Что общего у бурения и космических полетов
Что общего у бурения и космических полетов
Рисунок 1. Буровая установка для бурения скважин на Луне (общий вид).
Бурение скважин на луне, для изучение состава горных пород лунной поверхности. Проект Geofpro moon. Обустройство Лунной базы.
Для изучения состава горных пород Лунной коры, на первоначальной стадии, возможно применение различных методов:
Бурение скважин, один из важнейших этапов в процессе освоения Лунной поверхности.
Во время бурения скважины происходит отбор образцов Лунного грунта – керна, и анализ выбуренной горной породы – шлама. Отбор керна позволит дать точное описание состава горных пород поверхности луны. По результатам бурения возможно произвести оценку физико-механических свойств Лунного грунта.
В настоящее время, бурение скважин на Луне было выполнено в ходе Лунных программ США и СССР. На данный момент, длина самой глубокой скважины составляет 2 метра. Изучение свойств поверхности Луны проводилось и различными геофизическими (сейсмическими) методами. Предполагается, что на глубине до 20 м залегает Лунный реголит, ниже толща базальта, крепкой монолитной горной породы.
В проекте Geofpro moon, представлены три серии буровых установок различного применения, лёгкая, средняя, и тяжёлая.
Лёгкая серия, с глубиной бурения до 16 метров. Буровая установка смонтирована непосредственно на посадочном модуле. Возвращаемый модуль (спасательная камера) служит для доставки образцов горной породы на землю. Буровая установка работает полностью в автоматическом режиме.
Средняя серия состоит из самоходной буровой установки, с глубиной бурения до 30 метров. Проектом предусмотрено бурение сетки разведочных скважин. Для извлечения сменного барабана с образцами горной породы используется дополнительный луноход. На отдельном транспортном средстве расположена установка для проведения геофизических исследований в уже пробуренных скважинах.
Третья часть проекта Geofpro moon предусматривает доставку на Луну более тяжёлой стационарной буровой установки с глубиной бурения до 100 м. Буровая установка оборудована всеми необходимыми узлами и механизмами для бурения скважины в автоматическом режиме.
Особое внимание уделено проектированию принципиальной схемы автоматической буровой установки, её основных узлов и механизмов.
Подача инструмента и передача осевой нагрузки на забой скважины осуществляется при помощи подвижного вращателя, смонтированного на мачте буровой установки. Наращивание бурильных труб, замена алмазных коронок, подача обсадных труб происходит при помощи специального автоматического подающего устройства.
Для предотвращения обрушения стенок скважины, верхние неустойчивые участки горных пород, представленных реголитом, планируется изолировать обсадной колонной. Отбор керна производиться двойной колонковой трубой со сменным керноприёмником.
Буровая установка оснащена блоком АСУ ТП (автоматическая система управления технологическим процессом). Проектом предусматривается разработка компьютерных программ для управления буровой установкой и технологическим процессом.
Этапы проекта Geofpro moon:
Drilling wells on the moon, to study the composition of rocks of the lunar surface. Project Geofpro moon.
To study the composit ion of the lunar crust rocks at the initial stage, it is possible to use various methods:
1) geophysical surveys
2) drilling of exploration wells with coring, with subsequent geophysical studies directly in the well,
3) development of mine workings (pits, ditches).
Буровая установка оборудована керноприёмным устройством (для бурения на Луне).
На шасси буровой установки расположены все необходимые узлы и агрегаты. Между блоками (белый цвет) установлен механизм для контроля температуры в рабочих органах буровой установки.
Рисунок 2. Для закрепления буровой установки на Лунном грунте предусматривается использование анкерных устройств. Главным образом они должны предотвращать смещение буровой установки, вследствии передачи крутящего момента.
Наращивание бурового инструмента происходит при помощи специального барабанного устройства.
Осевое усилие на забой скважины передаётся при помощи подвижного вращателя. Передвижение вращателя обеспечивают два электродвигателя, смонтированных на его корпусе.
