Буровая наастероиде: добыча внеземного грунта
- Комета Вильда Отправляя аппарат Stardust к комете Вильде, кроме этого известной как Wild-2, ученые ожидали заметить на фотографиях что-то наподобие запыленного тёмного снежка. Вместо этого перед ними предстало жёсткое небесное тело со сложным рельефом: пиками высотой до 100 м, кратерами глубиной до 150 м.
Диаметр самого громадного кратера «Левая нога» достигает километра, а по площади он образовывает пятую часть поверхности кометы.
- В примерах пыли была обнаружена аминокислота глицин и редкий на Земле изотоп углерода 13C.
Кометы и астероиды относятся к малоизученным объектам Нашей системы. Из этого понятен интерес ученых к этим обычно непредсказуемым и смертельно страшным космическим бродягам. Первым проектом в истории их освоения, в котором на ведущих ролях выступили астрогеологи, стала миссия к комете Wild-2, стартовавшая зимний период 1999 года.
Автоматическую межпланетную станцию Stardust инженеры Lockheed Martin Astronautics создали специально для доставки и сбора на Землю кометного вещества.
На пути к галактической страннице Stardust мало покрутился около Луны, заскочил в гости к мелкому астероиду Аннифранк и в ожидании настоящего дела поработал космическим пылесосом. Неприятность сбора микроскопических образцов была решена очень уникально: пылинки, летящие на свирепых скоростях, ловила капсула-сачок со 132 ячейками, наполненными аэрогелем.
Эта сверхтехнологичная субстанция с рекордно низкой среди жёстких тел плотностью была изобретена американцем Стивеном Кистлером еще в первой половине 30-ых годов двадцатого века. Аэрогелевые ловушки трудятся так мягко, что в них не разрушаются кроме того хрупкие органические молекулы, «налипшие» на космические частицы. 15 января 2006 года капсула со Stardust возвратилась на Землю, доставив исследователям неповторимый материал в сохранности и целости.
Ученый камикадзе
При с кометой Темпеля NASA применяла второй геологический инструмент — достаточно неотёсанный, но действенный. 4 июля 2005 года космический аппарат Deep Impact на протяжении большого сближения с телом кометы выпустил особый зонд Impactor, представлявший собой бронзовую торпеду, начиненную исследовательской аппаратурой.
Зонд на огромной скорости столкнулся с кометой и разрушился, в следствии чего случился массивный выброс кометного вещества количеством приблизительно 10 000 т. Однако чувствительные устройства зонда успели сделать экспресс-анализ состава ядра кометы. В пробах была обнаружена органика, происхождение которой до сих пор неизвестно.
В июле этого года в Западной Австралии немногочисленные аборигены имели возможность замечать 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 воздухе, но ее полезный 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 при с кометой Темпеля, японцы выбрали самый простой и единственно вероятный на том этапе развития разработки метод получения образцов грунта с затерянного в дебрях космоса огромного булыжника называющиеся Итокава — бомбардировку. Бурение на Итокава было бы очень проблематичным- гравитация на его поверхности в 60 000 раз не сильный, чем на Земле.
Hayabusa подлетел к астероиду и, как огромный комар, ужалил его двумя тяжелыми танталовыми пеллетами. Пиротехнический заряд разогнал кусочки металла до 1100 км/ч. Вставший наряду с этим фонтан камешков и пыли должен был появляться в трубе-ловушке. Действительно, при обследовании капсулы в ней выяснилось всего 5 мг вещества. Быть может, обстоятельство столь скудного улова — жёсткая кремнистая порода, из которой состоит Итокава.
Но, существует и второй тип астероидов, сложенных из рыхлых углистых минералов. Именно на них обратили собственные взгляды инженеры компании Astrium, подразделения европейского концерна EADS.
Заводной механизм
Несколько Лайзы Пикок разрабатывает пенетраторы для будущих миссий в пояс астероидов. Технические ответы, отысканные на протяжении данной работы, окажут помощь в будущем создать более действенные инструменты для освоения Марса. На астероидах возможно потренироваться и командам, занимающимся разработками транспортировки космических материалов на Землю.
Первоначально работы проводились в рамках миссии Marco Polo, в которой принимали участие космическое агентство ЕС ESA и японское JAXA.
Задачей, которую поставили перед группой Лайзы Пикок, было создание несложного автоматического механизма без внешнего источника энергии, талантливого осуществить забор пробы грунта массой 40 г в течение маленького пятисекундного контакта с поверхностью астероида. Таковой маневр нужно было повторить как минимум трижды. Потом собранный материал должен был быть законсервирован и доставлен на Землю.
Не обращая внимания на то что миссия была отменена, несколько Пикок продолжила работу в расчете на новые проекты.
На старте у инженеров Astrium было достаточно пухлое портфолио из 20 уникальных 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- замечательная витая пружина.
