1. вчений камікадзе
2. Зведений механізм
3. Венера: пекельна геологія
4. Принцип зубної щітки
5. Місяць: справа міцних чоловічих рук
6. філія Марса

Після того як NASA було змушене відмовитися від планів освоєння Місяця, на перше місце в списку завдань агентства вийшов таємничий Марс і астероїди, космічні хулігани, раз у раз загрожують Землі своїми ризикованими маневрами. Найважливішим етапом їх вивчення буде масштабна геологорозвідка. Ясна річ, альпенштоками і ручними бурами тут не обійтися.

Комети і астероїди відносяться до маловивчених об'єктів Сонячної системи. Звідси зрозумілий підвищений інтерес вчених до цих часто непередбачуваних і смертельно небезпечним космічним бродягам. Першим проектом в історії їх освоєння, в якому на провідних ролях виступили астрогеології, стала місія до комети Wild-2, яка стартувала взимку 1999 року. Автоматичну міжпланетну станцію Stardust інженери Lockheed Martin Astronautics створили спеціально для збору і доставки на Землю кометної речовини.

На шляху до галактичної мандрівниці Stardust трохи покрутився навколо Місяця, заскочив в гості до маленького астероїда Анніфранк і в очікуванні справжнього справи попрацював космічним пилососом. Проблема збору мікроскопічних зразків була вирішена досить оригінально: пилинки, які летять на шалених швидкостях, ловила капсула-сачок зі 132 осередками, наповненими аерогелем. Ця високотехнологічна субстанція з рекордно низькою серед твердих тіл щільністю була винайдена американцем Стівеном Кистлер ще в 1931 році. Аерогелевие пастки працюють настільки м'яко, що в них не руйнуються навіть тендітні органічні молекули, «налиплі» на космічні частинки. 15 січня 2006 капсула з Stardust повернулася на Землю, доставивши дослідникам унікальний матеріал в цілості й схоронності.

Відправляючи апарат Stardust до комети Вільде, також відомої як Wild-2, вчені очікували побачити на фотографіях щось на зразок запиленого чорного сніжку. Замість цього перед ними постало тверде небесне тіло зі складним рельєфом: піками висотою до 100 м, кратерами глибиною до 150 м. Діаметр найбільшого кратера «Ліва нога» досягає кілометра, а по площі він становить п'яту частину поверхні комети. У зразках пилу була виявлена ​​амінокислота гліцин і рідкісний на Землі ізотоп вуглецю.

вчений камікадзе

У випадку з кометою Темпеля NASA використовувала інший геологічний інструмент - досить грубий, але ефективний. 4 липня 2005 року космічний апарат Deep Impact під час максимального зближення з тілом комети випустив спеціальний зонд Impactor, який представляв собою мідну торпеду, начинену дослідницької апаратурою. Зонд на величезній швидкості зіткнувся з кометою і зруйнувався, в результаті чого стався масивний викид кометної речовини об'ємом приблизно 10 000 т. Проте чутливі прилади зонда встигли зробити експрес-аналіз хімічного складу ядра комети. У пробах була виявлена ​​органіка, походження якої до сих пір невідомо.

У липні цього року в Західній Австралії нечисленні аборигени могли спостерігати феєричне видовище - вогняне шоу повернення на Землю японського зонда Hayabusa, за сім років вчинила космічну подорож протяжністю 2 млрд кілометрів. Залізяка розміром з двокамерний холодильник безслідно згоріла в атмосфері, але її цінний вантаж - герметична капсула з декількома миллиграммами інопланетного речовини - благополучно приземлилася на Зеленому континенті. Японський сокіл увійшов в історію цивілізації як перший космічний апарат, що почав геологічні вишукування на астероїдах. Як і у випадку з кометою Темпеля, японці вибрали найпростіший і єдино можливий на тому етапі розвитку технології спосіб отримання зразків грунту з загубленого в нетрях космосу гігантського кругляка під назвою Ітокава - бомбардування. Буріння на Ітокава було б вельми проблематічним- гравітація на його поверхні в 60 000 разів слабкіше, ніж на Землі.

Зразки грунту, взяті станцією «Венера-13», містили 45% оксиду кремнію, 4% оксиду калію, 7% оксиду кальцію. Порода, доставлена ​​на Землю апаратом «Венера-14», мала дещо інший склад: 49% оксиду кремнію, 10% оксиду кальцію і лише 0,2% оксиду калію. На місці посадки «Венери-14» склад грунту приблизно відповідає земній океанічному базальту. Атмосфера Венери складається здебільшого з вуглекислого газу (96%) і азоту (4%).

