Грунтозаборное устройство
Владельцы патента RU 2501952:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) (RU)
Изобретение относится к космической технике, а именно к устройствам для забора проб грунта, например замерзших кусков льда и т.п., и может быть использовано при изучении планет, комет и других небесных тел. Грунтозаборное устройство содержит буровую установку с системой управления и пенетратором, закрепленную на космическом посадочном модуле. На пенетраторе закреплены термоизолированные контейнеры для забора образцов грунта. Буровая установка оснащена датчиком температуры наконечника пенетратора, соединенным с системой управления буровой установкой. Изобретение позволяет повысить качество полученных образцов грунта. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к космической технике, а именно, к устройствам для забора проб грунта (например, замерзших кусков льда и т.п.) и может быть использовано при изучении планет, комет и других небесных тел.
Известно грунтозаборное устройство, содержащее буровую установку с системой управления и пенетратором, закрепленную на космическом посадочном модуле, и закрепленные на пенетраторе контейнеры для забора образцов грунта (см. патент JP 6056100, кл. B64G 1/66, опубл. 01.03.1994). Недостатком известного устройства является невозможность получения образца в естественном состоянии и поддержания его температуры до момента доставки из скважины к исследовательскому прибору, обусловленная отсутствием контроля и поддержания в требуемом диапазоне температуры пенетратора, и соответственно, контейнеров с грунтом.
Задачей изобретения является устранение указанного. недостатка. Технический результат заключается в повышении качества полученных образцов грунта. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в грунтозаборном устройстве, содержащем буровую установку с системой управления и пенетратором, закрепленную на космическом посадочном модуле, и закрепленные на пенетраторе контейнеры для забора образцов грунта, контейнеры выполнены термоизолированными, а буровая установка оснащена датчиком температуры наконечника пенетратора, соединенным с системой управления буровой установкой. Буровая установка предпочтительно снабжена пассивной системой терморегулирования, включающей теплопровод в виде тепловой трубы, зона испарения которой соединена с наконечником пенетратора. Пассивную систему терморегулирования при этом целесообразно снабдить низкотемпературным термоаккумулятором, работающим в режиме фазового перехода. Грунтозаборное устройство может быть снабжено несколькими термоизолированными контейнерами, расположенными на различных уровнях вдоль пенетратора, причем каждый контейнер снабжен автономным поворотным механизмом открытия/закрытия.
На фиг.1 представлен общий вид космического посадочного модуля с предлагаемым грунтозаборным устройством в момент забора грунта;
на фиг.2 - то же в момент выгрузки грунта;
на фиг.3 представлен продольный разрез предлагаемого грунтозаборного устройства;
на фиг.4 показано расположение элементов системы терморегулирования;
на фиг.5 - сечение А-А по фиг.3;
на фиг.6 изображено крепление контейнеров к пенетратору с поворотным механизмом открытия/закрытия.
Предлагаемое грунтозаборное устройство закрепляется на манипуляторе 1 космического посадочного модуля 2 и содержит буровую установку с системой управления (позицией не обозначена) и пенетратором 3. Наконечник 4 пенетратора 3 соединен с пьезэлектрическим ультразвуковым преобразователем 5 через звено для увеличения амплитуды 6, двухполуволновую проставку 7 и концентратор 8. Крепление устройства к манипулятору 1 осуществляется через ¾ волновую шпильку 9, имеющую канал для прохода командных и сигнальных кабелей 10, и переходной элемент 11. Буровая установка оснащена датчиком температуры 12 наконечника 4 пенетратора 3, соединенным с системой управления буровой установкой. Температура пенетратора 3 поддерживается на необходимом уровне с помощью пассивной системы терморегулирования, включающей теплопровод в виде низкотемпературной тепловой трубы 13, зона испарения которой соединена с наконечником 4. Пассивная система терморегулирования снабжена также низкотемпературным термоаккумулятором 14 с веществом, имеющим температуру фазового перехода (из твердого состояния в жидкое и обратно) на требуемом уровне.
На различных уровнях вдоль пенетратора 3 закреплены термоизолированные контейнеры 15 для забора образцов грунта, каждый из которых снабжен автономным поворотным механизмом открытия/закрытия. Корпус каждого контейнера 15 выполнен из тонкостенной листовой нержавеющей стали в виде стакана, нижнее днище которого открыто, а верхнее имеет проушины с наружной стороны для закрепления его на пенетраторе 3. Особенностью конструкции контейнера 15 является термоизоляция стенок для сохранения температуры забранного грунта. Указанная термоизоляция обеспечивается выполнением стенок из двух слоев тонкостенной нержавеющей стали (0,1-0,5 мм) с зазором между ними не менее 1 мм (термовакуумная изоляция).