Мачта буровой установки. Для управления и контроля процессов бурения скважины на Луне, буровая установка оборудованна средствами связи.
Устройство для подачи бурового инструмента к рабочим органам буровой установки.
Рисунок 3. Space (moon) drilling rig. Space robot (drilling rig).
Бурение скважин в космосе. Обустройство лунной базы.
Буровая установка для бурения скважин на Луне, Марсе (в космосе).
Буровая установка предназначена для бурения разведочных скважин на космических объектах, глубиной до 30 метров, с отбором керна. Буровая установка производит работы в автоматическом режиме.
Алмазная коронка.
Бурение скважин на Луне планируется осуществлять алмазной импрегнированной коронкой.
Двойной клонковый набор.
Бурение скважин предусматривается двойной колонковой трубой со сто процентным отбором керна.
Проектом предусматривается разработка технологии бурения сети геологоразведочных скважин на поверхности Луны.
Предполагаемая глубина скважин 30 м.
Бурение скважины ведётся со 100 % отбором керна (фактически 85 – 98 %). Высокая сохранность керна обеспечивается за счет незначительной длины рейса (величины проходки за один цикл, не более 50 см), и применением двойной колонковой трубы, со специальным керноприёмным устройством. Разрушение горной породы предусматривается производить алмазной импрегнированной коронкой с увеличенной длиной рабочей части. Охлаждение алмазной коронки происходит за счёт естественной отдачи тепла бурового инструмента массиву горной породы, так же нагреву до критических температур препятствует не значительная длина рейса, соответственно не значительное время работы алмазной коронки на забое скважины. Геологическим заданием намечено вскрытие и опробование базальтового слоя.
Для предотвращения обрушения стенок скважины, верхние неустойчивые участки горных пород, представленных реголитом, планируется изолировать обсадной колонной. По завершению бурения, в стволе скважины возможно проведение геофизических работ.
Особое внимание уделено проектированию принципиальной схемы автоматической буровой установки, её основных узлов и механизмов. Буровая установка полностью механическая с электрическим приводом (без гидравлики), что гарантирует её работоспособность в широком диапазоне температур.
Подача инструмента и передача осевой нагрузки на забой скважины осуществляется при помощи подвижного вращателя, смонтированного на мачте буровой установки. Наращивание бурильных труб, замена алмазных коронок, подача обсадных труб происходит при помощи специального автоматического подающего устройства. Важную роль в процессе сооружения скважины играет автоматический элеватор, осуществляющий захват бурильных труб и бурового инструмента. Свинчивание и развинчивание колонны бурильных и обсадных труб происходит при помощи специального «рабочего стола», который обеспечивает захват и удержание колонн в автоматическом режиме.
Для фиксации буровой установки на лунном грунте, буровая установка оснащена анкерным устройством. Основная его функция заключается в предотвращении горизонтальных перемещений буровой установки вследствие передачи крутящего момента от агрегатов установки на буровой инструмент. Приём и упаковка керна в извлекаемое сменное устройство производиться при помощи автоматического керноприёмного агрегата. Узлы и механизмы буровой установкой оснащены бесконтактными электродвигателями, обеспечивающих выполнение основных функций этих устройств, при сооружении скважины. Источником энергии буровой установки служит Радио Изотопный Термо Электрический Генератор РИТЭГ. Буровая установка дополнительно оснащена устройством контроля температуры в основных рабочих узлах и агрегатах. Буровая установка смонтирована на транспортной базе, позволяющей свободно перемещаться по лунной поверхности. В состав буровой установки входит блок АСУ ТП (автоматической системы управления технологическим процессом) и средства связи.
Automatic (robot) drilling rig
Цифровой двойник технологического процесса бурения скважины ГЕОФПРО 2Д GEOFPRO Digital drilling
Ни для кого не секрет, что за последние пару лет человечество активно старается покинуть свой дом. Большинство устремлений землян направлены в космос, который одновременно манит к неизведанному и также пугает, всякого, кто в нем оказался.
