Способ и устройство взятия проб вещества с поверхности астрономического объекта Российский патент 2017 года по МПК B64G1/66 G01N1/22 

Изобретение относится к космическим технологиям, а именно к способам и средствам взятия проб вещества с поверхности астрономического объекта (АО), например астероида или кометы, что является ближнеперспективной задачей современной космонавтики.

Известен японский космический аппарат (КА) «Хаябуса» («Сокол»), целью создания и полета которого была доставка на Землю образца грунта с астероида «Итокава» [1]. Научная аппаратура «Хаябусы» включала: грунтозаборное устройство, многодиапазонную камеру для картографии и навигации, многолучевой инфракрасный лазерный дальномер, спектрометр ближнего инфракрасного диапазона для определения минерального состава поверхности, флуоресцентный рентгеновский спектрометр для изучения элементного состава поверхности. Забор грунта планировалось выполнить следующим образом: при контакте с поверхностью выстрелить в нее танталовой пулей, собрать разлетающиеся песчинки в небольшую капсулу и сразу уйти вверх. В действительности, когда труба грунтозаборника коснулась поверхности, выстрела, который должен был образовать облачко пыли, не произошло. Вследствие потери устойчивости аппарат упал на поверхность.

На базе опыта полета «Хаябусы» в Японии разрабатывается зонд «Хаябуса-2», принципиально не отличающийся от «Хаябусы». Планируется около 2020 г. доставить образцы, взятые не с поверхности астрономического объекта (АО), а с некоторой глубины. Для этого специальный 30-сантиметровый импактор произведет на поверхности взрыв, образуя метровую воронку. На дне ее станет доступен внутренний материал астероида. Для надежности аппарат оснастят двумя системами сбора астероидного вещества - механической и на основе особой липкой субстанции.

Необходимо отметить, что «Хаябуса» как зонд для первых контактов с астероидами избыточно усложнен. Нерациональная технология контакта грунтозаборного устройства с поверхностью стала причиной потери устойчивости аппарата «Хаябуса» и падения его на поверхность. Разрабатываемый аппарат «Хаябуса-2» страдает недостатками, присущими его предшественнику.

Известен проект "Розетта" по доставке к комете Чурюмова-Герасименко аппарата Philae для посадки на комету и проведения ряда исследований [2]. Было осуществлено три попытки осуществить посадку, при этом не срабатывали гарпуны, которыми аппарат Philae должен был закрепиться на поверхности кометы. Грунт оказался каменистым, а не «пушистым», как предполагалось, и посадочный аппарат отскакивал от поверхности. Из-за непрочного закрепления на поверхности не удалось осуществить бурение и взятие пробы грунта, что являлось одной из основных задач полета. Переход на усиленные режимы бурения - 1, 2, 3 и 4 (с увеличением мощности) положительных результатов не дал, так как это не увеличило прочности закрепления гарпунов на поверхности кометы. Предварительный анализ технологии посадки и ее конструктивного обеспечения, а именно: отсутствие данных о характере поверхности, микрорельефе в местах предполагаемой стыковки с кометой, отсутствие надежных средств внедрения гарпунов в грунт, позволяет сделать вывод о низкой надежности решения этой задачи, что и было подтверждено реальным ходом событий.

Из рассмотрения приведенных выше аналогов следует вывод, что попытки ввести КА в механический контакт с АО приводят к авариям или, по крайней мере, снижают надежность выполнения задачи взятия пробы.

По близости технического решения предлагаемому способу прототип не выявлен. Для заявляемого устройства прототипом является [2].

Задачей изобретений является повышение надежности и безопасности взятия проб вещества с поверхности астрономических объектов, например астероидов и комет.

Задача решается тем, что способ взятия проб вещества с поверхности астрономического объекта заключается в том, что космический аппарат вводят в режим зависания над поверхностью астрономического объекта, осуществляют воздействие на поверхность астрономического объекта направленным электронным лучом, частично локализуют и конденсируют паровой поток, образованный в результате термического испарения вещества поверхности астрономического объекта данным лучом.

Задача решается также тем, что устройство взятия проб вещества с поверхности АО содержит средство воздействия на поверхность АО и элемент сбора пробы вещества поверхности АО, при этом средство воздействия на поверхность АО установлено на торце КА и выполнено в виде источника направленного электронного луча с блендой, элемент сбора вещества установлен перед источником направленного электронного луча и выполнен в виде подложки с центральным осевым отверстием, закрепленной на торце КА, причем источник, бленда и отверстие подложки соосны.

На фиг. 1 показано устройство взятия проб вещества с поверхности астрономического объекта.

На чертеже:

1 - космический аппарат;

2 - источник направленного электронного луча;

3 - подложка;

4 - бленда;

5 - паровой поток;

6 - поверхность астрономического объекта.

Реализация способа и эксплуатация устройства заключаются в следующем: космический аппарат 1 приводят в режим зависания над поверхностью АО 6, осуществляют воздействие электронным лучом источника направленного электронного луча на поверхность АО 6. При этом происходит термическое испарение вещества поверхности АО 6 от нагрева за счет электронной бомбардировки. Давление пучка электронов вытесняет пары из образовавшейся воронки и способствует стабилизации парового потока 5 с определенной диаграммой направленности. Паровой поток 5, частично локализованный блендой 4, конденсируется на подложке 3, при этом осаждающийся на ней твердый осадок является материалом для многопараметрического анализа при возвращении на Землю или на борту КА.

Использование электронно-лучевого нагрева для испарения вещества с поверхности астрономического объекта с последующей конденсацией на подложке обеспечивает взятие пробы вещества без механического контакта. Это не нарушает устойчивость космического аппарата, обеспечивает надежность и безопасность взятия пробы вещества исследуемого астрономического объекта, например астероида или кометы.

Таким образом, совокупность отличительных признаков изобретения обеспечивает надежное решение поставленной задачи.

Литература

1. Журнал "Вокруг Света": Соколиная охота, №1 (2844) январь 2011.

2. INERFAX.RU. 13 ноября 2014 г. //NEW Sru. Com // В мире // 13 ноября 2014 г.

Группа изобретений относится к активным исследованиям астрономического объекта (АО), например астероида или кометы. Способ включает воздействие на поверхность АО направленным электронным лучом с борта космического аппарата, зависшего над поверхностью этого АО. Продукты испарения грунта АО улавливаются сборником вещества (подложкой с блендой), установленным на аппарате перед источником электронного луча. Техническим результатом группы изобретений является повышение надежности и безопасности взятия проб вещества с поверхности астрономических объектов. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ взятия проб вещества с поверхности астрономического объекта, отличающийся тем, что космический аппарат вводят в режим зависания над поверхностью астрономического объекта, осуществляют воздействие на поверхность астрономического объекта направленным электронным лучом, частично локализуют и конденсируют паровой поток, образованный в результате термического испарения вещества поверхности астрономического объекта данным лучом.

2. Устройство взятия проб вещества с поверхности астрономического объекта, содержащее средство воздействия на поверхность астрономического объекта и элемент сбора пробы вещества поверхности астрономического объекта, отличающееся тем, что средство воздействия на поверхность астрономического объекта установлено на торце космического аппарата и выполнено в виде источника направленного электронного луча с блендой, элемент сбора вещества установлен перед источником направленного электронного луча и выполнен в виде подложки с центральным осевым отверстием, закрепленной на торце космического аппарата, причем источник, бленда и отверстие подложки соосны.