СПОСОБ ДОСТАВКИ ПОЛЕЗНОГО ГРУЗА В ГРУНТ НЕБЕСНОГО ТЕЛА, ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ГРУНТА И НЕБЕСНОГО ТЕЛА И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF PAYLOAD DELIVERY TO CELESTIAL BODY SOIL, PROVISION FOR SOIL AND CELESTIAL BODY EXPLORATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION (VERSIONS)

Предлагаемое изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к пенетраторам - устройствам с полезным грузом, отделяемым от космического аппарата и представляющим собой ударный проникающий зонд, внедряющийся в грунт небесного тела (в дальнейшем по тексту -грунт) для исследования его параметров и параметров его грунта и влияния на них космических событий.
К исследуемым небесным телам относятся, в первую очередь, небесные тела Солнечной системы: планеты (Венера, Марс, и др.), их спутники (Луна, Ио, Европа, Ганимед и др.), астероиды, кометы и др.
Для исследования параметров грунта и небесного тела в качестве полезного груза, погружаемого в грунт, используют комплекс научной аппаратуры (КНА), как правило, в следующем составе:
- гравиметр для измерения массы небесного тела;
- гироскоп для определения параметров его вращения;
- сейсмограф для зондирования его внутреннего строения акустическими методами;
- масс-спектрометр для определения состава пород;
- приборы для измерения прочности и пористости пород, наличия магнитного поля, температуры на разной глубине, токопроводности, радиоактивности и т.д.
Также могут вводить второй блок КНА с похожим составом и датчиком навигации для фиксации космических событий. Стремятся обеспечить, чтобы этот блок КНА при исследованиях не был полностью погружаемым и имел возможность обзора звездного неба. При этом под космическими событиями понимается пролет кометы или астероида, определенные положения одного или нескольких небесных тел, изменения потока солнечного ветра и др.
При разработке новых и перспективных способов и устройств нужно решать несколько противоречивых проблем, в т.ч.:
- малая ударостойкость КНА при ударном внедрении пенетратора в грунт небесного тела со скоростями в диапазоне от 300 м/с до ≈4500 м/с (средняя скорость звука в твердых материалах), способными полностью разрушить КНА;
- необходимость повышения точности измерений за счет обеспечения механического контакта КНА с грунтом и минимизации влияния самого пенетратора и его блоков на результаты этих измерений;
- необходимость обеспечения длительной устойчивой радиосвязи с Землей и/или космическим аппаратом для передачи полученных результатов исследований от пенетратора, погруженного вглубь небесного тела;
- необходимость обеспечения гарантированной связи между двумя блоками КНА с возможностью синхронизации их работы;
- малая длительность работы КНА из-за уменьшения ресурса аккумуляторов после долгого перелета к выбранному небесному телу. Например, запущенный в марте 2004 года зонд Розетта со спускаемым аппаратом Фила прибыл в свой конечный пункт назначения - к комете Чурюмова-Герасименко в ноябре 2014 года, т.е. через 10 лет. Время перелета к спутникам Юпитера: Ганимеду, Ио и др. также может быть около 10 лет.
Поэтому почти все существующие способы доставки полезного груза в грунт небесного тела различаются в зависимости от компромиссов при решении этих проблем.
Известен аналог - пенетратор для исследования поверхности небесных тел, разработанный во ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» (патент RU 2111900, МПК B64G 1/00, опубл. 27.05.98). Этот пенетратор содержит разделяемые носовой, внедряемый в грунт, и хвостовой, остающийся на поверхности, элементы с размещенными в них приборными отсеками с экспериментальной и служебной аппаратурой, соединенными между собой кабельной связью, средство торможения хвостового элемента, выполненное в виде полости между разделяемыми элементами пенетратора, сообщенной с емкостью с газом под давлением, причем хвостовой элемент включает в себя цилиндрическую часть для размещения приборного отсека и аэродинамическую поверхность, выполненную в виде усеченного конуса, причем цилиндрическая часть хвостового элемента выполнена в виде обечайки, жестко связанной с меньшим основанием усеченного конуса, приборный отсек и носовой элемент пенетратора размещены в обечайке хвостового элемента с возможностью осевого перемещения с образованием между ними полости, пенетратор снабжен поршнем, размещенным в указанной полости и взаимодействующим с носовым элементом, причем полость сообщена с емкостью с газом посредством канала, выполненного в стенке обечайки, а обечайка снабжена ограничителями хода приборного отсека и поршня.
Способ, реализуемый данным пенетратором, заключается в том, что доставляют пенетратор с Земли к выбранному небесному телу и запускают к нему, осуществляют соударение пенетратора с поверхностью небесного тела, в результате которого начинают внедрять его в грунт небесного тела, фиксируют касание пенетратора с поверхностью небесного тела контактным устройством и создают им сигнал, который подают на управление движением поршня, формируя его движение, при внедрении в грунт небесного тела разделяют носовую часть, внедряемую в грунт небесного тела, от хвостовой, остающейся на поверхности небесного тела и электрически связанной с носовой частью кабелем, за счет движения подвижного поршня осуществляют торможение приборного отсека при внедрении носовой части в грунт небесного тела до ее полной остановки, используют вышеуказанные приборы из приборного отсека для исследования грунта небесного тела, с помощью кабеля осуществляют обмен электрическими сигналами между носовой и хвостовой частями с возможностью обмена сигналами между хвостовой частью с Землей.
Недостатками этих устройства и способа можно считать следующее: низкое быстродействие подвижного поршня, эффективно амортизирующее ударную нагрузку только лишь для малых скоростей внедрения пенетратора в небесное тело, не более 100 м/с;
- малое время исследований после внедрения пенетратора в грунт из-за малого ресурса аккумуляторов после долгого перелета к нему;
- отсутствие возможности беспроводной радиосвязи в случае обрыва кабеля для передачи сигналов и энергии между носовой и хвостовой частями после их разделения.
Известно также устройство для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел (патент РФ №2480385, МПК B64G 1/10, опубл. 27.04.2013, Бюл. №12), использующее торможение сбрасываемыми двигателями с последующей амортизацией.