реклама
Почему хотят покинуть Землю? Ответов на этот вопрос много. Начиная от перенаселения планеты, ухудшения экологии, до поиска запасного дома, на случай если этот разрушит своя же жизнедеятельность, майнеры, стихийные бедствия или прилетевший из космоса метеорит.
Также на единственном спутнике Земли и ближайшем Марсе могут быть полезные ископаемые и залежи редких металлов или не известных химических элементов, которые бы пригодились здесь в производстве различного рода товаров.
Сейчас идет отчаянная гонка за первенство стран по колонизации ближайших планет и Луны. Участвуют в ней как государства, такие как: США, Россия, Китай, ОАЭ, Индия, так и отдельные частные компании. Кто первый поставит свой флажок на дальней орбите – того и ресурсы. Не малую роль здесь также играет и престиж страны, и весь научно-космический комплекс.
реклама
Манекен Starman совершает полный оборот вокруг Солнца каждые 557 земных дней. Ученые считают, что в конечном итоге в течение следующих нескольких десятков миллионов лет автомобиль будет притянут к себе Венерой или Землёй, если его не приберут к рукам раньше внеземные формы жизни.
Сейчас наиболее перспективной компанией по межпланетным перелетам считается – SpaceX. Хотя она и самая рекламируемая. Возможно в других странах, например в ОАЭ или Китае работают на публику меньше, а делают больше. Но в 2020-м году Илон Маск заявил, что первый человек ступит на Марс в 2026 году. А если повезёт, то это может произойти уже в 2024 году.
реклама
Доставить первых землян к красной планете должен аппарат – Starship, работы по созданию которого уже ведутся давно. И в августе этого года SpaceX выкатила сверхтяжёлую ракету Super Heavy с 29 двигателями Raptor на свою стартовую площадку для проведения первых испытаний.
Размеры Super Heavy потрясают воображение. Это 70-метровая ракета, которая представляет собой первую ступень многоразовой космической транспортной системы Starship. На ракету сверху будет установлен 50-метровый корабль Starship, финальная версия которого, будет оснащена шестью двигателями Raptor.
реклама
В арсенале SpaceX есть также и другие ракеты, задача который доставка полезной нагрузки на околоземную орбиту и МКС. К такой ракете относится Falcon 9, которая доставляет космический корабль Dragon к МКС, а затем благополучно совершает самостоятельную посадку на одну из плавучих платформ в океане, чтобы затем взлететь сново.
Предполагаемое количество полетов Falcon 9 равно пяти, но в SpaceX работают над увеличением данной цифры. Falcon 9 толкая Dragon к МКС, дает возможность доставки двух тонн грузка, куда кроме оборудования входят и продукты питания для космонавтов на МКС. Поэтому она еще и «кормилица».
Вот так одна частная компания делает больше, чем целиком некоторые государства государства разных стран. Сейчас основными конкурентами SpaceX являются Россия и Китай. Последний очень агрессивно наступает всем на пятки. Китайский марсоход «Чжужун» уже делает своим первые шаги по Марсу, а в планах компартии Китая вообще собрать на орбите Земли космический корабль, для более дальних путешествий, но это уже другая тема для разговора.
Если бы Илон Маск занялся разработкой графических процессоров, он бы в течении пары лет удовлетворил бы весь спрос и накормил и майнеров и геймеров и свою Теслу. ТТак может быть попросим об этом Илона?
Ресурсы в космосе: как израильский стартап и компания из США планируют добывать кислород и воду на Луне?