Hayabusa підлетів до астероїда і, як гігантський комар, вжалив його двома важкими танталовими пелетами. Піротехнічний заряд розігнав шматочки металу до 1100 км / год. Піднявся при цьому фонтан пилу і каменів повинен був опинитися в трубі-пастці. Правда, при обстеженні капсули в ній виявилося всього 5 мг речовини. Можливо, причина настільки мізерного улову - тверда кремниста порода, з якої складається Ітокава. Втім, існує й інший тип астероїдів, складених з пухких вуглистих мінералів. Саме на них звернули свої погляди інженери компанії Astrium, підрозділи європейського концерну EADS.

Зведений механізм

Група Лайзи Пікок розробляє пенетратора для майбутніх місій в пояс астероїдів. Технічні рішення, знайдені під час цієї роботи, допоможуть надалі створити більш ефективні інструменти для освоєння Марса. На астероїдах можна потренуватися і командам, які займаються технологіями транспортування космічних матеріалів на Землю. Спочатку роботи проводилися в рамках місії Marco Polo, в якій брали участь європейське космічне агентство ESA і японське JAXA.

Венера: пекельна геологія

Умови на планеті, за іронією долі здавна символізує любов, можна назвати справжнім пеклом: півтисячі і більше градусів спеки, моторошне тиск в 95 атмосфер і важке п'ятдесятикілометрового ковдру отруйної атмосфери. І все ж в 1982 році відразу два радянських апарату - Венера-13 і Венера-14 - досягли поверхні цієї розпеченої сковорідки і провели на ній унікальні бурові операції. Роботи здійснювалися на спеціальних верстатах, розроблених в Ташкентському КБ машинобудування. Створення грунтозаборного пристрої для Венери зайняло півтора року, а до цього протягом п'яти років хіміки готували для неї особливі сплави. Конструкторам потрібен був новий ефективний електродвигун. Алмазна бурова коронка верстата за дві хвилини мала заглибитися в дуже твердий скельний грунт майже на 3 сантиметри. 120 мотосекунд - це граничний ресурс агрегату в подібних умовах. Транспортування окремих колонок керна в герметичний рентгенограф проводилася за системою трубопроводів. Для цього використовувалися Піропатрони, періодично пробивали спеціальні прокладки, через які всередину системи проникали атмосферні гази. Під їх натиском порції грунту проривалися в камеру, де тиск вирівнювалося до 0.06 атм завдяки відкриттю клапана вакуумного балона. Унікальність цієї установки визнали навіть американці з NASA, так і не ризикнули повторити радянський трюк з бурінням в космічному пеклі. У 1985 році ташкентське ГЗУ ще раз побувало на Венері в рамках міжнародної місії до комети Галлея. Модернізована версія оригінального верстата, закріплена на посадковому апараті Вега-1, успішно провела буріння в іншому районі планети. В цей же час колектив ТашКБМ закінчив розробку прототипів ГЗУ і пенетраторов для досліджень геології Марса і його супутника Фобоса, але гримнула розвал Союзу поховав ці проекти в архівах лабораторій.

Завданням, яку поставили перед групою Лайзи Пікок, було створення простого автоматичного механізму без зовнішнього джерела енергії, здатного здійснити забір проби грунту масою 40 г протягом короткого п'ятисекундного контакту з поверхнею астероїда. Такий маневр необхідно було повторити щонайменше тричі. Далі зібраний матеріал повинен був бути законсервований і доставлений на Землю. Незважаючи на те що місія була скасована, група Пікок продовжила роботу в розрахунку на нові проекти.

На старті у інженерів Astrium було досить пухке портфоліо з 20 оригінальних концепцій. Для взяття проб пропонувалися мініатюрні лопати, конвеєрні стрічки, щітки, клейкі пластини і т. Д. В результаті з них були обрані три ідеї з мінімальним ризиком відмови в екстремальних умовах відкритого космосу - дротик з наконечником у вигляді квітки, пелюстки якого змикаються при поглибленні; парний совок, загрібають грунт і закривається в коробочку; коронообразних виколотка з внутрішньої нейлонової щетиною для затримки пилинок. Джерело енергії у всіх концепціях- потужна кручена пружина.

