Устройство ультразвукового бурения внеземных объектов
DEVICE FOR ULTRASOUND DRILLING OF EXTRATERRESTRIAL OBJECTS

Изобретение относится к космической технике, а именно, к устройствам для забора проб фунта, выполнения каналов для крепления посадочных модулей на объекты с малой силой притяжения, установки исследовательских датчиков и иных устройств в грунте, на заданной глубине и может быть использовано при изучении планет, комет и других небесных тел.
Исследования внеземных объектов, начиная с решения проблемы закрепления посадочного модуля на космические объекты с малой силой притяжения до забора образцов грунта с необходимой глубины без изменения структуры и состава исследуемого материала или установка датчиков для контроля процессов в грунте, являются сложнейшими задачами при исследовании других планет [1]. Как правило, все они осуществляются путем выполнения отверстий (бурения) на заданную глубину до нескольких метров.
Известны устройства ультразвукового бурения внеземных объектов (буры), предназначенные для исследования внеземных грунтов путем выполнения отверстий малого диаметра за счет механического вращения инструмента [2]. У такого бура рабочий инструмент выполнен в виде сверла с твердосплавным наконечником. Рабочий инструмент, вращаясь при помощи мотор-редуктора, постепенно вводится в грунт и выталкивает его наружу. На поверхности может быть установлен контейнер, в который происходит забор образцов выработанного грунта.
Основные недостатки известного устройства - большое усилие прижима, что при бурении объектов с малой гравитацией является недопустимым, разогрев зоны бурения, приводящий к улетучиванию воды и легкоплавких материалов в процессе изучении структуры грунта и его анализа. Кроме того, традиционное бурение характеризуется высоким энергопотреблением.
Для устранения недостатков, обусловленных только вращением, устройства бурения внеземных объектов дополняют колебательным движением с низкой частотой (низкочастотные вибрации).
Дополнительное вибрационное ударное движение рабочего инструмента позволяет снизить усилия обработки и увеличить скорость бурения. В качестве источников вибрационного движения используются ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи.
Известны устройства ультразвукового бурения внеземных объектов, содержащие последовательно установленные и акустически связанные между собой заднюю частотнопонижающую отражающую накладку, пьезоэлектрические кольцевые элементы, рабочую накладку, концентратор, выполненный в виде стержня переменного сечения и рабочий инструмент с внутренней полостью [3, 4].
Из известных устройств ультразвукового бурения внеземных объектов, наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, принятое за прототип [5], содержащее размещенную в корпусе пьезоэлектрическую колебательную систему, состоящую из последовательно установленных и акустически связанных между собой отражающей накладки, пьезоэлектрических элементов и концентрирующей накладки с рабочим инструментом, узел создания низкочастотных вибраций, состоящий из свободной массы и упругого элемента
Рабочий инструмент прототипа выполнен резонансной длины, механически и акустически соединен с одной из торцевых поверхностей концентратора, причем вторая торцевая поверхность концентратора, присоединяется к концентрирующей накладке пьезоэлектрической колебательной системы и имеет диаметр, превосходящий диаметр выходного участка концентрирующей накладки,
Узел создания низкочастотных вибраций состоит из пружины, внутренний диаметр которой превосходит диаметр цилиндрической части концентрирующей накладки и свободной массы, выполненной в форме кольца с внутренним диаметром, соответствующим диаметру цилиндрического участка концентрирующей накладки. Свободная масса размещена на внешней поверхности выходного участка концентрирующей накладки, одной из плоских поверхностей акустически связана с выступающей торцевой поверхностью концентратора, второй стороной с пружиной, противоположная сторона которой механически связана с регулировочной шайбой.
Отличительная особенность прототипа от известных устройств ультразвукового бурения заключается в том, что при выполнении бурения рабочий инструмент прототипа совершает одновременно ультразвуковые колебания и низкочастотные колебания, за счет ударного воздействия на рабочий инструмент свободной массы, которая сталкивается с одной из поверхностей УЗ рабочего инструмента, имеющей определенную амплитуду УЗ колебаний.
Ультразвуковое воздействие позволяет разрушать грунт, получая при этом мелкие частицы, размер которых соизмерим с амплитудой УЗ колебаний рабочего инструмента, ударное воздействие позволяет создавать трещины и разрушать грунт, получая более крупные частицы. Это позволяет обеспечить быстрое бурение на глубину, большую, чем при использовании аналогов.
Одновременное применение ультразвукового и ударного движения рабочего инструмента призвано обеспечить возможность бурения любых по свойствам грунтов.