Один из вариантов выполнения этого устройства содержит полый силовой корпус, выполненный с головной и цилиндрической хвостовой частями, при этом длина цилиндрической хвостовой части составляет 8-15 ее диаметров, в котором последовательно размещены балласт со средней плотностью, превышающей плотность силового корпуса, полезный груз, выполненные в головной части отверстия, сообщающиеся своими каналами с внутренней полостью силового корпуса, в которой расположены упомянутые балласт и полезный груз, при этом балласт или часть балласта выполнены из материалов, способных под действием инерционных сил выдавливаться из полости через эти отверстия во внешнюю среду в качестве смазки.
Кроме того, на устройстве для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел установлены сбрасываемые двигатели торможения, двигатели ориентации в пространстве и боковой тяги, лазерный дальномер и аппаратурный блок с баллистическим вычислителем.
Способ для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел, основанный на использовании этого пенетратора, реализуется следующим образом. При заданных условиях полета пенетратор отделяют от КА. Аппаратурный блок с лазерным дальномером посредством двигателей торможения и двигателей ориентации в пространстве и боковой тяги обеспечивает заданные продольную скорость, боковую скорость и угол соприкосновения с небесным телом в зависимости от пород его слагающих, их структуры и рельефа местности. После этого перед столкновением аппаратурный блок и двигатели отсоединяют от устройства для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел и продолжают выполнять собственное торможение. Силовой корпус осуществляет контакт с грунтом небесного тела. Первым контактирует дополнительный конус из алюминия, в результате чего он плющится, прилипает к твердым породам грунта и обеспечивает противоотскок в начальный момент проникновения силового корпуса в грунт. Далее последовательно в грунт проникают конуса головной части, обеспечивая наименьший опрокидывающий момент. При проникании происходит последовательный ступенчатый отрыв грунта от боковых поверхностей конусов и формирование единой кавитационной полости. Геометрические характеристики конусов и цилиндров подобраны оптимальным образом для решения задачи проникновения в грунт небесного тела. Устройство продолжает движение в инерционно расширяющемся массиве грунта по предсказуемой прямолинейной траектории. Через отверстия, сообщающиеся своими каналами с внутренней полостью силового корпуса и выполненные на втором и третьем цилиндрах и на хвостовой цилиндрической части между основанием четвертого конуса и первой радиальной проточкой, из внутренней полости силового корпуса под действием инерционных сил выдавливается смазка. Алюминиевые накладки, установленные в проточках, выполняют в первый момент роль дополнительной смазки, после чего, в процессе проникновения вглубь небесного тела радиальные проточки и соответствующие им грани разрабатывают и калибруют пробиваемое отверстие, предотвращая заклинивание силового корпуса в массиве грунта, а следующие за ними продольные проточки обеспечивают снижение трения на центрирующей цилиндрической хвостовой части и оптимизируют ее осевое вращение.
Эти способ и устройство имеют следующие недостатки:
- эффективная амортизация ударных нагрузок только лишь для малых скоростей внедрения пенетратора в небесное тело, не более 100 м/с;
- низкая точность измерений за счет влияния выделяющейся смазки на их результаты;
- малое время исследований после внедрения пенетратора в грунт из-за малого ресурса аккумуляторов после долгого перелета к выбранному для исследований небесному телу.
Наиболее близким по технической сущности устройством-прототипом можно считать конструкцию монолитного проникающего пенетратора (патент США №6186072, Monolitic balasted penetrator, J.P. Hickerson, F.J. Zanner, M.D. Baldwin, M.C. Maguire МПК, F42B 30/00, опубл. 13.02.01), который можно использовать для доставки полезного груза в массив грунта небесных тел.
Конструкция монолитного проникающего пенетратора, содержит полый заостренный спереди силовой защитный корпус, выполненный из высокопрочного стального сплава, включающий две полости: переднюю заостренную, в которой размещен балласт-наполнитель, по прочности превосходящий материал силового корпуса, и заднюю цилиндрическую полость, в которой размещен закрепляемый в этой части корпуса полезный груз. Корпус отлит вокруг балласта-наполнителя, соединяя обе полости вместе, причем таким образом, чтобы предотвратить возможность движения балласта-наполнителя по отношению к корпусу во время соударения с целью. Балласт-наполнитель может содержать концентрические канавки или выступы, которые улучшают прочность соединения между корпусом и наполнителем.
Способ-прототип, реализуемый данным устройством, включает использование полого силового корпуса, последовательное размещение внутри него балласта-наполнителя и полезного груза, доставку этого устройства с Земли к выбранному небесному телу и осуществление ударного внедрения его в массив грунта этого тела.
Эти способ и устройство потенциально можно использовать для доставки с Земли космическим аппаратом полезного груза в грунт небесного тела при размещении КНА внутри балласта-наполнителя, который в этом случае являлся бы дополнительным защитным телом.
Это повысило бы максимальный уровень выдерживаемой перегрузки приборов, размещенных внутри балласта-наполнителя, в первую очередь, за счет жесткой фиксации и исключения недопустимых смещений элементов, узлов и деталей, в т.ч. и подвижных, каждого прибора друг относительно друга; бегущие продольные ударные волны, возникающие от удара, распределяются в этом случае равномерно по всему сечению балласта-наполнителя и поэтому воздействуют лишь пропорционально площади приборов.