В результаті первинного тестування було вирішено з'єднати всі три ідеї в гібрид - титановий пелюсткові-ударний механізм, забезпечений щетиною, що знаходиться всередині трубки з конічною нижньою частиною. У такому випадку під час проникнення в астероїдний реголіт пелюстки повинні будуть скластися в жменю, захоплюючи пробу, а щетина зможе зафіксувати найдрібніші пилинки матеріалу між своїми волокнами. Два обертових ексцентрика на верхній частині труби з механічною заводний пружиною повинні забезпечити вібрацію, яка підвищить ефективність забуріванія.

За словами Лайзи Пікок, пружинний Пенетратор відмінно працює на матеріалах, що імітують вуглистий реголіт. Інженерам залишилося лише налаштувати потужність пружин, підібрати оптимальну жорсткість щетини і довести геометрію окремих елементів механізму до ідеалу. Розробка Astrium вже привернула увагу NASA, і цілком можливо, що ми побачимо її в справі під час майбутніх американських місій на Марс і астероїдів. В такому випадку Пенетратор Лайзи Пікок виявиться в ненудної компанії з мініатюрним буровим станочки компанії Honeybee Robotics.

Принцип зубної щітки

Компанія Honeybee Robotics займається розробкою систем для роботизованого позаземного буріння з 1987 року. В середині 1990-х вона побудувала для NASA унікальну бурову установку SATM для роботи на кометах з глибиною буріння до 1,2 м. Тоді ж був створений крихітний мобільний агрегат Mini-Corer для установки на марсіанських роверах. Але з різних причин ці проекти були відхилені. Першим механізмом компанії, що полетів в космос, став Rock Abrasion Tool (RAT) для руки-маніпулятора Robotic Arm (RA) марсіанського всюдихода Lander, успішно випробуваний в 2003 році.

RAT став першим буровим агрегатом в історії, пробив шурф на іншій планеті. Ця машинка, готова працювати роками без ремонту і обслуговування, оснащувалася бурової штангою діаметром 4,5 см, титанової коронкою з алмазним напиленням і трьома електромоторчиками по 11 Вт кожен. За дві-три години коронка RAT на швидкості до 3000 об / хв могла просвердлити надзвичайно тверду породу на глибину 3 см, виймаючи з неї стовпчик керна діаметром 8 мм. І це при масі 685 г і розмірах з банку коли! Крім того, на RA був встановлений циркулярний рашпіль з совком-уловлювачем, призначений для отримання проб грунту з поверхні.

Місяць: справа міцних чоловічих рук

Майже п'ятдесят років тому для місячних місій Apollo було створено ціле сімейство ручного геологічного обладнання - від алюмінієвих совочков на телескопічною ручці, до компактної бурової машини. Перші проби місячного реголіту були зібрані за допомогою примітивного кліщового захоплення астронавтами корабля Apollo 11. Громіздкі шафоподібний скафандри Ніла Армстронга і База Олдрина дозволили їм насилу наколупав близько 22 кілограмів камінців. Процедура передбачала обов'язкову фотозйомку зразків і, коли дозволяв час, опис місця знахідки. Друга експедиція місії привезла на Землю вже близько 35 кілограмів реголіту і керна, здобутих совком на довгій рукоятці і ручним буром діаметром 2 см, забиває в грунт майже на 0.70 метра. Астронавтові Чарльзу Конраду для цього довелося неабияк помахати молотком - кожен удар поглиблював шурф всього на сантиметр з хвостиком. Надалі інструментарій удосконалювався і поповнювався новими найменуваннями. У Юджина олень і Харрісона Шміта, останніх людей, що побували на Місяці, в арсеналі був не тільки хитромудрий алюмінієвий телескопічний совок з загарбним пристроєм і граблі з нержавійки, а й справжній буровий верстат. Електричний ударний бур Apollo Lunar Surface Drill (ALSD), розроблений і виготовлений з титану компанією Martin Marietta міг вийняти стовпчик керна діаметром 2 см з глибини трьох метрів. Бурова коронка ALSD з карбіду молібдену була розроблена компанією Chicago Latrobe. При вазі 13.4 кілограма агрегат споживав 430 Вт потужності. Для транспортування добутих зразків на Землю астронавтами використовувалися мішечки, які укладалися в герметичні алюмінієві контейнери, схожі на валізи. Всього ж за підсумками шести експедицій в лабораторіях NASA виявилося понад 380 кілограмів реголіту різних фракцій. Треба сказати, що вся оснастка для геологічних вишукувань, привезена на Місяць кораблями Apollo, була там же і кинута - кожен грам маси повертається модуля був на вагу золота.