В последнее время Луне уделено колоссальное внимание: полеты к ней, высадка человека, создание станции на орбите, исследование льда под реголитом, а уж проекты своих лунных баз не представили только страны, уж очень далекие от космических исследований. С одной стороны – это весьма амбициозные проекты, успешная реализация которых может начать новую эру в космонавтике, а возможно и стать началом колонизации космоса. Но с другой стороны, пока еще хватает проблем как в материальном, таки и в техническом плане. Одна из них – это ресурсы, которые доставлять на ту же гипотетическую базу с Земли будет чертовски сложно и невыгодно. Решение видится очевидным но не совсем простым – добыча всего необходимого на месте.
Эту аббревиатуру следует проговаривать исключительно по буквам. Расшифровка – In-Situ Resource Utilization, т. е. использование местных ресурсов или ресурсов на месте. Такая концепция подразумевает добычу полезных ископаемых, строительных материалов, воды и воздуха для людей, компонентов топлива для ракет прямо на другой планете, спутнике, астероиде или на любом другом космическом теле, которое угораздит быть колонизированным.
В каком-то смысле под концепцию ISRU попадает использование солнечных панелей – все-таки энергия добывается, так скажем, из “местного вида топлива”, которым выступает солнечный свет.
Но помимо энергии, для создания колонии критически важна вода, которая по сути есть жизнь. Но еще это возможность получить кислород, необходимый для дыхания и выступающий окислителем ракетного топлива, и водород. Помимо этого, для строительства инфраструктуры и создания производства можно будет использовать реголит. К примеру на Луне он содержит до 45% кислорода, а также алюминий, кремний, железо, кальций и т. д. – вне всякого сомнения полезные вещи, которые однозначно пригодятся для колонистов.
Примерное распределение веществ в лунном грунте.
Перспективы, в принципе, заманчивые, но на данный момент пока все скромно. На Земле тестируются прототипы добывающих машин, создаются условия, близкие к марсианским или лунным и планируются ближайшие экспедиции. Но помимо планов, кое-чем уже можно похвастаться.
В одной из предыдущих статей я рассказывал об установке MOXIE, которую на своем борту несет марсоход «Настойчивость». Этот небольшой прибор приступил к работе в апреле этого года и успешно сгенерировал 5 г кислорода прямо из атмосферы Марса. Это скромный, но показательный результат – добывать ресурсы на других планетах и спутниках можно, а полученные экспериментальные данные будут использовать для создания полноценных установок, которые смогут генерировать кислород не только для дыхания, но и в качестве окислителя ракетного топлива.
Схема узлов MOXIE. Источник: NASA
Но вернемся от Марса к Луне. Здесь основной источник ресурсов – реголит и водяной лед, находящийся под ним. Ближайшие кандидаты, которые, возможно, смогут продемонстрировать добычу кислорода и воды – израильский стартап Helios и компания Masten Space Systems. По крайней мере первый заключил контракт с японской компанией Ispace на полет к Луне в 2023 году, а вторая – один из претендентов на победу в конкурсе NASA по концепции добычи ледяного льда на Луне. И о каждом проекте чуть поподробнее.
Rocket M от Masten
В ноябре 2020 года НАСА объявило о запуске инициативы-конкурса Break the Ice Lunar Challenge. Его основная цель – создание новых технологий по добыче водяного льда из-под реголита для обеспечения полноценного присутствия человека на Луне. В августе этого года будет объявлен победитель первого этапа.
Многие ставят на Masten Space Systems и их луноход-харвестер Rocket M. Он представляет собой аппарат массой 1 118 кг, может двигаться со скоростью до 3,5 км/ч по пересеченной местности с уклоном в 20%. Спуск на Луну будет осуществляться на платформе, которая также разработана в Masten, и будет выступать техническим постом для обслуживания лунохода.
Моделирование Rocket M. Источник: Masten Space Systems
Принцип работы основан на кратковременных импульсах до 0,5с ракетного двигателя тягой 50 кг, установленного на луноходе. По прибытию в нужную точку, аппарат раскроет металлический герметичный купол, в центре которого будет расположено сопло двигателя. Реактивный факел будет измельчать породу и испарять находящийся в ней лед. Система добычи Rocket M будет улавливать все это, пропуская через фильтры, сепараторы и циклоны, после чего очищенную смесь нагревают для испарения воды, которая потом осядет в виде льда на специальных пластинах. Полученный в процессе очистки реголит также планируют в дальнейшем использовать.
