Устройство для измерения теплофизических характеристик грунта Российский патент 2020 года по МПК G01K13/00 E21B47/07 B64G4/00 G01N25/18 

Изобретение относится к конструкции научной аппаратуры космических аппаратов, а именно к устройству, предназначенному в первую очередь для измерения теплофизических характеристик лунного грунта, хотя оно может быть использовано для изучения грунта и других небесных тел, например, Марса и его спутников.

Полеты автоматических и пилотируемых космических аппаратов к Луне к настоящему времени позволили определить некоторые теплофизические характеристики лунного грунта. Однако особенности устройств для их определения обусловили недостаточную их точность: особенности конструкции устройства, использовавшегося в пилотируемых полетах, вносили искажения в исследуемое температурное поле, а степень спрессованности грунта в процессе его забора грунтозаборником при полетах автоматических космических аппаратов вносила существенные искажения в исследуемые параметры. Поэтому решение перспективных задач по исследованию Луны, включая задачу по созданию обитаемой лунной базы на ее поверхности, требует проведения исследований теплофизических характеристик лунного грунта на более высоком уровне. Известные аналоги устройств для исследования теплофизических свойств грунтов в скважинах не в полной мере решают эту проблему.

Известно устройство для измерения теплофизических характеристик грунта спутника Марса Фобоса космическим аппаратом, совершающим посадку на его поверхность (см., М.Я. Маров, «Эксперимент термофоб: прямые исследования теплофизических свойств грунта Фобоса», «Астрономический вестник», том 44, №5, стр. 393-402). Космический аппарат для этого эксперимента снабжен посадочными опорами, на каждой из которых размещено устройство для измерения теплофизических характеристик грунта. Каждое из устройств включает источник тепла, выполненный в виде пленочного нагревателя, и датчик температуры. Устройство конструктивно совмещено с опорной пятой посадочного устройства. Основным недостатком этого устройства является невозможность измерения теплофизических характеристик грунта на разных глубинах в подповерхностных областях грунта. Кроме того, совмещение в одном узле источника тепла и датчика температуры с опорной пятой посадочного устройства определяет существенную зависимость результатов измерений от характера контакта грунта с посадочной опорой и, соответственно, с источником тепла и датчиком температуры.

Из уровня техники известны устройства для измерения теплофизических характеристик грунта в земных условиях (см., например, патенты на РФ на изобретения 2448335, 2597339, 2658552, 2660753). Эти устройства для измерения теплофизических характеристик грунта - термозонды, содержат подвеску из нескольких последовательно размещенных датчиков температуры, помещаемую в предварительно пробуренную скважину в земном грунте. Указанные технические решения термозондов предназначены для мониторинга температур в скважинах земного грунта или фундаментах строительных конструкций, преимущественно в мерзлых, промерзающих и протаивающих почвах, и не позволяют измерять теплофизические характеристики грунтов, например, их теплопроводность или теплоемкость.

Качество измерения теплофизических характеристик грунта может быть повышено за счет введения в конструкцию устройств для измерения теплофизических характеристик грунта источника тепла в сочетании с несколькими датчиками температуры окружающего грунта. Принципиальные схемы таких конструкций известны как из патента США №3892128, предназначенного для исследования тепловых свойств земных пластов в обсаженных или открытых скважинах, так из устройств для измерения теплофизических характеристик инопланетного грунта в составе автоматических космических аппаратов, примерами которых являются:

- устройство прибора «Термозонд», предназначенного для использования в составе автоматического космического аппарата «Марс-96» для измерения теплофизических характеристик марсианского грунта (см., В.А. Асюшкин, «Автоматические космические аппараты для фундаментальных и прикладных научных исследований», М., изд. МАИ-ПРИНТ, 2010, стр. 406-409, рис. 2.168),

- устройство НР3 (Heat Flow and Physical Properties Package) автоматического космического аппарата InSight, предназначенного для исследования грунта Марса (см. интернет - ссылку: https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7335).