Однако существенным недостатком этого технического решения являются ограничение функциональных возможностей:
- из-за невозможности удаления этого балласта-наполнителя после ударного внедрения в грунт небесного тела для обеспечения механического контакта КНА с грунтом,
- из-за отсутствия второго КНА с датчиком навигации с обзором звездного неба для фиксации космических событий.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является:
- повышение ударостойкости полезного груза при доставке его в грунт небесных тел со скоростями внедрения в диапазоне от 300 м/с до ≈4500 м/с;
- расширение функциональных возможностей.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе доставки полезного груза в грунт небесного тела, обеспечения исследований небесного тела и его грунта, при котором полезный груз, помещенный в заостренный спереди силовой защитный корпус и содержащий балласт, доставляют космическим аппаратом с Земли к выбранному небесному телу с осуществлением соударения устройства с поверхностью небесного тела и ударного внедрения в его грунт, согласно заявляемому изобретению, используют два комплекса научной аппаратуры для исследования параметров грунта и небесного тела, второй из которых с дополнительными возможностями фиксации космических событий при обзоре звездного неба и двунаправленной приемопередачи радиосигнала с Землей и/или космическим аппаратом, при этом вводят электронный блок и блок связи и размещают их в защитном корпусе, причем используют хвостовой элемент, в который вводят второй электронный блок, второй блок связи и второй комплекс научной аппаратуры и прикрепляют этот хвостовой элемент сзади защитного корпуса с возможностью отделения при вышеупомянутом ударном внедрении, а между блоками связи вводят кабель с возможностями проводной и беспроводной связи соответственно для целого и разорванного кабеля, при этом первый комплекс научной аппаратуры в виде полезного груза помещают внутрь балласта, служащего для него дополнительным защитным телом, причем защитный силовой корпус выполняют с возможностью его отделения от дополнительного защитного тела перед, во время или после вышеупомянутого ударного внедрения или от механического разрушения при вышеупомянутом ударном внедрении, а в качестве материала для балласта, служащим дополнительным защитным телом для полезного груза, используют материал с возможностями его затвердевания на время доставки полезного груза и его удаления после вышеупомянутого ударного внедрения в грунт, при этом в электронных блоках используют для электропитания аккумуляторы активируемые от удара с пассивным, на время перелета к выбранному небесному телу, и активным режимами работы и возможностью перевода их из пассивного в активный режимы работы от вышеупомянутого ударного внедрения, причем отделяют хвостовой элемент и фиксируют его поверхностью небесного тела с возможностью обзора звездного неба вторым комплексом научной аппаратуры, и переводят аккумуляторы, активируемые от удара, из пассивного в активный режим работы при вышеупомянутом ударном внедрении, при этом освобождают балласт с содержащимся в нем первым комплексом научной аппаратуры из силового защитного корпуса, удаляют балласт, освобождая полезный груз, причем определяют целостность кабеля и в зависимости от этого используют проводную связь между блоками связи или создают беспроводную связь между концами кабеля за счет создания электромагнитной связи между ними, а с помощью обоих комплексов научной аппаратуры проводят исследования, синхронизируют между собой эти исследования, вторым комплексом научной аппаратуры фиксируют космические события и в зависимости от этого управляют параметрами синхронизации комплексов научной аппаратуры и определяют параметры грунта и небесного тела, а также влияние на них космических событий, при этом следят за текущим значением аккумулированной энергии двум комплектам аккумуляторов и задают их минимально допустимые уровни, по достижении которых осуществляют передачу электроэнергии разрядившемуся комплекту аккумулятору от другого за счет связи между блоками связи хвостового элемента и защитного корпуса, причем следят за текущей загрузкой вычислительными операциями электронных блоков и обеспечивают их равные значения путем перераспределения вычислительных операций между электронными блоками.
Согласно изобретению указанный результат достигается также тем, что балласт, служащий дополнительным защитным телом для полезного груза, представляет собой модификации льда-VII или льда-VIII или льда-Х из твердых фазовых состояний жидкости или паров.
Другим отличием является то, что в качестве материала для создания модификаций льда используют воду или нафталин или растворы на их основе.
Еще одним отличием является то, что удаление балласта осуществляют за счет его нагрева и испарения нагревом и/или механическим разрушением.
Следующим отличием является то, что в способе доставки полезного груза в грунт небесного тела, обеспечения исследований небесного тела и его грунта, при котором полезный груз помещают в заостренный спереди силовой защитный корпус, содержащий балласт, и доставляют космическим аппаратом с Земли к выбранному небесному телу с осуществлением соударения устройства с поверхностью небесного тела и ударного внедрения его в грунта, полезный груз в виде комплекса научной аппаратуры для исследования грунта небесного тела помещают внутрь балласта, служащего для полезного груза дополнительным защитным телом, при этом защитный корпус выполняют с возможностью его отделения от дополнительного защитного тела перед, во время или после вышеупомянутого ударного внедрения или от механического разрушения при вышеупомянутом ударном внедрении, а в качестве материала для балласта, служащего дополнительным защитным телом для полезного груза, используют материал с возможностью затвердевания на время доставки полезного груза и его удаления после вышеупомянутого ударного внедрения в грунт, освобождают балласт с содержащимся в нем комплексом научной аппаратуры из защитного корпуса, удаляют балласт, освобождая полезный груз, и проводят исследования грунта небесного тела.
Также другим отличием является то, что балласт, служащий дополнительным защитным телом для полезного груза, представляет собой модификации льда-VII или льда-VIII или льда-Х из твердых фазовых состояний жидкости или паров.
И еще одним отличием является то, что в качестве материала для создания модификаций льда используют воду или нафталин или растворы на их основе.
Следующим отличием является то, что удаление балласта осуществляют за счет его нагрева и испарения нагревом и/или механическим разрушением.
Указанный технический результат достигается также тем, что в первом варианте устройства для реализации данного способа, содержащем полый заостренный спереди силовой защитный корпус, включающий две внутренние полости: переднюю, заостренную в носовой части, и заднюю полость, в передней полости размещен балласт, балласт сформирован из модификации льда-VII или льда-VIII или льда-Х из твердых фазовых состояний жидкости или паров воды или нафталина или растворов на их основе, в передней полости внутри балласта размещены полезный груз, представляющий собой комплекс научной аппаратуры для исследования небесного тела и его грунта, и удалитель льда, а в задней полости защитного корпуса расположены электронный блок, также содержащий комплект из аккумулятора, аккумулятора, активируемого от удара, и блока связи, кроме того, устройство дополнительно содержит хвостовой элемент, выполненный в виде цилиндрической обечайки, сопряженной с юбкой на конце, при этом в цилиндрической обечайке хвостового элемента размещены второй электронный блок, содержащий другой комплект, подобный вышеупомянутому, из аккумулятора, аккумулятора, активируемого от удара, и блока связи, защитный корпус устройства с размещенными в его передней и задней полостях полезным грузом и электронным блоком с блоком связи, соответственно, также частично расположен в цилиндрической обечайке хвостового элемента с возможностью осевого перемещения в ней и образованием между электронным блоком, расположенным в обечайке хвостового элемента, и задней стенкой защитного корпуса, полости, в которой размещен кабель с возможностями проводной связи между блоками связи при целом кабеле или при его обрыве беспроводной связи между его концами.