Основной недостаток прототипа обусловлен малым вкладом ударного воздействия в процесс бурения, в следствии малого импульса, передаваемого от свободной массы к рабочему инструменту при их столкновении, по следующим причинам:
- свободная масса имеет небольшие габариты и имеет значительно меньшую величину массы по сравнению с массой рабочего инструмента;
- рабочий инструмент представляет собой массивную трех полуволновую конструкцию;
- рабочий инструмент и свободная масса сталкиваются на небольшой взаимной скорости, поскольку свободная масса при помощи упругого элемента прижимается к одной из плоскостей УЗ волновода имеющей небольшую амплитуду колебаний.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанных недостатков прототипа и создание устройства ультразвукового бурения внеземных объектов, способного обеспечить значительное повышение скорости бурения практически любых по свойствам грунтов внеземных объектов.
Суть технического решения заключается в том, что в устройстве ультразвукового бурения внеземных объектов, содержащем, размещенную в корпусе пьезоэлектрическую колебательную систему, состоящую из последовательно установленных и акустически связанных между собой отражающей накладки, пьезоэлектрических элементов и концентрирующей накладки с рабочим инструментом, узел создания низкочастотных вибраций, состоящий из свободной массы и упругого элемента, отражательная накладка выполнена в виде тела вращения, имеющего переменное сечение, причем диаметр отражающей накладки уменьшается от диаметра, соответствующего диаметру пьезоэлемента до диаметра, определяемого заданным коэффициентом усиления механических колебаний, форма перехода от большего диаметра к меньшему выполнена таким образом, что отражательная накладка имеет участок цилиндрической формы, длина накладки соответствует четверти длины волны УЗ колебаний в накладке переменного сечения, свободная масса выполнена в виде цилиндра с внешним диаметром, соответствующим внутреннему диаметру корпуса, с глухим центральным отверстием, диаметр которого превосходит диаметр цилиндрической части отражающей накладки, свободная масса размещена на цилиндрической части отражающей накладки, таким образом, что торцевая поверхность накладки меньшего диаметра имеет механический контакт с внутренней плоскостью торцевой поверхности глухого отверстия, упругий элемент выполнен в виде предварительно частично сжатой пружины, установленной между внутренней торцевой поверхностью корпуса и торцевой поверхностью свободной массы, не имеющей глухого отверстия.
Технический результат выражается в создании устройства ультразвукового бурения внеземных объектов, позволяющего обеспечить эффективное бурение за счет комплексного применения механизмов ультразвукового и ударного воздействия на объект в процессе его разрушения и удаления продуктов разрушения грунта вдоль внешних стенок рабочего инструмента, обеспечив при этом максимальную скорость бурения любых грунтов, на заданную глубину и под любыми углами, в условиях низкой гравитации.
Этот результат достигается за счет того, что рабочий инструмент, непосредственно, либо через прослойку из абразивных зерен осуществляет комбинированное механическое воздействие на объект колебаниями с ультразвуковой частотой и интенсивными макроударами с низкой частотой следования. Такое воздействие не требует усилий прижима, исключает нагрев в зоне бурения и позволяет бурить любые материалы. Наличие двух, одновременно действующих факторов (ультразвук и ударное воздействие) дает существенное увеличение скорости бурения твердых материалов, таких как мрамор и граниты.
Предлагаемое техническое решение позволяет реализовать еще одно важнейшее свойство - обеспечить возможность непрерывного контроля свойств обрабатываемых сред (грунтов) в процессе бурения по изменению параметров пьезоэлектрической колебательной системы за счет исключения даже кратковременный отрыв инструмента от пьезопреобразователя. Это позволяет реализовать возможность изменения параметров воздействия при изменении свойств грунта.
Сущность предлагаемого технического решения и принцип его работы поясняются фиг. 1, на которой схематично представлено предлагаемое устройство ультразвукового бурения внеземных объектов.
Предлагаемое устройство ультразвукового бурения состоит из рабочего инструмента 1, концентрирующей накладки 2, отражающей накладки 3, пьезокерамических колец 4, свободной массы 5, пружины 6, кронштейна УЗКС 7, виброразвязывающего узла для присоединения устройства бурения к манипулятору 8, корпуса пьезопреобразователя 9, крышки для регулировки усилия прижима 10, виброразвязывающего узла корпуса преобразователя 11, контргайки 12. Рабочий инструмент 1 представляет собой полуволновой стержень, который, с одной стороны, контактирует с объектом, осуществляя бурение, а с другой стороны прикреплен концентрирующей накладке 2, при помощи резьбового соединения.