Устройство для измерения теплофизических характеристик грунта - термозонда, по патенту США №3892128 (МПК Е21В 47/06, дата опубл. 1.08.1975) содержит последовательно соединенные друг с другом через теплоизолирующие прокладки источник тепла и, например, три датчика температуры, измеряющих температуру в своей окрестности, что позволяет оценить удельную теплоемкость и теплопроводность грунта. Кроме того, в устройстве источник тепла может быть совмещен с наконечником, выполненным с обеспечением возможности бурения грунта. В соответствии с патентом термозонд опускается в предварительно пробуренную скважину на заданную глубину, а после проведения измерения теплофизических характеристик на этой глубине перемещается на другой исследуемый уровень. Проблема перемещения термозонда при исследованиях внутри скважины, легко решаемая в земных условиях, при использовании этого устройства в автоматических космических аппаратах приводит к значительному усложнению конструкции космических аппаратов.

Устройства для измерения теплофизических характеристик «Термозонд» и НР3 выполнены в виде пенетраторов - ударных зондов, внедряющихся в грунт. Прибор «Термозонд» размещен внутри корпуса пенетратора, сбрасываемого со спускаемого космического аппарата на этапе его торможения в атмосфере Марса. Устройство НР3 с пенетратором установлено на посадочном аппарате, после посадки космического аппарата на поверхность Марса манипулятор подводит пенетратор к грунту, после чего пенетратор углубляется в грунт.

Пенетратор проекта «Марс-96» содержит цилиндрообразный корпус диаметром 120 мм с заостренной законцовкой. Внутри корпуса размещены два датчика температуры и источник тепла.

Пенетратор массой примерно 3 кг автоматического космического аппарата InSight содержит цилиндрический корпус с гладкой наружной поверхностью, длиной примерно 35 см и диаметром 3,5 см. Корпус пенетратора снабжен заостренным наконечником, взаимодействующим с грунтом. Внутри корпуса размещен источник тепла и датчик температуры. Еще несколько датчиков температуры расположены с интервалом в 10 см на кабеле, который тянется за пенетратором. Кроме того, пенетратор снабжен ударным механизмом, выполненным с обеспечением возможности внедрения пенетратора на глубину до 5 м и размещенным внутри корпуса пенетратора. В исходном положении устройство НР3 установлено на установке для исследования грунта космического аппарата. После посадки космического аппарата манипулятор установки подводит пенетратор к грунту, после чего под воздействием ударного механизма пенетратор углубляется в грунт и проводит тепловые измерения.

Недостатком этих устройств является совмещение в одном узле - корпусе пенетратора, источника тепла и датчиков температуры, что определяет большую зависимость точности измерений от теплового сопротивления на контакте грунта и устройства. Кроме того, пенетратор космического аппарата «Марс-96» не решает проблему измерения теплофизических характеристик на различных глубинах.

Частично эта проблема может быть решена за счет использования в устройствах для измерения теплофизических характеристик грунта нескольких источников тепла и нескольких датчиков температуры.

Из патентов США 5610331 (МПК Е21В 47/00, дата выдачи 11.03.1997), 9885235 (МПК Е21В 47/10, дата выдачи 7.04.2016) известны устройства для измерения теплофизических характеристик в скважинах земного грунта, содержащие несколько источников тепла и несколько датчиков температуры.

Устройство по патенту США 5610331 содержит цилиндрический корпус, вводимый в скважину с протекающей жидкостью. Датчики закреплены вдоль удлиненных кронштейнов, в исходном положении поджатых к корпусу, а в рабочем положении отвернутых от корпуса на острый угол для поджатия его концов к обсадной трубе скважины, перекрывая при этом поток жидкости. Это позволяет после кратковременного повышения температуры датчиков исследовать тепловую реакцию жидкой среды. Хотя указанные технические решения предназначены, в первую очередь, для исследования тепловых процессов в скважинах, заполненных жидкостью, частично они могут быть использованы и для исследования тепловых режимов стенок скважин. Так, расположив в техническом решении по патенту США №5610331 источники тепла и датчики температуры на концах кронштейнов, может быть осуществлено исследование тепловой реакции обсадной трубы и грунта при их кратковременном нагреве.