Во втором варианте устройства для реализации данного способа, содержащем полый заостренный спереди силовой защитный корпус, включающий две внутренние полости: переднюю, заостренную в носовой части, и заднюю полость, в передней полости размещен балласт, согласно заявляемому изобретению, балласт сформирован из модификации льда-VII или льда-VIII или льда-Х из твердых фазовых состояний жидкости или паров воды или нафталина или растворов на их основе, в передней полости внутри балласта размещены полезный груз, в виде комплекса научной аппаратуры для исследования небесного тела и его грунта и удалитель льда, а в задней полости защитного корпуса расположены электронный блок и блок связи.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлено
- на фиг. 1 - устройство, реализующее предлагаемый способ с разделением носовой и хвостовой частей (в дальнейшем - устройство №1);
- на фиг. 2 - устройство, реализующее предлагаемый способ, без разделения (в дальнейшем - устройство №2);
- фиг. 3, 4 - устройство №1 после ударного внедрения в грунт и удаления балласта при обзоре звездного неба, радиосвязи с Землей и/или космическим аппаратом и беспроводной связи между частями разорванного кабеля (фиг. 3) или блоками связи (фиг. 4).
- фиг. 5 - устройство №2 после ударного внедрения в грунт и удаления балласта-наполнителя при радиосвязи с Землей и/или космическим аппаратом.
Устройство №1 предназначено для скоростей полета (начальная скорость внедрения в грунт) от ≈300 м/с до ≈700-900 м/с. Устройство №2 может использоваться на более высоких скоростях полета, до ≈4500 м/с.
Устройство №1 (фиг. 1) содержит силовой защитный корпус 1, заостренный спереди, с передней полостью 2, заполненной балластом 3 изо льда, с расположенным внутри него КНА 4 и удалителем льда 5, и задней полостью 6 с расположенным внутри нее электронным блоком 7, состоящим из системы управления 8, аккумулятора 9 и аккумулятора 10, активируемого от удара. К системе управления 8 прикреплен блок связи 11, частично выступающий за пределы тыльной стороны задней полости 6.
Устройство №1 содержит также хвостовой элемент 12, состоящий из юбки 13 с обечайкой 14, при этом силовой защитный корпус 1 сзади частично вставлен в обечайку 14 с возможностью осевого перемещения вдоль нее. В обечайке установлены блок связи 15, кабель 16 и электронный блок 17, состоящий из системы управления 18, аккумулятора 19 и аккумулятора 20, активируемого от удара; КНА 21.
Силовой защитный корпус 1, в части формирующей переднюю полость, выполняется раскрываемым и/или удаляемым или с возможностями отделения от балласта 3 перед, во время или после ударного внедрения. Также может изготавливаться по прочности, толщине материала и другим параметрам таким, чтобы быть разрушенным при внедрении в грунт. В итоге это даст возможность механического контакта КНА 4 с грунтом после удаления ледяного балласта 3.
Блоки КНА 4 и КНА 21 содержат аппаратуру для исследования параметров небесного тела и его грунта. При этом КНА 4 после ударного внедрения погружен в грунт. Блок КНА 21 дополнительно содержит датчик навигации, до ударного внедрения этот блок частично выступает в конусной полости 13, а после ударного внедрения должен находиться вблизи поверхности с обзором звездного неба для фиксации космических событий.
Блок связи 15 может частично выступать как в конусной полости, образованной юбкой 13 для радиосвязи с космическим аппаратом и/или Землей, так и в полости между электронным блоком 17 и задней стенкой силового защитного корпуса 1 для связи проводной посредством кабеля 16 и/или беспроводной с блоком связи 15.
Кабель 16 расположен внутри обечайки 14 в сложенном и/или смотанном состоянии с возможностью его вытягивания, расположен в полости между электронным блоком 17 и задней стенкой защитного корпуса 1.
Системы управления 8 и 18 управляют работой всех блоков устройства №1 на всех этапах его функционирования, а именно: управляют удалением балласта 3 с помощью удалителя льда 5, подготовкой к работе и проведением научных исследований с помощью КНА 4, процессом взаимообмена информацией и электроэнергией между электронными блоками 7 и 17, передачей научной информации на Землю и т.д.
В связи с возможностью отделения силового защитного корпуса 1 от хвостового элемента 12 при внедрении в грунт, блоки связи 11 и 15 используются для организации связи как между собой (по кабелю 16 и/или беспроводно), так и с Землей и/или космическим аппаратом.
С момента старта с Земли и до внедрения устройства №1 в грунт передняя полость защитного корпуса 1 заполнена балластом 3, который покрывает КНА 4 и удалитель льда 5, заполняя все пустоты между ними и образуя единое дополнительное защитное тело изо льда. Этот лед представляет собой твердое фазовое состояние жидкости или газообразного вещества. При использовании дистиллированной воды этот лед является одной из хорошо изученных высокопрочных модификаций льда: лед-VII, лед-VIII, лед-Х.
Так, дополнительное защитное тело изо льда-VII может быть создано из дистиллированной воды при определенных сочетаниях давления и температуры, например, при воздействии на нее высокого давления Р≥2,216 ГПа при температуре Т≥+82°С.Хранение созданного твердого тела и его использование (работа с ним), в т.ч. во время перелета к выбранному небесному телу возможны за счет последующего снижения давления и охлаждения до криогенных температур, например, температуры жидкого азота Т<-195°С.
Помимо дистиллированной воды для создания балласта также могут использоваться нафталин, растворы на их основе и другие жидкости. Технология создания этого ледяного тела состоит из стандартных операций в химии, прессового оборудования, криогенной технике и др. соответствующих современному достигнутому техническому уровню.