Пьезоэлементы 4 предназначены для преобразования электрического переменного напряжения ультразвуковой частоты, поступающего с электронного генератора, в механические колебания пьезоэлементов той же частоты.
Отражающая 3 и концентрирующая 2 накладки, между которыми размещены пьезоэлементы 4, образуют полуволновую стержневую конструкцию, которая, по сути, является электромеханическим преобразователем, к которому со стороны концентрирующей накладки 2 присоединен рабочий инструмент 1, а свободная масса 5, при помощи пружины 6, прижимается к активному (совершающему механические колебания с максимальной амплитудой) торцу отражающей накладки 3. Концентрирующая 2 и отражающая 3 накладки имеют коэффициенты усиления, обеспечиваемый изменением диаметров и формой изменения диаметра, что обеспечивает усиление амплитуды механических колебаний поверхностей, контактирующих с рабочим инструментом и свободной массой соответственно.
В процессе работы устройства, за счет периодических отскоков свободной массы 5 от, вибрирующего с УЗ частотой, торца отражающей накладки, осуществляется их периодическое ударное воздействие. Частота и эффективность ударного воздействия свободной массы регулируется за счет вращения (закручивания или выкручивания) регулировочной крышки 10 в корпусе пьезопреобразователя 9, при этом происходит регулировка степени сжатия пружины 6.
Осевые усилия, необходимые для реализации процесса бурения, прикладываются к элементу 8 конструкции ультразвукового бура, которые через кронштейн 7 прикладываются к свободной массе 5.
Устройство ультразвукового бурения работает следующим образом. На пьезокерамические пьезоэлементы 4 от генератора электрических колебаний поступает переменное напряжение, частота которого равна рабочей (резонансной) частоте УЗКС.Пьезоэлементы 4, концентрирующая и отражающая накладки 2 и 3 образуют полуволновой электромеханический преобразователь, длина которого определяет его резонансную частоту.
Поскольку частота возбуждающего напряжения равна рабочей (резонансной) частоте УЗКС, в волноводной структуре «рабочий инструмент 1, - концентрирующая накладка 2, - отражающая накладка 3» возникает явление резонанса, за счет чего достигается максимальная амплитуда колебаний на излучающих поверхностях концентрирующей и отражающей накладок 2, 3.
Рабочий инструмент 1 в процессе бурения воздействует преимущественно на разрушаемый образец механическими колебаниями с ультразвуковой частотой. В результате такого бурения образуются твердые частицы, размеры которых соизмеримы с амплитудой колебаний рабочего инструмента. При бурении глубоких каналов (глубина канала много более диаметра рабочего инструмента) может возникает проблема, связанная с отводом продуктов износа из зоны бурения, поскольку несвоевременный отвод продуктов износа проводит к их тромбованию, уплотнению их в зоне УЗ воздействия и снижению процесса бурения. Проблема легко решается выполнением боковых каналов (винтовой нарезки) на боковой поверхности рабочего инструмента 1.
В процессе работы устройства ультразвукового бурения свободная масса 5, совершая низкочастотные колебания, в определенные моменты времени сталкивается с поверхностью отражающей накладки 3, которая осуществляет колебания с ультразвуковой частотой и максимально возможной для данной конструкции амплитудой. В момент столкновения свободной массы 5 с колеблющейся поверхностью с максимальной амплитудой отражающей накладки 3 происходит передача максимального по величине импульса. УЗ рабочий инструмент в эти моменты осуществляет дополнительное высокоамплитудное ударное воздействие на пробуриваемый объект, а свободная масса 5 запасает энергию для очередного последующего соударения с поверхностью отражающей накладки 3.
Наличие свободной массы 5 максимального размера (максимально заполняющей корпус системы), осуществляющей ударное воздействие на конструкцию ультразвуковой колебательной системы, обеспечивает дополнительное ударное воздействие рабочего инструмента 1 на пробуриваемый объект, что приводит к увеличению интенсивности процесса бурения, связанного с откалыванием в зоне бурения более крупных частиц разрушаемого материала.
Кроме того, наличие осевых макроколебаний (с амплитудой более 1 мм) способствует более интенсивному продвижению продуктов износа по винтовым нарезкам вдоль рабочего инструмента 1.