Известно устройство для измерения теплофизических характеристик лунного грунта, использовавшееся в полетах пилотируемых космических кораблях «Аполлон-15» и «Аполлон-17» (см. К.К. Дудкин, О.М. Алифанов, «Измерения теплофизических характеристик лунного грунта в естественных условиях», «Тепловые процессы в технике», т. 10, №5-6, изд. МАИ, М., 2018, с. 245-255). Указанное устройство для измерения теплофизических характеристик лунного грунта выполнено в виде термозонда, включающего четыре блока, каждый из которых содержит цилиндрообразный корпус с источником тепла, управляемым с Земли, и датчиком температуры, причем источник тепла и датчик температуры разнесены друг от друга по длине корпуса блока. Блоки соединены друг с другом стержнями с длиной, близкой длине блока. Кроме указанных блоков, термозод содержит восемь платиновых термометров сопротивления и четыре термопары для измерений на 11-ти уровнях глубины под поверхностью. Для измерения температуры и теплопроводности грунта термозонд вводится в предварительно пробуренную космонавтом скважину до глубин 1,0 и 1,4 м («Аполлон-15») и до глубины 2,3 м («Аполлоне-17»). Использование этого устройства позволило оценить теплофизические характеристики лунного грунта на восьми уровнях как по начальной тепловой энергии, содержавшейся в зонде и поступившей от него в скважину, так и непосредственно в скважинах с применением нагрева от источников тепла термозонда.

Однако размещение источников тепла и датчиков температуры в одном конструктивном узле и отсутствие надежного непосредственного контакта источников тепла датчиков температуры с грунтом в сочетании со сверхнизкими значениями теплопроводности лунного грунта, обуславливая переход теплового потока от источников тепла к датчикам температуры в основном по элементам конструкции термозонда, а не через лунный грунт, ведет к значительному искажению естественного распределения температуры, что отрицательно сказывается на точности измерений.

Из патента США №4547080 (МПК G01K 1/16, дата публ. 15.10.1985) известна конструкция устройства для измерения теплофизических характеристик грунта в скважинах, выполненное в виде термозонда с обеспечением возможности прижима части корпуса к грунту скважины. Из уровня техники также известен ряд технических решений, использование которых в устройствах для исследования теплофизических характеристик грунта скважины, обеспечивает прижим датчиков температуры и источников тепла к стенкам скважины или непосредственно к грунту скважин (см., например, авторские свидетельства СССР №715780 (МПК Е21В 47/06, дата публ. 06.02.80), №1066690 (МПК Е21В 47/06, опубл. 15.01.1984), АС СССР 976042 (МПК Е21В 47/06, дата публ. 23.11.1982), патенты США 5610331 (МПК Е21В 47/00, дата публ. 11.03.1997) и №4121345 (МПК G01B 5/12, опубл. 13.04.1977)).

Ближайшим аналогом устройства для измерения теплофизических характеристик грунта является техническое решение по патенту США №4547080. В соответствии с этим патентом устройство содержит цилиндрический корпус, помещаемый в скважину в грунте, несколько источников тепла и несколько датчиков температуры. В этом изобретении корпус включает цилиндрический пояс, размещенный вблизи середины длины корпуса и составленный из секторов, практически полностью перекрывающих боковую поверхность цилиндрического пояса. В соответствии с патентом цилиндрические сектора пояса выполнены с обеспечением возможности их поджатия к грунту скважины: в исходном положении устройства - при введении устройства в скважину, цилиндрические сектора пояса сложены заподлицо с корпусом устройства, в рабочем положении устройства цилиндрические сектора поясов поджаты к грунту скважины. За счет прижима секторов пояса, как источники тепла, так и датчики температуры устройства, размещенные на секторах пояса, в рабочем положении поджаты к грунту скважины.

Кроме указанных элементов внутри корпуса устройства размещен двигатель, выходной вал которого соединен с осевым стержнем, взаимодействующим через рычаги и упоры с секторами цилиндрического пояса и обеспечивающим как прижим секторов цилиндрического пояса к грунту в рабочем положении устройства, так и приведение секторов пояса в исходное положение после проведения тепловых измерений. Кроме того, устройство, предназначенное в первую очередь для исследований конвективного теплообмена в скважинах, заполненных поднимающейся снизу вверх жидкостью, или в геологических пластах, наполненных жидкостью, дополнительно снабжено средствами, предотвращающими течение жидкости сквозь корпус устройства.