С помощью реактивной струи планируют пробурить отверстия глубиной до двух метров – по предварительным данным, основная часть льда залегает именно на такой глубине. Весь цикл, начиная с бурения, заканчивая очисткой займет до 10 минут. По расчетам специалистов компании, один кратер может дать до 100 кг льда, а сам Rocket M совершить до 12 циклов бурения в сутки. Если луноход будет работать без выходных, то сможет добыть порядка 400 т лунного льда за год, а если все это еще перемножить на заявленные пять лет работы, то цифры получатся внушительные.
Правда не весь добытый лед пойдет на нужды будущих колонистов, Rocket M оставит определенную часть для себя, чтобы использовать электролиз для получения водорода и кислорода – двигателю ведь нужно будет на чем-то работать. Разработчики также планируют измельчать отработанный реголит и использовать его в дальнейшем для строительных целей.
Пока что были проведены тестовые испытания с грунтом на Земле, состав которого постарались сделать аналогичным лунному. Эксперименты показали, что концепция, по крайней мере, в земных условиях работает.
Испытания «реактивного бурения» в земных условиях. Источник: Masten Space Systems
Разработка Masten Space Systems выглядит красиво и универсально – такой объем добычи, при том, что система в принципе автоматизирована, сама обеспечивает себя топливом и может производить потенциальный строительный материал. Но на деле может оказаться не все так гладко. Как всегда, для проверки нужно лишь немного подождать – точной даты испытаний нет, но поскольку первый этап Break the Ice Lunar Challenge заканчивается меньше чем через месяц, ждать осталось недолго.
Израильский гелий на добычу лунного кислорода
Как уже упоминалось выше, лунный грунт может содержать до 45% кислорода, но это кислород, который входит в состав соединений с другими элементами реголита – кальцием, железом, алюминием и т. д.
Молодая израильская компания Helios предложила добычу кислорода из лунного грунта с помощью электролиза расплавов оксидов. Процесс аналогичен электролизу воды, единственный нюанс, который вытекает из самого названия – оксиды необходимо расплавить, прежде чем пропускать через них электрический ток. Для этого, как отмечают разработчики в Helios, понадобится температура порядка 1600 градусов по Цельсию.
Как отмечает директор Helios Джонатан Гейфман, именно высокая температура – основной фактор, к которому надо приспособиться и создать систему, которая сможет работать в таких условиях, причем продолжительное время. По его словам, компанией разработаны инновационные электроды, которые смогут работать в течение нескольких лет без замены и без проблем выдерживать высокую температуру. На эту разработку уже получен патент. В данный момент ведутся активные работы по масштабированию установки, которая позволит добывать кислород в промышленном объёме.
Помимо получения кислорода, способ позволит добывать и вещества, которые входили в состав оксидов и их также можно будет использовать.
Система прошла испытания в земных условиях, в качестве реголита использовался состав, идентичный тому, что был доставлен на Землю в рамках программы “Аполлон”. Поэтому создатели проекта уверены в успехе своего детища. Причем сама установка может быть универсальной и работать на любом космическом теле, где есть подходящий по составу материал.
Команда Helios: Йонатан Хауснер, Орен Лори, доктор Брайан Розен и доктор Линоам Элиад. Источник: Helios.
К сожалению, пока что не удалось найти информацию, как конкретно она будет выглядеть, каким образом и где будет складироваться полученный кислород и т. д. Есть лишь пара фото с официального сайта, и видео, где компания делится своим видением о будущем космонавтики и использовании концепции ISRU, которое представлено выше.