Удалитель льда 5 представляет собой устройство для удаления льда, состоящее из разных блоков, работа которых активно помогает, способствует и ускоряет удаление твердого ледяного балласта 3, чтобы освободить КНА 4 для проведения научных исследований. Вариантами удаления могут быть испарение за счет активной сублимации, т.е. перехода из твердой фазы (лед) напрямую в газообразную (водяные пары), а также механического растрескивания и удаления (на заключительных стадиях сублимации при тонком/малом льде), подобно отшелушиванию. Поэтому этими блоками могут быть источники, генераторы сигналов и излучений:
1) для нагрева и испарения (активной сублимации):
- электрические нагреватели для контактного и/или бесконтактного (СВЧ-излучение) нагрева,
- излучатели в ИК-диапазоне с длиной волны в диапазоне длин волн поглощения льда, нагревающие твердый ледяной балласт 3;
- генератор высокочастотного переменного электрического тока для его пропускания через твердый ледяной балласт 3 и нагрева за счет использования собственной проводимости льда (Мучник В.М. Физика грозы, с. 167, http://www.ngpedia.ru/id614075р1.html);
2) для нагрева, активной сублимации, механического разрушения (растрескивания) и удаления:
- ультразвуковые излучатели, формирующие в твердом ледяном балласте 3 вибрационные колебания и волны (бегущие и/или стоячие) для нагрева и растрескивания льда и очистки от его остатков;
- нагреватели на основе металлов с памятью формы, например, нитинола (сплава никеля и титана) и среди них т.н. «умные» материалы, которые имеют несколько пространственных форм для разных температур и подобны электрически управляемым манипуляторам (http://zoom.cnews.ru/rnd/news/line/metall_s_pamyatyu_mozhet_hranit_neskolko_form). Их использование может быть достаточно эффективно, т.к. позволяет соединить нагрев (за счет пропускания тока) и механического воздействия на балласт 3 (за счет памяти разных форм для разных температур), позволяющий его испарять и/или растрескивать, отшелушивать подобно пазлам или ячейкам скорлупы. Одним из вариантов таких материалов могут быть биметаллы, деформация которых зависит от пропускаемого тока и широко используется в термостатах.
Аккумуляторы 9 и 19 могут быть подзаряжаемыми источниками питания космического применения с высокой ударостойкостью.
Аккумуляторы 10 и 20 являются подзаряжаемыми источниками питания космического применения с высокой ударостойкостью и с двумя режимами работы (состояниями): пассивным, «спящим», на время перелета к выбранному небесному телу, и активным, рабочим после ударного внедрения. Перевод от пассивного ко второму состоянию у них осуществляется от ударного внедрения в грунт. В спящем состоянии эти аккумуляторы могут длительное время храниться без потери емкости (или с минимальной ее потерей), а в рабочем - могут эксплуатироваться с возможностью подзарядки. Такие аккумуляторы уже созданы фирмой mPhase Technologies (http://www.mphasetech.com, http://www.ixbt.com/news/hard/index.shtml?14/61/44).
Кабель 16 электрически связывает электронные блоки 7 и 17 и может представлять собой набор, шлейф гибких жил для обеспечения:
- (при целостности хотя бы одной жилы) проводной связи;
- (при обрыве кабеля 16) беспроводной связи (индуктивной и/или радиосвязи и/или волноводной) между электронными блоками 7 и 17 (фиг. 3).
Как вариант, каждая такая жила может представлять собой гибкий металлический волновод (или высокочастотную антенну), который целым и неразорванным является проводником, а с разорванными частями - формировать беспроводную двунаправленную передачу сигналов.
Первый выход системы управления 8, являющийся первым выходом электронного блока 7, подключен к КНА 4 и удалителю льда 5. Аккумулятор 9 и аккумулятор 10, активируемый от удара, подключены к первому и второму входам системы управления 8, а ее второй выход, являющийся вторым выходом электронного блока 7, соединен с блоком связи 11, с которым соединен кабель 16. Другой конец кабеля 16 соединен с блоком связи 15.
В электронном блоке 17 аккумулятор 19 и аккумулятор 20, активируемый от удара, подключены к первому и второму входам системы управления 18. И ее выход, являющийся выходом электронного блока 17, связан с электрическим входом блока связи 15. Выход блока КНА 21 подключен к третьему входу системы управления 18, являющемуся входом электронного блока 17.
Хвостовой элемент 12 может быть изготовлен из алюминия для исключения (или максимального уменьшения) отскока при столкновении с поверхностью небесного тела. Полость, образованная юбкой 13, имеет форму усеченного конуса, меньшее основание которого соединено с задней торцевой стороной обечайки 14, внутри которой расположен блок связи 15 и электронный блок 17.
Устройство №2 (фиг. 2) содержит защитный корпус 1, заостренный спереди, с передней полостью 2, заполненную балластом-наполнителем 3 изо льда, с расположенным внутри него КНА 4 и удалителем льда 5, и задней полостью 6 с расположенным внутри нее электронным блоком 7, состоящим из системы управления 8 и аккумулятора 9; частично выступающим блоком связи 11.
Механическое и электрическое соединение всех элементов и блоков, составляющих устройство №2, их функции и использование, а также свойства балласта-наполнителя 3, полностью аналогичны устройству №1.
Предлагаемый способ реализуется устройством №1 по следующей последовательности этапов:
1) Подготовительный этап в земных условиях: создание в передней внутренней полости устройства балласта в виде ледяного тела с расположенными внутри него КНА 4 и удалителя льда 5.
2) Летный этап: старт с Земли, выведение в космос с последующим перелетом к исследуемому небесному телу.
3) Ударное внедрение в грунт небесного тела.
4) Подготовительный этап в грунте небесного тела заключается в удалении ледяного балласта 3, освобождении KНА 4 и подготовке к исследованиям.
5) Исследовательский этап: проведение КНА 4 и КНА 21 научных исследований с обзором звездного неба и фиксацией космических событий.
Подготовительный этап в земных условиях.
Далее рассмотрен вариант использования дистиллированной воды для создания балласта и создания на ее основе высокопрочной модификации льда: льда-VII.