При проведении исследований устройство опускают на заданную глубину в скважину и включают двигатель. Вращение от вала двигателя передается на механизм прижима сегментов пояса для перемещения их в радиальном направлении к стенкам скважины и на средства, предотвращающие течение жидкости сквозь корпус устройства. После чего источники тепла нагревают стенки скважины и окружающие ее геологические пласты и пластовые жидкости. Информация от датчиков температуры позволяет исследовать тепловые процессы в геологической среде, окружающей скважину на глубине, на которой работает зонд, или, в случае заполнения скважины жидкостью, исследовать конвективные тепловые потоки в жидкости. После проведения исследований устройство извлекается из скважины или перемещается на другую глубину в пределах одной скважины, что выполняется путем вращения вала двигателя в противоположном направлении, за счет чего сегменты пояса устройства и элементы средств, предотвращающие переток жидкости сквозь корпус устройства, переводятся в исходное положение.

Из-за размещения внутри корпуса устройства двигателя, осевого стержня, элементов механизма прижима секторов к грунту скважины и элементов, предотвращающие течение жидкости сквозь корпус при проведении измерений, устройство характеризуется большой массой и габаритами, что допустимо при исследовании грунта на Земле с использованием установленных на поверхности буровых установок в скважинах с диаметром от 200 мм до 800 мм. Однако массы и габариты устройств с указанными средствами прижима не дают их использовать в устройствах космического назначения, ориентированных на использование в скважинах с диаметром на порядок меньшим и жесткими ограничениями на массу и габариты научных приборов.

Массы и габариты устройств для измерения теплофизических характеристик грунта, спроектированные с использованием отмеченных выше средств прижима датчиков температуры (см. авторские свидетельства СССР №715780, 1066690, 976042, патенты США 5610331, 4121345), также не обеспечивают возможность их использования в автоматических космических аппаратах.

Другим недостатком ближайшего аналога является невозможность одновременного измерения теплофизических характеристик грунта на нескольких разных глубинах, так как для измерения тепловых характеристик грунтов указанное устройство перемещается на новую глубину. Разработка устройства, предназначенного для измерения теплофизических характеристик грунта Луны или Марса и допускающего возможность перемещения вдоль скважины в процессе эксперимента, приводит также к значительному увеличению массы и габаритов устройства.

Кроме того, другим недостатком ближайшего аналога является совмещение в одном конструктивном узле - цилиндрическом поясе корпуса, как источников тепла, так и датчиков температуры. Это, например, в сочетании со сверхнизкими значениями теплопроводности лунного грунта, обуславливая переход теплового потока от источников тепла к датчикам температуры в основном по элементам конструкции корпуса устройства, а не через лунный грунт, ведет к значительному искажению естественного распределения температуры, что отрицательно сказывается на точности измерений.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является разработка устройства для измерения теплофизических характеристик грунта, допускающего его использование в составе автоматического космического аппарата в сочетании с обеспечением возможности исследования грунта на нескольких уровнях и повышением точности измерения теплофизических характеристик грунта.

Поставленная техническая проблема решается следующим образом.

В соответствии с изобретением устройство для измерения теплофизических характеристик грунта содержит закрепленные независимо друг от друга на космическом аппарате термозонд и внешний корпус. В исходном положении устройства термозонд помещен во внешний корпус и вместе с ним введен в скважину в грунте, а в рабочем положении внешний корпус устройства извлечен из скважины.

В соответствии с изобретением термозонд содержит опорные диски и размещенные между ними источники тепла, соединенные с дисками продольными стержнями. Кроме того, термозонд содержит держатели, выполненные в виде пластинчатых пружин, первые концы которых отогнуты в сторону внешнего корпуса и снабжены датчиками температуры, а вторые концы жестко закреплены на опорных дисках.

При этом продольные стержни и пластинчатые пружины выполнены из материала с низкой теплопроводностью.