В следствии первичного тестирования было решено соединить все три идеи в гибрид — титановый лепестково-ударный механизм, снабженный щетиной, находящейся в трубки с конической нижней частью. При таких условиях на протяжении проникновения в астероидный реголит лепестки должны будут сложиться в горсть, захватывая пробу, а щетина сможет зафиксировать небольшие пылинки материала между собственными 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 превосходно трудится на материалах, имитирующих углистый реголит. Инженерам осталось только настроить мощность пружин, подобрать оптимальную жесткость щетины и довести геометрию отдельных элементов механизма до идеала. Разработка Astrium уже привлекла интерес NASA, и в полной мере быть может, что мы встретимся с ней в деле на протяжении будущих американских миссий к астероидам и Марсу.
При таких условиях пенетратор Лайзы Пикок окажется в нескучной компании с миниатюрным буровым станочком компании Honeybee Robotics.
Принцип зубной щетки
Компания Honeybee Robotics занимается разработкой совокупностей для роботизированного внеземного бурения с 1987 года. В середине 1990-х она выстроила для NASA неповторимую буровую установку SATM для работы на кометах с глубиной бурения до 1,2 м. Тогда же был создан маленький мобильный агрегат Mini-Corer для установки на марсианских роверах. Но по разным обстоятельствам эти проекты были отклонены.
Первым механизмом компании, полетевшим в космос, стал Rock Abrasion Tool (RAT) для руки-манипулятора Robotic Arm (RA) марсианского вездехода Lander, удачно опробованный в 2003 году.
RAT стал первым буровым агрегатом в истории, пробившим шурф на другой планете. Эта машинка, готовая трудиться годами без обслуживания и ремонта, оснащалась буровой штангой диаметром 4,5 см, титановой коронкой с алмазным напылением и тремя электромоторчиками по 11 Вт любой. За два-три часа коронка RAT на скорости до 3000 об/мин имела возможность просверлить очень жёсткую породу на глубину 3 см, вынимая из нее столбик керна диаметром 8 мм.
И это при массе 685 г и размерах с банку колы! Помимо этого, на RA был установлен циркулярный рашпиль с совком-уловителем, предназначенный чтобы получить пробы грунта с поверхности.
Новый проект Honeybee называющиеся MARTE напрямую связан с сенсационным открытием ледяных массивов на Северном полюсе Красной планеты, скрытых от наблюдателей под узким слоем рыхлого грунта. Согласно точки зрения астробиологов, в толще марсианского льда смогут существовать кое-какие формы судьбы.
MARTE — это автоматизированная совокупность бурения с извлечением керна, талантливая пробраться 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 совокупности не превышает 150Вт, а давление на бур образовывает 450 Н.
Для MARTE инженеры Honeybee протестировали разные виды бурения — ротационное, ротационно-реактивно-звуковое и ротационно-ударное. По словам ведущего инженера компании Гейла Полсена, ротационное бурение было отвергнуто сходу. Для него требуется через чур большое давление на буровую колонну, которое манипулятор робота создать не в состоянии, — так как лед на Марсе имеет твердость кварца.
При ротационно-реактивно-звуковом бурении колонна трудится, как электрическая зубная щетка: вращающиеся на 300 об/с эксцентрики вызывают в ней высокочастотную вертикальную вибрацию. Вкупе с вращением это формирует в разы большее давление между породой и поверхностью долота, чем при простой ротации.
В ходе сборки находится инновационная ротационно-ударная установка. Тут вместо небольшой вибрации употребляются удары биты особенного пружинного механизма по наковальне, закрепленной на верхнем финише колонны, с частотой 30−40 повторений в секунду. Для финальной версии MARTE будет выбрана одна из этих методик либо их сочетание.
Филиал Марса
Опробования установок Honeybee выделены NASA в особую программу IceBite, вычисленную на три года, которой командует планетолог из исследовательского центра NASA Моффет Филд Крис Маккей. Команда Маккея нашла на Земле пара мест с целью проведения тестов, довольно похожих на Марс экстремальными условиями. Это чилийская пустыня Атакама, район станции Мак-Мердо в Антарктиде, заполярный канадский остров Девон и нью-йоркский Бруклин.
Как раз в Бруклине инженеры Honeybee сумели выстроить мелкий Марс в громадной морозильной камеры из нержавейки.
За пятисантиметровыми стенками Mars Simulation Chamber царят ужасный мороз (-80°С) и вакуум. В камере находится толстая ледяная глыба, покрытая рыхлым грунтом, в которую поочередно вгрызаются прототипы буровых установок. Однако, по словам Гейла Полсена, создать в Mars Simulation Chamber условия, подобные марсианским, не получается. К примеру, лед на Марсе при бурении не делается водой, как на Земле, а сходу испаряется.
Компьютерное моделирование процесса продемонстрировало, что это будет феерическая картина — вырывающийся из марсианского шурфа гейзер из пара, мельчайшей пыли и частиц породы. Полсен говорит, что так сама природа решает значительную проблему очистки шурфа от лишнего материала.