Однако уже в следующем году, Helios планирует провести эксперимент на МКС в условиях микрогравитации. А буквально несколько дней назад – 19 июля, в посольстве Японии представители Израиля подписали предварительный контракт с компанией Ispace, которая обязуется доставить модуль на Луну при осуществлении миссий в 2023 и 2024 годах.
P. S. Оба проекта выглядят амбициозно и могут помочь еще на чуть-чуть приблизить момент появления человека в космосе в качестве колониста. Об успехах этих экспериментов можно будет судить уже совсем скоро, а пока остается только наблюдать за всей космической сферой, которая набирает и набирает обороты.
Дата-центр ITSOFT — размещение и аренда серверов и стоек в двух дата-центрах в Москве. За последние годы UPTIME 100%. Размещение GPU-ферм и ASIC-майнеров, аренда GPU-серверов, лицензии связи, SSL-сертификаты, администрирование серверов и поддержка сайтов.
Буровая на астероиде: добыча внеземного грунта
Кометы и астероиды относятся к малоизученным объектам Солнечной системы. Отсюда понятен повышенный интерес ученых к этим зачастую непредсказуемым и смертельно опасным космическим бродягам. Первым проектом в истории их освоения, в котором на ведущих ролях выступили астрогеологи, стала миссия к комете Wild-2, стартовавшая зимой 1999 года. Автоматическую межпланетную станцию Stardust инженеры Lockheed Martin Astronautics создали специально для сбора и доставки на Землю кометного вещества.
На пути к галактической страннице Stardust немного покрутился вокруг Луны, заскочил в гости к маленькому астероиду Аннифранк и в ожидании настоящего дела поработал космическим пылесосом. Проблема сбора микроскопических образцов была решена весьма оригинально: пылинки, летящие на бешеных скоростях, ловила капсула-сачок со 132 ячейками, наполненными аэрогелем. Эта сверхтехнологичная субстанция с рекордно низкой среди твердых тел плотностью была изобретена американцем Стивеном Кистлером еще в 1931 году. Аэрогелевые ловушки работают настолько мягко, что в них не разрушаются даже хрупкие органические молекулы, «налипшие» на космические частицы. 15 января 2006 года капсула со Stardust вернулась на Землю, доставив исследователям уникальный материал в целости и сохранности.
Ученый камикадзе
В случае с кометой Темпеля NASA использовала другой геологический инструмент — довольно грубый, но эффективный. 4 июля 2005 года космический аппарат Deep Impact во время максимального сближения с телом кометы выпустил специальный зонд Impactor, представлявший собой медную торпеду, начиненную исследовательской аппаратурой. Зонд на огромной скорости столкнулся с кометой и разрушился, в результате чего произошел массивный выброс кометного вещества объемом примерно 10 000 т. Тем не менее чувствительные приборы зонда успели сделать экспресс-анализ химического состава ядра кометы. В пробах была обнаружена органика, происхождение которой до сих пор неизвестно.
В июле этого года в Западной Австралии немногочисленные аборигены могли наблюдать феерическое зрелище — огненное шоу возвращения на Землю японского зонда Hayabusa, за семь лет совершившего космическое путешествие протяженностью 2 млрд километров. Железяка размером с двухкамерный холодильник бесследно сгорела в атмосфере, но ее ценный груз — герметичная капсула с несколькими миллиграммами инопланетного вещества — благополучно приземлилась на Зеленом континенте. Японский сокол вошел в историю цивилизации как первый космический аппарат, предпринявший геологические изыскания на астероидах. Как и в случае с кометой Темпеля, японцы выбрали самый простой и единственно возможный на том этапе развития технологии способ получения образцов грунта с затерянного в дебрях космоса гигантского булыжника под названием Итокава — бомбардировку. Бурение на Итокава было бы весьма проблематичным- гравитация на его поверхности в 60 000 раз слабее, чем на Земле.
