УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДОБЫЧИ ВОДЫ НА ЛУНЕ
WATER PRODUCER ON THE MOON

Область техники
Изобретение относится к космической технике, а именно к устройствам для забора проб грунта, например, реголита, замерзших кусков льда и т.п., и может быть использовано при изучении Луны, планет и комет. Наиболее эффективно использование предлагаемого изобретения в качестве мобильного устройства добычи воды из реголита на поверхности Луны для снабжения ракетных двигателей и лунных обитаемых станций.
Уровень техники
Известны устройства получения воды из воздуха, например, известен способ, заключающийся в автономном получении чистой пресной воды, путем испарения воды и конденсации паровоздушной смеси / US 5203989 А, 20.04.1993 CN 103031873 A, 10.04.2013US 3357898 А1, 12.12.1967/. Но, как правило, на небесных телах воздушной среды нет и применение этого способа не возможно.
Известно устройство для забора проб грунта (реголита), например, замерзших кусков льда и т.п., которое 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 / патент №2501952/. Данное устройство не предназначено для получения воды из грунта.
Известны отечественные самоходные аппараты «Луноход 1 и 2», которые имели 8 колес диаметром 510 мм (с грунтозацепам) и шириной обода 200 мм, с независимыми электроприводами и независимой подвеской каждого из них. Легкий металлический каркас колеса был обтянут сеткой, поверх которой наклепаны грунтозацепы. Луноходы имели солнечные батареи и аккумуляторы для обеспечения движения с помощью электромоторов. (И.И. Черкасов, В.В. Шварев. Грунтоведение Луны. «Наука». Москва, 1979. С. 84-87/.
Данные мобильные устройства не предназначались для получения воды на поверхности Луны и других планет.
Известен проект RASSOR Excavatory NASA (США) по созданию специализированного робота-погрузчика массой 45 кг, с максимальной скоростью передвижения 4 сант/с, грузоподъемностью по грунту 18 кг, и места переработки грунта - технологической платформы массой 900 кг. По расчетам разработчиков, чтобы заправить одну ракету топливом, получаемым гидролизом из лунной воды (кислород и водород), одному RASSOR Excavatory потребуется работать пять лет по 16 часов в сутки. /НАСА создает робота для добычи воды на луне (26.07.2013) http://compulenta.computerra.ru/tehnika/robotics/10004210/.
Известно устройство луноход, оборудованный устройством для передвижения, которое питается от электрохимического генератора (ЭХГ) и, как резерв, - от аккумулятора. Запас энергии в ЭХГ рассчитывается для работ на расстоянии 1-3 км и для возвращения на базу. На луноходе установлено устройство для взятия пробы грунта (реголита) с нескольких глубин (но не глубже 1 м) и герметичный специализированный объем (контейнер), который закрывается крышкой после наполнения грунтом, взятым с определенной глубины. Эта герметичная емкость снабжается системой взвешивания с точностью определения 0.1%. После возвращения к посадочному блоку осуществляется разгерметизация проб и нагрев их солнечным излучением в специальном объеме примерно до 200°C. После полной термической дегазации происходит повторное взвешивание проб, по разнице веса до и после дегазации определяется относительное количество воды. Навигация лунохода осуществляется аналогично навигации беспилотного автомобиля, несколько вариантов которого сейчас испытываются на Земле / «Освоение Луны: первый современный этап», Н.Е. Кухаркин, К.Ф. Раскач, П.А. Александров, Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» (Москва, Россия), ФИЗИКА КОСМОСА И АСТРОНОМИЯ, 2021.
Основными недостатками прототипа являются следующие. Предложенное устройство не получает воду и не может быть использовано для снабжения обитаемых лунных станций и ракет водой и топливом на ее основе.
Раскрытие сущности изобретения
Впервые сведения об обнаружении воды на Луне были опубликованы в 1978 году советскими исследователями в журнале «Геохимия». Факт был установлен в результате анализа образцов, доставленных зондом «Луна-24» в 1976 году. Доля воды найденной в образце грунта составила 0.1%. Индийский аппарат «Чандранаян-1», в 2008 году, не только подтвердил, что водный лед присутствует на поверхности Луны, но и что некоторые ее области состоят на 20-30% изо льда.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение является освоение Луны и других планет путем обеспечение добычи воды для снабжения лунной станции и дозаправки ракет рабочим телом на поверхности Луны и планет, например, с многоразовым ядерным ракетным двигателем.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение возможности добычи воды из грунта Луны или планет, путем ее испарения и последующей конденсации на мобильном автономном транспортном устройстве (луноходе).