Отличительной особенностью рассматриваемой конструкции является наличие коэффициента усиления у отражающей накладки 3, что позволяет существенно увеличить амплитуду колебаний на ее торцевой поверхности. В процессе работы ультразвукового бура, столкновение свободной массы 5 с колеблющейся поверхностью отражающей накладки 3, которая имеет повышенную амплитуду колебаний, позволило увеличить величину, передаваемого при соударении свободной массы и подвижной УЗКС, импульса, и, следовательно, эффективность процесса бурения в целом.
Процесс бурения при помощи рассматриваемого ультразвукового устройства можно представить в виде следующих, периодически повторяющихся, шагов:
1) макроудар, с получением крупной частицы;
2) дробление УЗ колебаниями крупной частицы;
3) вынос продуктов дробления;
4) ультразвуковое бурение, с отводом продуктов износа;
5) переход на п. 1.
Интервалы времени между макроударами много больше интервала времени между периодом ультразвуковых колебаний рабочего инструмента. Таким образом, в ходе такого комбинированного (макро- и микро- ударами) процесса бурения, большую часть времени ультразвуковой бур находится в режиме низкоамплитудного (не менее 60 мкм) ультразвукового воздействия на пробуриваемый объект, т.е. поверхность рабочая инструмента находится в состоянии стабильного акустического контакта (идет процесс стабильного УЗ воздействия рабочего инструмента на разрушаемый объект) с пробуриваемым объектом. Такой режим бурения в дополнении ко всему позволяет в интервалах между макроударами осуществлять измерение электрического импеданса ультразвуковой колебательной системы.
Контроль импеданса УЗ излучателя позволит изучать (исследовать) свойства обрабатываемых грунтов за счет косвенного контроля импеданса УЗ излучателя, а также его действительной и реактивной составляющих, в частности:
- контролировать упругие и акустические свойства материала пробуриваемого объекта;
- косвенно определять наличие и количество некоторых материалов в грунте - например воды или газов;
- оперативно корректировать параметры УЗ воздействия (амплитуда, осевое давление на ультразвуковой бур, условия согласования электронного генератора с УЗ колебательной системой) с целью оптимизации процесса бурения;
- контролировать изменение физических свойств материала пробуриваемого объекта с глубиной;
- контролировать степень заглубления рабочего инструмента в процессе бурения.
Предложенное устройство ультразвукового бурения внеземных объектов прошло успешные испытания в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института (филиала) Алтайского государственного технического университета и малого инновационного предприятия ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ».
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и ГФЕН в рамках научного проекта №21-52-53036
Список литературы, использованной при составлении заявки
1. Bar-Cohen Y. Zacny K. (Eds.). Drilling in Extreme Environments: Penetration and Sampling on Earth and other Planets, Weinheim, 2009.
2. Sample collecting apparatus of space machine [Текст]: пат. 6138522 США: МПК7 G01N 1/00; E21B 49/02; G01N 1/08; G01N 35/00; G01N 1/00; E21B 49/00; G01N 1/04; G01N 35/00; E21B 49/00 / Hiroaki Miyoshi (Япония) патентообладатель: NEC Corporation (Япония) заявка: 08/827,496 от 28.03.1997. Опубликовано: 31.10.2000.
3. Self mountable and extractable ultrasonic/sonic anchor [Текст]: пат. 7156189 США: МПК Е21С 37/02; А61В 17/00; B25D 17/06; H02N 2/00 / Bar-Cohen Yoseph (США) Sherrit Stewart (США) патентообладатель: The United States of America as represented by the Administrator of the National Aeronautics and Space Administration (США) заявка: 11/001,465 от 01.12.2004. Опубликовано: 02.01.2007.
4. Ultrasonic/sonic mechanism of deep drilling (USMOD) [Текст]: пат. 6968910 США: МПК7 Е21В 7/24; Е21В 25/00; Е21В 7/00; Е21В 25/00; Е21В 7/24; Е21В 49/02 / Bar-cohen Yoseph (США) Sherrit Stewart (США) Dolgin Benjamin (США) Bao Xiaoqi (США) Askins Stephen (США) заявка: 10/304192 от 27.11.2002. Опубликовано: 29.11.2005.
5. Устройство ультразвукового бурения внеземных объектов [Текст]: пат. 2726495 RU МПК B64G 1/10; Е21С 51/00 / Барсуков Роман Владиславович (RU), Генне Дмитрий Владимирович (RU), Нестеров Виктор Александрович (RU), Хмелев Владимир Николаевич (RU) заявка: 2019143844 от 23.12.2019. Опубликовано: 14.07.2020.