В то время, когда проект IceBite будет закончен, Mars Simulation Chamber не порежут на металлолом — в ней будут испытываться другие системы бурения для новых миссий на Луну, Марс, спутник и астероиды Юпитера Европу.
Венера: адская геология
Условия на планете, по иронии судьбы издревле символизирующей любовь, возможно назвать настоящим адом
Полтысячи и более градусов жары, ужасное давление в 95 атм и тяжелое 50-километровое одеяло ядовитой атмосферы. И все же в первой половине 80-ых годов XX века сходу два советских аппарата — Венера-13 и Венера-14- достигли поверхности данной раскаленной сковородки и совершили на ней неповторимые буровые операции. Работы осуществлялись на особых станках, созданных в Ташкентском КБ машиностроения.
Создание грунтозаборного устройства для Венеры заняло полтора года, а до этого в течение пяти лет химики готовили для него особенные сплавы. Конструкторам потребовался новый действенный электродвигатель. Алмазная буровая коронка станка за 120 секунд должна была углубиться в весьма жёсткий скальный грунт практически на 3 см.
120 мотосекунд — это предельный ресурс агрегата в аналогичных условиях.
Транспортировка отдельных колонок керна в герметичный рентгенограф производилась по совокупности трубопроводов. Для этого употреблялись пиропатроны, иногда пробивавшие особые прокладки, через каковые вовнутрь совокупности проникали атмосферные газы. Под их напором порции грунта проталкивались в камеру, где давление выравнивалось до 0,06 атм благодаря открытию клапана вакуумного баллона.
Уникальность данной установки признали кроме того американцы из NASA, так и не рискнувшие повторить коммунистический трюк с бурением в космическом аду. В 1985 году ташкентское ГЗУ еще раз побывало на Венере в рамках интернациональной миссии к комете Галлея. Модернизированная версия уникального станка, закрепленная на посадочном аппарате Вега-1, удачно произвела бурение в другом районе планеты.
Одвременно с этим коллектив ТашКБМ закончил разработку прототипов ГЗУ и пенетраторов для его геологии спутника и исследований Марса Фобоса, но грянувший развал Альянса похоронил эти проекты в архивах лабораторий.
Луна: дело крепких мужских рук
- Три советских лунных разведчика сумели доставить к себе только 326 г драгоценного лунного грунта. В первой половине 70-ых годов XX века станция Луна-16, оснащенная ГЗУ (грунтозаборным устройством) ротационного бурения, еле выгрызла из скальной породы Моря Изобилия 101 г керна.
Через два года новую партию реголита массой 55 г удалось добыть Луне-20. В августе 1976 года ГЗУ станции Луна-24 замечательно отработало на поверхности Моря Кризисов, отобрав три примера реголита с глубин 100, 150 и 190 см неспециализированной массой 170 г
Практически пятьдесят лет назад для лунных миссий Apollo было создано целое семейство ручного геологического оборудования — от алюминиевых совочков на телескопической рукоятке до компактной буровой автомобили.
Первые пробы лунного реголита были собраны при помощи примитивного клещевого захвата космонавтами корабля Apollo 11. Громоздкие шкафообразные База Нила и скафандры Армстронга Олдрина разрешили им еле наковырять около 22 кг камешков. Процедура предусматривала необходимую фотосъемку образцов и, в то время, когда разрешало время, описание места находки.
Вторая экспедиция миссии привезла на Землю уже около 35 кг керна и реголита, добытых совком на долгой рукоятке и ручным буром диаметром 2 см, забивавшимся в грунт практически на 0,7 м. Космонавту Чарльзу Конраду для этого было нужно изрядно помахать молотком — любой удар углублял шурф всего на сантиметр с хвостиком. В будущем инструментарий совершенствовался и пополнялся новыми наименованиями.
У Юджина Сернана и Харрисона Шмита, последних людей, побывавших на Луне, в арсенале имелся не только хитроумный алюминиевый телескопический совок с захватным устройством и грабли из нержавейки, но и настоящий буровой станок. Электрический ударный бур Apollo Lunar Surface Drill (ALSD), созданный и изготовленный из титаного сплава компанией Martin Marietta, имел возможность вынуть столбик керна диаметром 2 см с глубины 3 м. Буровая коронка ALSD из карбида молибдена была создана компанией Chicago Latrobe.
При весе 13,4 кг агрегат потреблял 430 Вт мощности. Для транспортировки добытых образцов на Землю космонавтами употреблялись мешочки, каковые укладывались в герметичные алюминиевые контейнеры, похожие на чемоданы. Всего же по результатам шести экспедиций в лабораториях NASA выяснилось более 380 кг реголита разных фракций.
Нужно заявить, что вся оснастка для геологических изысканий, привезенная на Луну судами Apollo, была в том месте же и кинута — любой грамм массы возвращаемого модуля был на вес золота.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№97, ноябрь 2010).
<
h4>