac — испытания в вакууме

Современное представление о реголите. Весь лунный шар покрыт рыхлым слоем раздробленных горных пород. Этот слой назван реголитом. Он сформировался в результате переработки коренных горных пород внешними (т. е. экзогенными) факторами. Главным экзогенным факторам, ответственным за формирование реголита, является метеоритная бомбардировка. Установлено, что в среднем масса твердых межпланетных частиц выпадающих на поверхность Луны, составляет 4 · 10–14 г/см² · с. Метеоритная бомбардировка, сопровождающаяся ударно-взрывными явлениями, взрыхляет и перемешивает грунт Луны по глубине и по площади одновременно происходят физико-химические превращения частиц грунта, их переплавление, спекание, уплотнение. Уплотнению и спеканию способствует высокий вакуум, существующий у поверхности Луны.

На лунную поверхность оказывают влияние солнечная и галактическая корпускулярная радиация, а также солнечное электромагнитное излучение.

По современным представлениям Луна находится свыше 2–3 млрд. лет в тектоническом покое и, по-видимому, нет активных внутренних (эндогенных) факторов, которые могли бы существенно влиять на условия формирования и существования реголита. Поэтому равномерное действие на поверхность экзогенных факторов обусловило похожее строение и структуру реголита по всему лунному шару и в целом усреднило физико-механические характеристики лунного грунта. Это подтверждено прямыми экспериментами, проведенными на поверхности Луны. Наблюдавшееся различие в составе и цвете морского и материкового реголита связано с различием пород, их слагающих.

В последние годы установлено, что материковые районы Луны сложены в основном из анортозитов (основной породообразующий минерал — полевой шпат). Морские породы сложены преимущественно базальтовыми породами (их основные минералы: плагиоклазы, пироксены и ильменит). По своей химической природе и те и другие породы являются алюмосиликатами, но в базальте больше железа и магния, а в анортозитах — кальция и магния. Более темный цвет базальтов обусловливает и относительно темный цвет лунных морей. Толщина слоя реголита связана с временем возникновения, с размером, формой и количеством метеоритных кратеров, которые, по существу, перекрывают всю поверхность Луны.

Слой реголита может иметь толщину от нескольких сантиметров до десятков метров. Как правило, толщина слоя реголита увеличивается в местных понижениях и снижается на склонах кратеров и на вершинах гор. В отдельных случаях дно кратера может быть почти свободно от реголита.

Гранулометрический состав (т. е. количество частиц различного размера в определенном объеме) обусловливается действием противоположно направленных процессов, связанных с метеоритной бомбардировкой, процессов дробления горных пород и агрегации раздробленных частиц.

На начальных стадиях формирования реголита ведущими являются процессы дробления. По мере уменьшения размеров частиц возрастает роль процессов агрегации, сопровождающих метеоритные удары: спекания, сплавления и переплавления. В определенный период наступает равновесное состояние гранулометрического состава. Установлено, что для мелкозернистой части реголита (с частицами менее 1 мм) средний медианный размер частиц равен примерно 60 мкм (т. е. 50 % частиц имеют размер более 60 мкм и 50 % — меньше 60 мкм).

Этот размер частиц можно считать соответствующим разновесному состоянию реголита.

Количество обломков горных пород определяется геологической ситуацией. Количество и размеры камней возрастают вблизи относительно более крупных кратеров, имеющих более свежий вид, т. е. образованных позднее других.

В составе реголита можно выделить несколько типов частиц, отражающих характер и степень экзогенной переработки исходного материала.

Мелкообломочный материал (размерами менее 1 см) состоит из остроугольных обломков первичных пород, зерен минералов и стекол. Содержание этих частиц может меняться от 20 до 80 % и уменьшается с возрастанием зрелости, т. е. времени формирования реголита и с увеличением размера фракции. Много брекчий, т. е. вторичных литифицированных (окаменевших) спекшихся и ошлакованных частиц, которые обладают обычно причудливой неправильной формой. Брекчии образуются при быстром уплотнении частиц под действием ударно-взрывных явлений и при медленном уплотнении в вакууме под действием вышележащих слоев грунта. Характерным типом частиц являются также агглютинаты — спекшиеся агрегаты сложной неправильной формы. Подобно брекчиям они содержат фрагменты кристаллических пород и зерна минералов, но отличаются заметно большим содержанием стекла и высокой степенью оплавления поверхности.

Всегда в реголите встречаются частицы вторичного стекла, содержание которых увеличивается по мере созревания реголита. Многие частицы вторичного стекла имеют форму, близкую к сферической, что указывает на их формирование в результате застывания расплава в полете, т. е. они результат разбрызгивания и затвердевания расплава, возникающего в центральной зоне метеоритных взрывов. Эти частицы являются продуктом наиболее интенсивной стадии экзогенной переработки реголита.