Каждый из источников тепла содержит цилиндрический корпус, включающий основания, снабженные глухими радиальными отверстиями, открытыми в сторону боковой поверхности корпуса.

В соответствии с изобретением боковые поверхности корпусов источников тепла перекрыты цилиндрическими секторами, снабженными нагревательными элементами и взаимодействующими со сжатыми цилиндрическими пружинами, размещенными в радиальных отверстиях оснований.

В исходном положении устройства цилиндрические сектора корпусов источников тепла и первые концы держателей в сжатом состоянии цилиндрических и пластинчатых пружин поджаты к внутренним поверхностям внешнего корпуса устройства, а в рабочем положении устройства цилиндрические сектора корпусов источников тепла и первые концы пластинчатых пружин держателей в разгруженном состоянии цилиндрических и пластинчатых пружин поджаты к грунту скважины.

Выполнение в соответствии с изобретением боковых секторов каждого из корпусов термозонда взаимодействующими со сжатыми цилиндрическими пружинами в сочетании с выполнением каждого из держателей датчиков температуры в виде пластинчатых пружин обеспечивает возможность в сжатом состоянии цилиндрических и пластинчатых пружин поджатия этих элементов к внутренним поверхностям внешнего корпуса устройства, а в рабочем положении устройства при извлечении внешнего корпуса из скважины в разгруженном состоянии цилиндрических и пластинчатых пружин поджатия секторов и датчиков температуры грунту скважины. Это, исключая необходимость использования специальных приводов и механизмов для обеспечения поджатия этих элементов к грунту и значительно упрощая конструкцию устройства, обеспечивает уменьшение массы и габаритов устройства для измерения теплофизических характеристик грунта.

При этом выполнение каждого из оснований корпусов источников тепла с глухими радиальными отверстиями, открытыми в сторону боковой поверхности корпуса, в сочетании с набором боковых поверхностей корпусов источников тепла из цилиндрических секторов, взаимодействующими со сжатыми цилиндрическими пружинами, размещенными в радиальных отверстиях оснований, также уменьшает массу устройства.

Возможность измерения теплофизических характеристик грунта на нескольких уровнях обеспечивается сочетанием следующих особенностей изобретения:

- размещение термозонда во внешнем корпусе с поджатыми к стенке корпуса датчиками температуры и цилиндрическими секторами боковых стенок корпусов источников тепла, обеспечивая достаточную жесткость конструкции, позволяет переместить устройство в исходное положение в предварительно пробуренную скважину в исходном положении вместе с внешним корпусом,

- выполнение термозонда из опорных дисков и размещенных между ними источников тепла, соединенных с опорными дисками продольными стержнями, в сочетанием возможности поджатия секторов боковых стенок корпусов источников тепла и датчиков температуры к грунту, позволяет сохранить необходимую жесткость конструкции термозонда в рабочем положении и набрать термозонд необходимой для исследования подверхностного слоя грунта длины.

Соединение опорных дисков с источниками тепла продольными стержнями, выполненными из материала с низкой теплопроводностью, размещение датчиков температуры на отогнутых первых концах держателей, выполненных из материала с низкой теплопроводностью, в сочетании с поджатием секторов боковых стенок корпусов источников тепла и датчиков температуры к грунту практически исключает перетекание тепла от нагревателей к термометрам через элементы конструкции, что присуще ближайшему аналогу. Высокое тепловое сопротивление продольного стержня и держателей датчиков температуры обуславливает переход практически всей тепловой энергии, вырабатываемой источниками тепла, через боковую поверхность в грунт. При этом лишь незначительное количество тепловой энергии переходит в продольные стержни и держатели датчиков температуры, количество которой сравнимо с погрешностью измерений, которая легко поддается оценке.

Это обеспечивает повышение точность измерения теплофизических характеристик грунта.

Техническим результатом, достигаемым изобретением, является разработка устройства для измерения теплофизических характеристик грунта с массой 3…7,5 кг длиной от 1,5 до 3 м и диаметром от 0,03 до 0,05 м, допускающими его использование в составе автоматического космического аппарата, предназначенного для исследования грунта Луны на глубине от 1,5 до 3 м. Кроме того, результаты моделирования показывают возможность уменьшения ошибки от влияния конструкции термозонда до 1% при определении теплофизических характеристик грунта.