Для достижения технического результата предложено устройство для добычи воды на луне содержащее устройство для передвижения, состоящее из единой рамы к которой крепятся колесные пары с грунтозацепами, которое питается от электрохимического генератора и, как резерв, от аккумулятора, устройство для взятия грунта-реголита содержащее фрезу и транспортер в защитном кожухе, герметичный контейнер выполненный с возможностью закрывания прозрачной откатной крышкой после, наполнения грунтом, теплоизолированную емкость для накопления воды соединенную с одной стороны магистралью с обратным клапаном с контейнером с прозрачной откатной крышкой, а с другой стороны с стыковочным устройством с возможностью слива воды, при этом в контейнере имеются два шнека с индивидуальными приводами и магистраль с клапаном дозатором для впрыска воды в контейнер из резервной емкости, расположенной внутри емкости для накопления воды, над контейнером установлен концентратор солнечных лучей, а над емкостью солнечная батарея соединенная с радиоизотопным электрогенератором, при этом между единой рамой и контейнером прикреплен привод опрокидывателя контейнера, а между рамой и транспортером привод ориентации транспортера и стыковочного устройства, над стыковочным устройством прикреплена видеокамера, над солнечной батареей установлен датчик солнечного излучения соединенный с системой управления, размещенной на единой раме.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:
Луноход обеспечивает добычу воды из грунта Луны без дополнительных энергетических источников;
Мобильная установка может перемещаться между месторождениями воды;
Установка является малогабаритной для доставки ее на Луну, достаточно одной ракеты-носителя;
Установка может совмещает в себе две функции:
1) позволяет добывать воду и 2) снабжать лунную станцию или заправлять ракеты.
Описание чертежей
На фигурах 1 и 2 показаны вид с боку и спереди устройства добычи воды, где позициями обозначены:
1 - поверхность грунта (реголита), поверхность Луны или планеты;
2 - колесные пары с грунтозацепами;
3 - единая рама лунохода;
4 - рама контейнера;
5 - прозрачная откатная крышка контейнера;
6 - концентратор солнечных лучей;
7 - контейнер;
8 - грунт (реголит) с включениями воды;
9 - транспортер;
10 - солнечная батарея;
11 - датчик солнечного излучения;
12 - кожух транспортера;
13 - теплоизолированная емкость;
14 - обратный клапан;
15 - система управления;
16 - привод ориентации транспортера и стыковочного устройства;
17 - стыковочное устройство;
18 - видеокамера;
19 - фреза;
20 - привод опрокидывателя контейнера;
21 - рама солнечной батареи;
22 - шнек;
23 - привод вращения шнека;
24 - клапан дозатор;
25 - магистраль впрыска воды в контейнер;
26 - резервная емкость с водой;
27 - рама концентратора солнечных лучей.
Осуществление изобретения
В качестве заявляемого решения предлагается на колесное шасси с накопителем энергии и системой управления установить теплоизолированную емкость для сбора воды, контейнер для испарения воды из грунта, фрезу и транспортер для подачи грунта в контейнер, а также концентратор солнечных лучей и солнечную батарею для повышения производительности и длительности непрерывной работы.
Для достижения технического результата предложен луноход в виде колесной базы 8×8, на борту которого расположены аккумуляторы энергии в виде ЭХГ, система управления, емкость-накопитель воды, контейнер с прозрачной крышкой для испарения воды, фрезу и транспортер для подачи грунта в контейнер, а также концентратор солнечных лучей и солнечную батарею.
Для ускорения процесса прогрева грунта в контейнере, после его герметизации и выхода лунохода на солнечную сторону, в контейнер из емкости для накопления воды из ее резервной части через клапан дозатор подается порция воды для создания в контейнере атмосферы «паровой бани». В контейнере также начинают вращаться два шнека для перемещения грунта. Один шнек перемещает грунт снизу справа наверх налево, другой перемещает грунт снизу слева наверх направо. Производится процесс «ворошения» грунта.
В качестве базовых размеров и массы предлагаемого устройства можно взять луноход с посадочного аппарата «Луна-Ресурс». Луноход движется по поверхности грунта (реголита), Луны или планеты 1, с помощью колес с грунтозацепами 2. Колесные пары с грунтозацепами 2 крепятся к единой раме лунохода 3 на индивидуальных рессорах.