Поворотный механизм открытия/закрытия включает ось 16, на которой закреплен контейнер 15. На оси 16 установлена пружина кручения 17, задача которой обеспечить плотное закрытие (поворот и прижатие) открытого днища контейнера 15 к корпусу пенетратора 3. Для поворота контейнера 15 с целью забора грунта и его выгрузки используется электромагнитный механизм 18, устанавливаемый в верхней части контейнера 15 и срабатывающий по команде оператора.
Грунтозаборное устройство работает следующим образом.
На первом этапе осуществляется бурение скважины на предельную требуемую глубину, например, на 2 м. В процессе бурения осуществляется контроль скорости бурения и температуры наконечника 4 пенетратора 3. Так, например, для исследования запасов воды на Луне (в виде льда) температура грунта на глубине от 0.5 м до 2 м составляет около минус 120°C. При бурении со скоростью порядка 50 мм/мин происходит нагрев наконечника 4. Допустимый в нашем случае уровень предельной температуры при бурении не должен превышать минус 110°C. С целью поддержания этого уровня в предлагаемом изобретении предусмотрены низкотемпературная тепловая труба 13 и термоаккумулятор 14 с рабочим телом типа этанол, имеющим температуру фазового перехода на уровне минус 114.5°C и удельной теплотой плавления 108 кДж/кг.
Регулирование скорости бурения определяется временем плавления этанола при нагреве от бурения и временем последующего охлаждения этанола до уровня минус 120°C. Предварительные оценки показали, что в зависимости от породы грунта возможен вариант режима бурения до глубины 2 м и без прекращения процесса бурения только за счет снижения скорости бурения.
После достижения требуемой глубины бурения и выдержки для установления необходимой температуры, например, в нашем случае минус 110°C, можно приступать к забору образца грунта.
При бурении пенетратор 3, имеющий специальные канавки для выхода выработанного грунта, распределяет вдоль бурового канала грунт уже разрыхленный. Для забора грунта в пробуренной скважине дается команда на обратный ход пенетратора 3 примерно на 50 мм (более длины контейнера 15). Затем дается команда на электромагнитный механизм 18, с помощью которого осуществляется поворот одного или нескольких контейнеров 15, и команда на движение пенетратора 3 вниз в направлении бурения. В открывшуюся щель в нижней части контейнера 15 при движении вниз происходит забор грунта. Затем дается команда на отключение электромагнитного механизма 18 и за счет пружины 17 и последующего подъема пенетратора 3 происходит закрытие отверстия для забора грунта.
Последующий забор грунта с других глубин (1.5 м, 1.0 м и 0.5 м) происходит по аналогичной технологии за счет последовательных остановок при извлечении бурового инструмента из скважины.
После извлечения пенетратора 3 из скважины манипулятором 2 рабочий инструмент устанавливается над устройством для приема грунта 19. По команде оператора включается электромагнитный механизм 18 конкретного контейнера 15, который поворачивает контейнер 15 с грунтом и грунт через открытый канал за счет сил тяготения высыпается на площадку. Дополнительно предусматриваются периодические удары пенетратором 3 о поверхность площадки устройства для приема грунта 19 для полного высыпания грунта из контейнера 15.
Использование предлагаемого устройства позволяет получать образцы грунта с требуемой глубины с температурой, соответствующей температуре залегания породы, что позволяет провести качественное исследование состава грунта в месте его залегания и получить глубинный разрез скважины за одно бурение.
1. Грунтозаборное устройство, содержащее буровую установку с системой управления и пенетратором, закрепленную на космическом посадочном модуле, и закрепленный на пенетраторе, по крайней мере, один контейнер для забора образцов грунта, отличающееся тем, что контейнер выполнен термоизолированным, а буровая установка оснащена датчиком температуры наконечника пенетратора, соединенным с системой управления буровой установкой.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что буровая установка снабжена пассивной системой терморегулирования, включающей теплопровод в виде тепловой трубы, зона испарения которой соединена с наконечником пенетратора.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что пассивная система терморегулирования снабжена низкотемпературным термоаккумулятором, работающим в режиме фазового перехода.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено несколькими термоизолированными контейнерами, расположенными на различных уровнях вдоль пенетратора, причем каждый контейнер снабжен автономным поворотным механизмом открытия/закрытия.
