Deep drill (DeeDri) for Mars application

Автор: P.G. Magnania, E. Rea;, T. Ylikorpia, G. Cherubinib, A. Olivieric
Источник: Planetary and Space Science

Глубокое бурение на Марсе может обеспечить образцы почвы, взятые из глубины, которые представляют большой научный интерес для анализа с помощью приборов, существующих на материнской плате транспортного средства экспедиции. Ключом к успешному сбору образцов и их доставке является развитый эксплуатационный и надежный буровой инструмент с возможностями отбора проб, надлежащим образом собранными в буровой экспедиции.

В этом контексте, Galileo Avionica участвует в проектировании и разработке буровых систем, в том числе аппаратных прототипов и тестовых образцов,которые подходят для работы в планетарных и кометных средах. Несколько прототипов бурового инструмента были разработаны, изготовлены и испытаны. Новые концепции находятся в стадии разработки. Тестирования выполненных до сих пор образцов указывают на возможность бурового инструмента подходить для работы в очень различных типах пород. Они способны надежно собирать, восстанавливать и распространять образцы пород. Эскизный проект буровых компоновок, с использованием одного породоразрущающего инструмента и нескольких стержней собраных во время работы, показывает их способность достигнуть необходимых действий в соответствии с ресурсами, позволенными транспортным средством Марса.

Ключевые слова: Бурение; Проба; Глубина Внедрения; Одностержневой; Многостержневой

Установка для глубокого бурения для исследования Марса

1. Введение

Программа DeeDri финансируется итальянским Космическим агентством (ASI) в структуре сотрудничества с NASA для Миссий Исследования Марса: в рамках этой программы основной механизм представленного образца предназначен, чтобы собрать пробы с поверхности Марса и образцы почвы недр и опустить их в систему хранения на планетарном транспортном средстве. Опытный образец был разработан Tecnospazio и Galileo Avionica, чтобы проверить функциональность, идентифицировать критичность и лучше подобрать требования для будущих установок.

Прототип бурового инструмента состоит из полых стальных труб, оснащеных резьбой шнека на внешней поверхности и буровым инструментом в нижнем конце. Инструмент бурит скважины диаметром 35 мм. Его центральная часть (поршень) съемная, полая внутри, что позволяет собрать образец керна внутри полости.

Образец керна имеет размер 14 мм в диаметре и 25 мм в длину. Механизм позволяет собирать не только образцы керна, но и порошкообразные частицы. Диаметр инструмента может быть уменьшен, чтобы осуществлять бурение и отбор проб с более низкой частотой вращения и осевой нагрузкой.

Версия DeeDri направлена на большую углубку, чем прототип и может быть разработана, как одно-или многостержневая система. Многостержневая система разработана технологией сборки соответствующего числа стержней: их сборка может быть осуществлена по-очереди (и впоследствии демонтирована) с коронкой бурового инструмента. Глубины бурения DeeDri коронкой без подьема инструмента до 3 м.

2. Конструкция Бурового Инструмента

Представлены две различные системы DeeDri в этой статье:

1. Одностержневое исполнение, для скважин глубиной до 1 м.
2. Многостержневое исполнение, для скважин глубиной до 3 м

Обе концепции используют для бурения специальные коронки и инструмент для отбора проб, разработанный специально для пород типичного Марса; прототип инструмента был изготовлен и испытан с различными материалами, как описано далее.

В многостерженевом варианте был использован разработанный инстуремент, соединенный по методике муфтами в свечи бурильных труб. Среди нескольких различных вариантов данная схема оказалась самой надежной с наименьшими рисками преждевеременного выпадания стержня. Резьбовое соединение не может быть случайно разомкнуто (в этом случае части бурильной колонны могут быть утеряны). Нельзя тянуть, толкать и скручивать инструмент. Кроме того, автономные части при вращении против часовой стрелки представляет собой естественно встроенный предохранительный механизм, который позволяет извлечь буровую штангу (в этом случае она должно застрять в почве). Соединение оборудовано электрической подачей,чтобы обеспечить вращение инструмента во время бурения и другое его перемещение.

Оба варианта включают в себя сборку контактными кольцами (10-15 штук в зависимости от варианта) и кабель для передачи питания и передачи нагрузки на буровой инструмент. Кроме того, система обеспечивает возможность измерения нагрузки при бурении, крутящего момента и глубины, а также поддерживает движущиеся части во время запуска. Компоненты выбранные для проектирования легко доступны (разъемы, двигатели и преобразователи)и выполнены из высококачественной продукции (контактные кольца сборки, датчики силы, подшипники), который применимыми в космическом проектировании.

2.1. Одностержневое исполнение

Это исполнение бурового инструмента направлено на опробывание с высокой надежностью и низкой массой установки с помощью одного бурового инструмента (рис. 1) без одноразовых или взаимозаменяемых компонентов.

Инструмент в одностержневое исполнении производит бурение скважин диаметром 25 мм до 1 м глубиной, имеет размеры 1251 мм × 220 мм × 155 мм, а его вес составляет около 7,32 кг, в том числе подвижного инструмента внутри буровой штанги, и внешних кабелей, механизма позиционирования и контроля электроники.

Отобранные образцы могут быть извлечены для отдельного хранения на платформе. После этого процедура отбора проб может быть повторена, при этом возможно опробование в нескольких желаемых местах или различной глубины. В дополнение к электрической системе проходная система включает в себя также оптический поворотный узел для оптической передачи данных между буровым инструментом и космическихм аппаратом.

2.2.Многостержневое исполнение

Многострежневое исполнение направлено на увеличение глубины внедрения с уменьшенной высотой системы, потому что внутри более ограниченный объем на малогабаритных планетарных транспортных средствах исследования. Буровые штанги разделены на части до десяти отдельных бурильных труб, которые хранятся внутри буровой системы(Рис. 2).

Система обеспечивает хорошую гибкость, поскольку некоторые бурильные трубы могут быть заменены дополнительными породоразрушающим инструментом, имеющим различную конструкцию для различных условий отбора пробы.

Многостержневое исполнение предназначено для бурение на глубину до 5 м, с бурильной колонной состоящей из бурильных труб диаметром 23 мм. На данный момент проект выполнен размером 540 мм × 175 мм × 175 мм, весит около 8300 г (без учета внешних кабелей и управляющей электроники). Углубка может быть достигнута увеличением высоты системы (с некоторым увеличением массы). Но она снижена на 1 м глубины бурения (это основывается на многостержневом исполнении системы) до 390 мм что уменьшает массу системы на 400 г.