Сверху единой рамы лунохода 3 установлен контейнер 7, закрепленный сваркой на опрокидывателе, который жестко установлен на раме 4. Контейнер 7 служит для испарения воды и выполнен с прозрачной откатной крышкой контейнера 5, которая герметизируется с помощью пневматика в виде эластичной трубки с возможностью накачки, уложенной в паз крышке контейнера и привода опрокидывателя контейнера 20. При герметизации трубка надувается газом (например азотом) для плотного прилегания к корпусу. Прозрачная откатная крышка контейнера 5 откатывается на собственной раме с помощью пневмопривода (на чертежах не показан), а возвращается на место с помощью противовеса или пружинного механизма (не показаны на чертежах). Над контейнером 7 жестко установлен на собственной раме 27 концентратор солнечных лучей 6, расположенный на таком расстоянии, чтобы контейнер 7 находился в фокальной плоскости концентратора солнечных лучей 6. Концентратор 6 необходим для интенсификации процесса прогрева грунта и испарения из него воды.
Грунт (реголит) с включениями воды 8 разрыхляется фрезой 19 и подается на транспортер 9, расположенный в защитном кожухе 12, к которому также крепится фреза 19. Кожух 12 имеет сварные соединения с единой рамой лунохода 3. На единой раме лунохода 3 жестко установлена теплоизолированная емкость 13 для конденсации и сбора паров воды, которые подаются из контейнера 7 через соединительный гибкий шланг с обратным клапаном 14. Над теплоизолированной емкостью 13 на собственной раме 21 установлена солнечная батарея 10 для заряда блоков питания ЭХГ и создания тени. Для слива воды из теплоизолированной емкости 13 имеется стыковочное устройство 17, которое управляется в горизонтальной плоскости с помощью поворота шасси лунохода, а в вертикальной плоскости приводом транспортера 16. Наведение на горловину приемного устройства потребителя воды (обитаемой станции или ракеты) стыковочного устройства 17 лунохода осуществляется с помощью видеокамеры 18 или по радиомаякам (не показаны на чертежах), если такие ранее были установлены на залежах воды луноходом разведчиком. Наведение концентратора солнечных лучей 6 на Солнце осуществляется с помощью датчика солнечного излучения 11. Сигналы от датчика солнечного излучения 11 и видеокамеры 18 приходят в систему управления 15, размещенной на единой раме лунохода 3. После испарения и переконденсации воды в теплоизолированную емкость 13 крышка 5 контейнера 7 открывается, и, он опрокидывается для освобождения от грунта. После отвала грунта контейнер 7 возвращается в исходное положение, и луноход направляется за новой порцией грунта в затененный район кратера и месторождения воды.
Для ускорения процесса прогрева грунта в контейнере 7, после его герметизации и выхода лунохода на солнечную сторону, в контейнер 7 из резервной емкости с водой в виде «непроливайки» 26 через клапан дозатор 24 подается порция воды для создания в контейнере 7 атмосферы «паровой бани». В контейнере 7 также начинают вращаться два шнека 22 для перемешивания грунта с помощью приводов 23. Один шнек перемещает грунт снизу справа наверх налево, другой перемещает грунт снизу слева наверх направо. Производится процесс «ворошения» грунта.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Устройство для добычи воды на Луне или планете доставляется на освещенное солнцем место спускаемым космическим аппаратом с Земли. Луноход своим ходом направляется от места посадки до затененного месторождения воды в кратере или пещере. Далее с помощью видеокамеры 18 определяется участок для добычи грунта с включениями воды 8 и начинается его разрыхление фрезой 19 и подача на транспортер 9. Грунт транспортером 9 сверху через открытую прозрачную откатную крышку 5 подается в контейнер 7. По достижении определенного объема грунта в контейнере 7 крышка 5 закрывается и герметизируется пневматиком (деформируемой надувной трубкой) расположенным в пазах контейнера. Луноход выезжает на освещенное Солнцем место. Ориентируется с помощью датчика солнечного освещения 11 для максимальной освещенности концентратора 6 и нагрева контейнера 7, а также оптимальной работы солнечной батареи 10. Через клапан дозатор 24 подается порция воды для создания в контейнере атмосферы «паровой бани» и начинают вращаться два шнека 22 для перемешивания грунта в контейнере. В процессе прогрева из грунта начинает выделяться пары воды, которые интенсифицируют процесс прогрева объема за счет теплопроводности пара. Давление пара в контейнере 7 повышается до срабатывания обратного клапана 14 на газовой магистрали связи с теплоизолированной емкостью 13. Пар по магистрали 25 поступает в емкость 13 и конденсируется. После испарения всей воды из грунта и прекращения потока пара через обратный клапан 14 крышка 5 контейнера 7 откатывается. Контейнер опрокидывается, высыпая грунт в отвал. Приводом опрокидывателя контейнер возвращается в рабочее положение. Луноход направляется к месторождению воды за новой порцией грунта. Операции повторяются до тех пор, пока в емкости 13 не накопится необходимое количество воды, после чего луноход направляется к лунной станции или ракете для слива воды потребителю. Подойдя к приемному устройству потребителя воды луноход, с помощью видеокамеры 18, производит прицеливание стыковочного устройства и стыкует его. Под разностью давлений в емкостях вода перекачивается потребителю. Луноход возвращается к месторождению для продолжения добычи воды.