Перед отправкой в космос создают первое устройство, формируя в процессе этого из дистиллированной воды ледяное тело на основе льда-VII в виде балласта 3 со встроенным внутрь КНА 4 и удалителем льда 5. Для этого при температуре Т≈+27°С к емкости с водой с погруженным внутрь, неработающими КНА 4 и удалителем льда 5 прикладывается давление до значений Р≥1,1 ГПа и формируется твердое тело с балластом и покрывающей оболочкой из льда VI. Затем при той же температуре увеличивают давление, приложенное к этому защитному телу, до уровня, как минимум, до Р≥2,216 ГПа, переводящее лед-VI в более высокопрочное фазовое состояние льда-VII. И затем давление постепенно уменьшают до нормального атмосферного, а созданное тело охлаждают до температуры жидкого азота (<-195°С), при котором оно может сохранять свои прочностные параметры.
В процессе этих технологических операций неработающие КНА 4 и удалитель льда 5 механически закрепляют в воде, как вариант, механическим каркасом и готовят для последующего размещения сформированного ледяного тела во внутренней передней полости 2 силового защитного корпуса 1.
К настоящему времени уже проработаны технологии и устройства со сверхвысокими давлениями до 15-20 ГПа и выше (Шаталов Р.Л. История и философия металлургии и обработки металлов, Изд. «Теплотехник», 2011, Луговской В.М., Данилов Г.Д. Новые методы обработки материалов жидкостью сверхвысокого давления, http://www.elektron2000.com/article/1188.html).
Летный этап.
Летный этап начинается, когда устройство выводят с Земли в космос с космическим аппаратом и отправляют по траектории движения к выбранному небесному телу, обеспечивая условия сохранения высоких прочностных свойств созданного ледяного тела (или их минимального и/или заранее учтенного снижения) в космических условиях: защитой от излучений: солнечного и ионизирующего, поддержания на время перелета температуры и давления/вакуума.
Ударное внедрение в грунт небесного тела.
После подлета к выбранному небесному телу устройство, ударяясь о его поверхность, внедряется в грунт и погружается в него. При этом часть защитного корпуса 1, формирующая переднюю полость, удаляется за счет раскрытия и/или отстрела (непосредственно перед или после) или разрушается, нарушая его герметичность, прочным балластом 3 при ударном внедрении в грунт.
При ударном внедрении ударная нагрузка распределяется по всему объему ледяного тела, существенно снижая удельное давление на жестко зафиксированные КНА 4 и удалители льда 5, предохраняя их от разрушения. После удара балласт 3 с задней полостью 6 защитного корпуса 1 продолжают движение в грунте и вытягивают кабель 16, погружаясь в грунт до полной остановки. После остановки балласт 3 с расположенными внутри КНА 4 и удалителями льда 5 оказывается погруженным в грунт.
Юбка 13, изготовленная из мягкого металла, например алюминия, при ударе о поверхность сминается, приобретая вид искривленного хвоста (фиг. 3), минимизируя отскок и сдвиг относительно места входа, и отсоединяется от защитного корпуса 1 фиксируя блок КНА 21 вблизи поверхности с возможностью обзора звездного неба и фиксации космических событий.
Сильное ударное воздействие приводит к активации аккумуляторов 10 и 20, которые переходят из «спящего» состояния в рабочее, начиная питать электроэнергией вторые входы электронных блоков 7 и 17. Также это ударное воздействие фиксируется и системами управления 8 и 18, которые запускают операции подготовительного этапа в грунте небесного тела.
Подготовительный этап в грунте небесного тела.
В начале этого этапа определяется целостность кабеля 16 ив зависимости от результатов этого между электронными блоками 7 и 17 формируется канал связи для обмена сигналами и электроэнергией:
- при целом кабеле 16 проводным способом (проводная связь);
- при разорванном кабеле 16 беспроводным способом (беспроводная связь) за счет создания электромагнитной связи между оборванными его концами: индуктивной связи, подобное антеннам (волноводами) и/или радиосвязи напрямую между блоками связи 11 и 15.
Далее с первого выхода системы управления 8 подается сигнал на удалитель льда 5, включаются его составляющие блоки и к ледяному балласту 3 начинают прикладываться разные физические воздействия (нагревом, излучением, вибрацией, мех. воздействием и др.), приводящее к его удалению за счет: нагрева и испарения (сублимации), растрескивания и отшелушивания. Удаление ледяного балласта 3 освобождает полезный груз в виде КНА 4 и обеспечивает свободный доступ к грунту и готовности к проведению научных исследований.
Исследовательский этап.
После освобождения КНА 4 ото льда и начинается исследовательский этап проведения научных исследований.
Эффективное обеспечение исследований грунта может заключаться, как вариант, в максимальном увеличении длительности научной миссии и числа проведенных научных исследований. Это может зависеть от экономного использования аккумулированной энергией и исключения разрядки аккумуляторов, а также максимальными быстродействием и равной загрузкой вычислительными операциями электронных блоков, в т.ч. синхронной работы КНА 4 и КНА 21 и других операциях, часть которых представлена далее.
Взаимная подзарядка аккумуляторов.
Периодически на разных стадиях этого этапа энергопотребление отдельных блоков может достигать высоких значений для больших расстояний как от Земли до спутника Юпитера Ганимеда, например, у КНА 4 и КНА 21 при проведении научных исследований до 100-150 Вт и более, у блоков связи 11, 15 во время радиопередачи до 150-250 Вт и более и в других случаях.
В связи с тем, что состояние всех аккумуляторов после возможного длительного перелета и мощного ударного воздействия трудно прогнозируемо, то важным является отслеживание и поддержание текущего значения аккумулированной электроэнергии (емкости, заряда, ресурса) аккумуляторов 9, 10 и 19, 20 с целью недопущения какой-либо пары из них до полного разряда и остановки научной миссии. Поэтому введена возможность взаимной подзарядки за счет передачи электроэнергии наиболее разрядившейся паре аккумуляторов от другой пары с большим запасом аккумулированной энергии.