Hayabusa подлетел к астероиду и, как гигантский комар, ужалил его двумя тяжелыми танталовыми пеллетами. Пиротехнический заряд разогнал кусочки металла до 1100 км/ч. Поднявшийся при этом фонтан пыли и камешков должен был оказаться в трубе-ловушке. Правда, при обследовании капсулы в ней оказалось всего 5 мг вещества. Возможно, причина столь скудного улова — твердая кремнистая порода, из которой состоит Итокава. Впрочем, существует и другой тип астероидов, сложенных из рыхлых углистых минералов. Именно на них обратили свои взоры инженеры компании Astrium, подразделения европейского концерна EADS.
Заводной механизм
Группа Лайзы Пикок разрабатывает пенетраторы для будущих миссий в пояс астероидов. Технические решения, найденные во время этой работы, помогут в дальнейшем создать более эффективные инструменты для освоения Марса. На астероидах можно потренироваться и командам, занимающимся технологиями транспортировки космических материалов на Землю. Первоначально работы проводились в рамках миссии Marco Polo, в которой участвовали европейское космическое агентство ESA и японское JAXA.
Условия на планете, по иронии судьбы издревле символизирующей любовь, можно назвать настоящим Адом: полтысячи и более градусов жары, жуткое давление в 95 атмосфер и тяжелое пятидесятикилометровое одеяло ядовитой атмосферы. И все же в 1982 году сразу два советских аппарата – Венера-13 и Венера-14 – достигли поверхности этой раскаленной сковородки и провели на ней уникальные буровые операции. Работы осуществлялись на специальных станках, разработанных в Ташкентском КБ машиностроения. Создание грунтозаборного устройства для Венеры заняло полтора года, а до этого в течение пяти лет химики готовили для неё особые сплавы. Конструкторам потребовался новый эффективный электродвигатель. Алмазная буровая коронка станка за две минуты должна была углубиться в очень твердый скальный грунт почти на 3 сантиметра. 120 мотосекунд — это предельный ресурс агрегата в подобных условиях. Транспортировка отдельных колонок керна в герметичный рентгенограф производилась по системе трубопроводов. Для этого использовались пиропатроны, периодически пробивавшие специальные прокладки, через которые внутрь системы проникали атмосферные газы. Под их напором порции грунта проталкивались в камеру, где давление выравнивалось до 0.06 атм благодаря открытию клапана вакуумного баллона. Уникальность этой установки признали даже американцы из NASA, так и не рискнувшие повторить советский трюк с бурением в космическом аду. В 1985 году ташкентское ГЗУ еще раз побывало на Венере в рамках международной миссии к комете Галлея. Модернизированная версия оригинального станка, закрепленная на посадочном аппарате Вега-1, успешно произвела бурение в другом районе планеты. В это же время коллектив ТашКБМ закончил разработку прототипов ГЗУ и пенетраторов для исследований геологии Марса и его спутника Фобоса, но грянувший развал Союза похоронил эти проекты в архивах лабораторий.
Задачей, которую поставили перед группой Лайзы Пикок, было создание простого автоматического механизма без внешнего источника энергии, способного осуществить забор пробы грунта массой 40 г в течение короткого пятисекундного контакта с поверхностью астероида. Такой маневр необходимо было повторить по меньшей мере трижды. Далее собранный материал должен был быть законсервирован и доставлен на Землю. Несмотря на то что миссия была отменена, группа Пикок продолжила работу в расчете на новые проекты.
На старте у инженеров Astrium было довольно пухлое портфолио из 20 оригинальных концепций. Для взятия проб предлагались миниатюрные лопаты, конвейерные ленты, щетки, клейкие пластины и т. д. В итоге из них были выбраны три идеи с минимальным риском отказа в экстремальных условиях открытого космоса — дротик с наконечником в виде цветка, лепестки которого смыкаются при углублении; парный совок, загребающий грунт и захлопывающийся в коробочку; коронообразная выколотка с внутренней нейлоновой щетиной для задержки пылинок. Источник энергии во всех концепциях- мощная витая пружина.