2
Масса лунохода составит примерно 1.4 тонны, длина - до 4 м, ширина до 2 м. Основным источником энергии для него будет служить солнечная панель площадью 2 м и радиоизотопный термоэлектрогенератор (РИТЭГ).
3
3
На таком шасси можно разместить: емкость для накопления воды объемом 1.7 м (диаметр 1 м, длина 2 м); контейнер объемом до 5 м (3×2 м); транспортер и другое, выше перечисленное, оборудование.
Для производства 280 кг воды в час по данным Commercial Lunar Propellant Architecture A Collaborative Study of Lunar Propellant Production/, требуется ядерный реактор с мощностью 2 МВт по электрической компоненте и 800 кВт по тепловой мощности. Исходя из этих данных, для испарения 1 кг воды из реголита необходимо 2.86 кВт час тепловой энергии. Концентратор солнечных лучей на предлагаемом луноходе с размерами 4×3 м и углом падения лучей не менее 45 градусов позволит передать в контейнер не менее 6 кВт тепловой энергии, что обеспечит испарение до 2 кг воды в час.
3
3
Удельный вес лунного реголита (грунта) зависит от его химического и минералогического состава. Он изменяется в широких пределах от 2.3 до более чем 3.2 г/см (Costes и др., 1970; Duke и др., 1970; Hey wood, 1971; Cadenhead и др., 1972; 1974; Caden head, Jones, 1972; Carrier и др., 1973а; 1973b; Cadenhead, Stetter, 1975; Horai, Winkler, 1976; 1980). В контейнер объемом 5 м поместится как минимум 11.5 тонн грунта при среднем содержании воды 10% (1.15 тонны) для ее испарения потребуется 575 часов или около 3.5 недель. При содержании воды в реголите 5% потребуется два рейса лунохода, что займет по времени примерно 1 месяц, т.к. весь процесс, в основном, определяется временем испарения воды.
2
2
Обеспеченность лунохода электроэнергией определяется следующим. В космосе солнечные лучи не задерживаются атмосферой и плотность потока энергии, исходящий от Солнца на орбите Луны, составляет более 1.3 кВт/м. При коэффициенте полезного действия батареи в 20% мы получаем 260 ватт на каждый квадратный метр солнечной батареи. Батарея лунохода площадью 3 м с углом падения лучей не менее 45 градусов за 575 часов испарения воды на солнце запасет в аккумуляторах ЭХГ (водород - кислород в бачках) не менее 225 кВт⋅час эквивалента электроэнергии. Аккумуляторы марки «Tesla Model X» имеют емкость 100 кВт час и обеспечивают пробег электромобиля 475 км. Очевидно, запаса электроэнергии должно хватить для перемещения лунохода из освещенной зоны в зону тени и обратно, а также добычу 11.5 тонн реголита, с учетом того что на Луне он весит только 1.9 тонны. РИТЭГ может понадобиться только для поддержания рабочей температуры элементов лунохода при работе в тени и в аварийной ситуации.
Масса «сухого» лунохода 1.4 тонны. Общая масса загруженного лунохода 1.4+11.5+1.15=14.05 тонн, что соответствует весу на Луне 2.3 тонны, что приемлемо для современного развития космической техники и электроавтомобилестроения.
Таким образом, предлагаемое устройство при 10% содержании воды в реголите будет за 1 рейс полностью заполнять емкость для накопления воды в течение 1 месяца. Группировка из 3-10 луноходов может обеспечить работу лунной обитаемой станции и заправку прилетающих на Луну ракет с ядерными двигателями. Управление группировкой может производиться с Земли или окололунной орбитальной станции в дистанционном режиме.