Новий проект Honeybee під назвою MARTE безпосередньо пов'язаний з сенсаційним відкриттям крижаних масивів на Північному полюсі Червоної планети, прихованих від спостерігачів під тонким шаром пухкого грунту. На думку астробиологов, в товщі марсіанського льоду можуть існувати деякі форми життя. MARTE - це автоматизована система буріння з витяганням керна, здатна проникнути в марсіанську вічну мерзлоту на 10 м. Її маніпулятор має десять осей рухливості, а коронки бурового механізму посилені алмазним напиленням. Витяг уламків породи з шурфу здійснюється шнековим механізмом. MARTE видає керн діаметром 2,7 і довжиною 25 см. Потужність системи не перевищує 150Вт, а тиск на бур становить 450 Н.

Для MARTE інженери Honeybee протестували різні види буріння - ротаційне, ротаційно-реактивно-акустичне і ротаційно-ударне. За словами провідного інженера компанії Гейла Полсена, ротаційне буріння було відкинуто відразу. Для нього потрібно занадто великий тиск на бурову колону, яке маніпулятор робота створити не в змозі, - адже лід на Марсі має твердість кварцу. При ротаційно-реактивно-акустичному бурінні колона працює, як електрична зубна щітка: обертові на 300 об / с ексцентрики викликають в ній високочастотну вертикальну вібрацію. Укупі з обертанням це створює в рази більший тиск між поверхнею долота і породою, ніж при звичайній ротації.

У процесі зборки перебуває інноваційна ротаційно-ударна установка. Тут замість дрібної вібрації використовуються удари біти особливого пружинного механізму по ковадлу, закріпленої на верхньому кінці колони, з частотою 30-40 повторень в секунду. Для фінальної версії MARTE буде обрана одна з цих методик або їх поєднання.

Три радянських місячних розвідника зуміли доставити додому лише 326 грамів дорогоцінного місячного грунту. У 1970 році станція Луна-16, оснащена ГЗУ (грунтозабірний пристрій) ротаційного буріння з працею вигризла зі скельної породи Моря Достатку 101 грам керна. Через два роки нову партію реголіту масою 55 грамів вдалося добути Місяці-20. В серпня 1976 ГЗУ станції «Луна-24» прекрасно відпрацювало на поверхні Моря Криз, відібравши три зразка реголіту з глибин 100, 150 і 190 сантиметрів загальною масою 170 грамів.

філія Марса

Випробування установок Honeybee виділені NASA в спеціальну програму IceBite, розраховану на три роки, якою керує планетолог з дослідницького центру NASA Моффет Філд Кріс Маккей. Команда Маккея знайшла на Землі кілька місць для проведення тестів, щодо схожих на Марс екстремальними умовами. Це чилійська пустеля Атакама, район станції Мак-Мердо в Антарктиді, заполярний канадський острів Девон і ... нью-йоркський Бруклін. Саме в Брукліні інженери Honeybee зуміли побудувати маленький Марс всередині великий морозильної камери з нержавіючої сталі.

За п'ятисантиметровими стінками Mars Simulation Chamber панують моторошний холод (-80 ° С) і вакуум. У камері знаходиться товста крижана брила, покрита пухким грунтом, в яку по черзі вгризаються прототипи бурових установок. Проте, за словами Гейла Полсена, створити в Mars Simulation Chamber умови, аналогічні марсіанським, не виходить. Наприклад, лід на Марсі при бурінні не стає водою, як на Землі, а відразу випаровується. Комп'ютерне моделювання процесу показало, що це буде феєрична картинка - виривається з марсіанського шурфу гейзер з пара, часток породи і дрібного пилу. Полсен стверджує, що таким чином сама природа вирішує серйозну проблему очищення шурфу від зайвого матеріалу.

Коли проект IceBite буде завершено, Mars Simulation Chamber НЕ поріжуть на металобрухт - в ній будуть проходити випробування інші системи буріння для нових місій на Місяць, Марс, астероїди і супутник Юпітера Європу.

Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №11, Січень 2010 ).