Для этого системами управления 8 и 18 следят за текущим значением аккумулированной энергии двух комплектов аккумуляторов 9,10 и 19, 20 и задают их минимально допустимые уровни, по достижении которых осуществляют передачу электроэнергии разрядившемуся комплекту аккумуляторов от другого комплекта (с возможностью ее перераспределения между аккумуляторами) за счет связи (проводной или беспроводной) между блоками связи 11 и 15. При этом в разные моменты научной миссии каждый комплект аккумуляторов может быть как источником, так и приемником (получателем) аккумулированной электроэнергии.
Проведение научных исследований.
По сигналам управления с первого выхода системы управления 8, подаваемым на КНА 4, задается программа научных исследований, управление ими и опрос измеренных значений. Потом по сигналу со второго выхода системы управления 8 к блоку связи 11 полученная информация и результат ее обработки передается (по кабелю 16 или беспроводно) в блок связи 15. Эта информация опрашивается по сигналу с первого выхода системы управления 8 для возможной дополнительной обработки и/или последующей ретрансляции на Землю и/или космический аппарат.
Проведение научных исследований для определения влияния внешних воздействий на исследуемое небесное тело.
Для определения влияния внешних воздействий, например, гравитационного, магнитного полей других небесных тел или космических событий (вспышка сверхновой) на исследуемое небесное тело научные исследования, в т.ч. и подобные описанным выше, могут быть синхронизированы по сигналу от блока КНА 21.
С помощью блока КНА 21 выбирается одно или несколько небесных тел, задается один или несколько наборов их положений, определяется текущее пространственное положение этих выбранных небесных тел на звездном небе и при их совпадении создается синхронизирующий сигнал на выходе этого блока. Этот сигнал фиксирует наступление космического события в виде определенного положения выбранных небесных тел и используется для синхронизации научных измерений. Он передается последовательно на вход электронного блока 17 (третий вход системы управления 18), с выхода которого на вход блока связи 15 и далее (кабелем 16 или беспроводно) на блок связи 11. Сигналом последнего, поступающим на вход электронного блока 7 (третий вход системы управления 8), с выхода которого по сигналу, поступающему на КНА 4, производятся научные измерения. По одному измерению или их совокупности вычисляют влияние внешних воздействий (значение, векторы направленности, время действия, последствия и др.) на исследуемое небесное тело.
Проведение научных исследований КНА 4 и КНА 21 при их взаимной синхронизации.
Для определенных научных задач, например, определения структуры грунта, идентификации содержащихся в нем объектов, их формы, положения в трехмерном пространстве, необходимо провести двухпозиционную ультразвуковую локацию: с двух разных точек, смещенных в пространстве.
Это может быть осуществлено ультразвуковыми локаторами, установленными в КНА 4 и КНА 21, первый из которых погружен в грунт, а второй вблизи поверхности небесного тела и которые между собой должны быть синхронизированы: с одновременной их работой или с временной задержкой друг относительно друга (фазировано).
Подобная синхронизация осуществляется с помощью связи (кабелем 16 или беспроводно) между блоками связи 11 и 15. По одному из вариантов, система управления 18 формирует на своем выходе сигнал, проходящий через блок связи 15 и далее (кабелем 16 или беспроводно) на блок связи 11. Сигнал последнего поступает на вход электронного блока 7 (третий вход системы управления 8), на выходе которого формируется сигнал, следующий на КНА 4. Как видно, этот сигнал синхронизирован относительно выходного сигнала системы управления 18 и, в итоге, последовательность таких сигналов позволяет синхронизировать и научные исследования, осуществляемые с помощью КНА 4 и КНА 21.
Оптимизация загрузки вычислительными операциями электронных блоков и дублирование данных в памяти.
В процессе научной миссии для повышения быстродействия и других целей, оптимизируют текущую загрузку вычислительными операциями электронные блоки 7 и 17 (и их системы управления 8 и 18) за счет распараллеливания выполнения этих операций между этими блоками. И для повышения надежности хранения данных осуществляют их дублирование.
Предлагаемый способ может быть реализован также и устройством №2 (фиг. 2) и на всех вышеуказанных этапах в основном подобен вышеописанному. Отличие заключается в более простой конструкции и соответственно меньшими функциональными возможностями. При этом в процессе ударного внедрения устройство №2 полностью погружается в массив грунта небесного тела, подобно пуле, до своего полного торможения, создавая проход. После диагностики работоспособности всех блоков по сигналу с первого выхода системы управления 8, являющегося первым выходом электронного блока 7, на удалитель льда 5 удаляется балласт 3 и освобождаются КНА 4 для проведения научных измерений. Далее по другому сигналу с первого выхода системы управления 8 происходит управление процессом научных измерений и опрашивается КНА 4, а полученная информация сигналом со второго выхода системы управления 8, являющегося вторым выходом электронного блока 7, передается в блок связи 11 для передачи радиосигналом на Землю и/или космический аппарат.
Устройство №2 имеет минимальные массогабаритные параметры из-за отсутствия различных соединительных элементов, кабелей и т.д., и может использоваться на более высоких скоростях внедрения в грунт, до ≈4500 м/с, соответствующих средней скорости звука в твердых телах.
Таким образом, сущность предлагаемых технических решений заключается в следующем.
1. Основа предлагаемого изобретения заключается в следующем:
- (при ударном внедрении в грунт) повышение ударостойкости полезного груза в виде КНА 4 за счет размещения его внутри высокопрочного ледяного балласта 3, служащего дополнительным цельным единым защитным телом;
- (после ударного внедрения в грунт) повышение точности измерений параметров грунта и небесного тела за счет освобождения КНА 4 удалением этого ледяного балласта 3 для обеспечения хорошего механического контакта с грунтом.
При этом повышение ударостойкости обусловлено, в первую очередь, следующим:
а) исключением смещений слоев высокопрочного балласта 3 и жесткой фиксацией полезного груза;
б) снижением ударного удельного давления из-за:
- равномерного его распределения по всей площади сечения этого тела, заостренного спереди «под конус» или «под пирамиду». Подобное активно используется строительстве для повышения ударостойкости ж/б свай (Цой Л.Б. Создание конструкций железобетонных свай с повышенной ударостойкостью и внедрение результатов исследований в практику строительного производства./Автореферат диссертации кандидата технических наук, 05.23.01, Челябинск, 1992.);
- за счет особенностей нагружения тел, погруженных в цельный балласт 3, распределяющих внешнее ударное воздействие в зависимости от угла падения. Это позволяет уменьшить нагрузку на КНА специальных форм с малой площадью фронтального падения ударной волны, например, вытянутых и/или округлых (сигарообразных, круглых и др.) форм КНА. Это применяется у военных: для создания округлых танковых башен, касок, снижающих вероятность пробития снарядом или пулей.