В результате первичного тестирования было решено соединить все три идеи в гибрид — титановый лепестково-ударный механизм, снабженный щетиной, находящейся внутри трубки с конической нижней частью. В таком случае во время проникновения в астероидный реголит лепестки должны будут сложиться в горсть, захватывая пробу, а щетина сможет зафиксировать мельчайшие пылинки материала между своими волокнами. Два вращающихся эксцентрика на верхней части трубы с механической заводной пружиной должны обеспечить вибрацию, которая повысит эффективность забуривания.
По словам Лайзы Пикок, пружинный пенетратор отлично работает на материалах, имитирующих углистый реголит. Инженерам осталось лишь настроить мощность пружин, подобрать оптимальную жесткость щетины и довести геометрию отдельных элементов механизма до идеала. Разработка Astrium уже привлекла внимание NASA, и вполне возможно, что мы увидим ее в деле во время будущих американских миссий к Марсу и астероидам. В таком случае пенетратор Лайзы Пикок окажется в нескучной компании с миниатюрным буровым станочком компании Honeybee Robotics.
Принцип зубной щетки
Компания Honeybee Robotics занимается разработкой систем для роботизированного внеземного бурения с 1987 года. В середине 1990-х она построила для NASA уникальную буровую установку SATM для работы на кометах с глубиной бурения до 1,2 м. Тогда же был создан крохотный мобильный агрегат Mini-Corer для установки на марсианских роверах. Но по различным причинам эти проекты были отклонены. Первым механизмом компании, полетевшим в космос, стал Rock Abrasion Tool (RAT) для руки-манипулятора Robotic Arm (RA) марсианского вездехода Lander, успешно опробованный в 2003 году.
RAT стал первым буровым агрегатом в истории, пробившим шурф на другой планете. Эта машинка, готовая работать годами без ремонта и обслуживания, оснащалась буровой штангой диаметром 4,5 см, титановой коронкой с алмазным напылением и тремя электромоторчиками по 11 Вт каждый. За два-три часа коронка RAT на скорости до 3000 об/мин могла просверлить чрезвычайно твердую породу на глубину 3 см, вынимая из нее столбик керна диаметром 8 мм. И это при массе 685 г и размерах с банку колы! Кроме того, на RA был установлен циркулярный рашпиль с совком-уловителем, предназначенный для получения проб грунта с поверхности.
Новый проект Honeybee под названием MARTE напрямую связан с сенсационным открытием ледяных массивов на Северном полюсе Красной планеты, скрытых от наблюдателей под тонким слоем рыхлого грунта. По мнению астробиологов, в толще марсианского льда могут существовать некоторые формы жизни. MARTE — это автоматизированная система бурения с извлечением керна, способная проникнуть в марсианскую вечную мерзлоту на 10 м. Ее манипулятор имеет десять осей подвижности, а коронки бурового механизма усилены алмазным напылением. Извлечение обломков породы из шурфа осуществляется шнековым механизмом. MARTE выдает керн диаметром 2,7 и длиной 25 см. Потребляемая мощность системы не превышает 150Вт, а давление на бур составляет 450 Н.
Для MARTE инженеры Honeybee протестировали различные виды бурения — ротационное, ротационно-реактивно-акустическое и ротационно-ударное. По словам ведущего инженера компании Гейла Полсена, ротационное бурение было отвергнуто сразу. Для него требуется слишком большое давление на буровую колонну, которое манипулятор робота создать не в состоянии, — ведь лед на Марсе имеет твердость кварца. При ротационно-реактивно-акустическом бурении колонна работает, как электрическая зубная щетка: вращающиеся на 300 об/с эксцентрики вызывают в ней высокочастотную вертикальную вибрацию. Вкупе с вращением это создает в разы большее давление между поверхностью долота и породой, чем при обычной ротации.