г) преобразованием части кинетической энергии от ударного внедрения в тепловую, рассеянную по всему объему тела.
Подобное повышение ударопрочности объектов широко известно на примере т.н. инклюзов - насекомых, застывших в смоле, превратившейся в янтарь. Ударопрочность такого отдельно взятого насекомого минимальна, но, будучи замурованным в цельное единое тело, приближается к ударопрочности янтаря.
Другой пример основан на динамике тел, погруженных в материалы, в частности в жидкость, который реализуется, например, широко распространенном гидрозаполнении манометров. Так внешнее ударное воздействие существенно гасится, снижается за счет объема жидкости, а с увеличением ее плотности и объема растут и значения этого снижения (Павлюк Ю.С., Сакулин В.Д. Динамика тел, погруженных в жидкость / Вестник ЮУрГУ, Серия «Машиностроение», выпуск 8, с. 15-20.).
Для создания такого цельного единого защитного тела предлагается использовать дистиллированную воду или нафталин, или растворы на их основе. Так из дистиллированной воды можно сформировать три модификации льда (лед-VII, -VIII, -X) с хорошо изученными свойствами как для создания балласта 3, так и для последующего его удаления. Созданный из дистиллированной воды балласт 3 на основе такого льда, будет иметь высокую прочность, защитит полезный груз при ударном внедрении в грунт и одновременно является достаточно легко удаляемым, в первую очередь, за счет нагрева и активной сублимации, не загрязняя космическое пространство по международным соглашениям.
2. В устройстве №1 также предлагается использовать аккумуляторы, активируемые переходом от, так называемого, «спящего» к рабочему режиму ударным воздействием при внедрении устройства в грунт. Это позволяет существенно сэкономить ресурс работы аккумуляторов на время от начала старта с Земли до внедрения в грунт исследуемого небесного тела, которое при исследовании спутников Юпитера, Ганимеда или Ио может составить около 10 лет.
3. В устройстве №1 для увеличения длительности работы после внедрения пенетратора в грунт, а также расширения функциональных возможностей предлагается использовать кабель 16 с возможностями:
- (если он цел) проводной связи;
- (при его обрыве) беспроводной электромагнитной связи между его концами с индуктивной связью и/или радиосвязью и/или волноводной связью, используя его концы в качестве антенн и/или волноводов.
Этим могут минимизироваться последствия обрыва кабеля 16, максимально возможного продления научной миссии, а также оптимального использования ее ресурсов: остаточной емкости всех аккумуляторов, производительности обработки и емкости хранения данных системами управления 8 и 18 и т.п.
Оценки технологичности создания балласта 3 на основе льда-VII и его прочности.
Лед-VII может быть создан существующим в настоящее время оборудованием, например, Института ядерной физики в Гейдельберге (Германия), Института физики высоких давлений РАН им. Л.М. Верещагина (Москва), Института спектроскопии РАН (Москва), Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов (г.Троицк) по двум вариантам (https://ru.wikipedia.org/wiki/Лед_VII, Martin Chaplin. Water Structure and Science, http://www1.lsbu.ac.uk/water/water_strucrure_science_html):
- вариант 1 (напрямую):
сжатие воды (при Т≥+82°С и Р≥2,216 ГПа) и формирование льда-VII,
- вариант 2 (в два этапа, через промежуточную фазу в виде льда-VI):
сжатие воды (при Т≈+27°С и Р≥1,1 ГПа) и формирование льда-VI, сжатие льда-VI (при Т≈+27°С и Р≥2,216 ГПа) и формирование льда -VII.
Лед-VII формируется в диапазоне давлений от 2,216 ГПа до ≈70 ГПа, поэтому минимальное значение прочности льда можно оценить также на уровне 2,216 ГПа. По пределу прочности на сжатие это значение выше, чем у высокопрочного бетона Ml000 (100 МПа), стали (≤1 ГПа), алмаза (≈2 ГПа), немного уступает карбиду кремния (SiC, карборунд) ~2,3 ГПа, самосвязанному карбиду кремния (~2,5 ГПа) (https://ru.wikipedia.org/wiki/Карборунд), но ниже, чем у трип-стали (3 ГПа), никель-графенового композита (4 ГПа) или фуллерита (150-300 ГПа).
Практическая реализация предлагаемого в изобретении не противоречит, а основывается на использовании и является продолжением современного, уже достигнутого уровня развития методов и средств в следующих областях техники и технологий: криогенная техника, ракетно-космическая техника, радиотехника, материаловедение, техника высокого давления и т.п.
Для радиоэлектронных систем к настоящему времени достигнут уровень максимальной перегрузки до 100000g (Генератор для систем высокоточных боеприпасов выдерживает перегрузки до 100000g, http://www.iqdfrequencyproducts.com, http://national-semiconductor.datasheet.su/news/2339:2013-07-11). Поэтому возможность использования таких радиоэлектронных средств в электронных блоках, выдерживающих большие перегрузки, не вызывает сомнений.
Таким образом, как видно из всего описания, предложенное изобретение позволяет повысить ударостойкость полезного груза при доставке его в грунт небесных тел со скоростями внедрения в диапазоне от 300 м/с до ≈4500 м/с; повысить точности измерений за счет прямого контакта с грунтом в процессе измерений и длительность работы после внедрения пенетратора в грунт, а также расширяет функциональные возможности за счет возможности беспроводной связи для обмена сигналами и электроэнергией между электрическими частями устройства при обрыве кабеля (для устройства №1).
Данное изобретение может быть практически реализовано несколько по-другому, чем конкретно описано, без отступления от сущности и в объеме заявленной формулы.