Кроме того, нагревательные элементы источников тепла наиболее предпочтительно разместить на внутренних поверхностях цилиндрических секторов корпусов источников тепла, что, практически исключая их повреждение при извлечении внешнего корпуса устройства из скважины, повышает вероятность безотказной работы устройства.

Помимо прочего, продольные стержни и держатели могут быть выполнены из сплава на основе титана, что обеспечивает оптимальное соотношение между теплопроводностью и прочностью.

Кроме того, расстояние от каждого из датчиков температуры до ближайшего основания корпуса источника тепла может быть выбрано из диапазона от 8 до 20 мм. При размещении датчиков температуры на меньшем расстоянии на датчик температуры будет оказывать сильное влияние тепловой поток от источников тепла, а не тепловой поток от грунта скважины. При размещении датчиков температуры на большем расстоянии потребуется слишком большое время для достижения тепловым потоком термодатчиков, что может привести к дополнительным искажениям при измерениях.

Основания корпусов источников тепла наиболее предпочтительно соединить друг с другом продольными стойками, что дополнительно уменьшает массу устройства.

В приводимых материалах элементы конструкции устройства обозначены следующими позициями:

1 - космический аппарат,

2 - манипулятор,

3 - бур

10 - внешний корпус термозонда,

11 - нижний торец корпуса,

12 - верхний торец корпуса,

13 - скважина в грунте,

131 - ось скважины,

20 - термозонд,

21 - опорный диск,

211 - последний опорный диск термозонда,

212 - первый опорный диск термозонда, соединенный с космическим аппаратом,

22 - продольный стержень,

221 - первый продольный стержень, соединенный с корпусом космического аппарата,

23 - держатель датчиков температуры,

231 - хвостовая часть держателя,

233 - датчик температуры,

30 - источник тепла,

31 - продольная стойка корпуса источника тепла,

32 - основание корпуса источника тепла,

33 - глухое отверстие основания корпуса источника тепла,

34 - цилиндрический сектор боковой стенки корпуса источника тепла,

35 - цилиндрическая пружина,

37 - радиальный опорный элемент боковой стенки корпуса источника тепла.

Заявляемая конструкция устройства для измерения теплофизических характеристик грунта поясняется следующими материалами:

На фиг. 1 приведен общий вид устройства для измерения теплофизических характеристик грунта (продольный разрез) в собранном виде.

На фиг. 2 приведен фрагмент термозонда 20 с источником тепла 30 и двумя смежными опорными дисками 21 (выноска А с фиг. 1, внешний корпус условно не показан).

На фиг. 3 приведен внешний вид корпуса источника тепла 30 в аксонометрии.

На фиг. 4 приведена схема членения источника тепла 30.

На фиг. 5 приведен поперечный разрез корпуса источника тепла 30 (разрез Г-Г с фиг. 3) в сборе с внешним корпусом 10.

На фиг. 6, 7 приведены схемы устройства для измерения теплофизических характеристик грунта в исходном положении, когда внешний корпус 10 и термозонд 20 введены в предварительно пробуренную скважину 13 в грунте.

На фиг. 8, 9 приведены схемы устройства для измерения теплофизических характеристик грунта в рабочем положении, когда внешний корпус 10 извлечен из скважины 13, а термозонд 20 оставлен в скважине в грунте.

Фиг. 10, 11, 12 иллюстрируют основные этапы исследований теплофизических свойств грунта.

Без ограничения общности при последующем изложении условимся:

- термином «продольный» обозначать элементы, ориентированные параллельно оси 131 скважины 13 (см. фиг. 6, 8) в грунте, а термином «радиальный» - расположенные в плоскости, перпендикулярной оси 131 скважины в грунте и направленные к оси скважины 13,

терминами «верхний» и «нижний» обозначать элементы, расположенные ближе или дальше от поверхности грунта,

- термином «первый» обозначать элемент, ближайший к поверхности грунта, а термином «последний» - обозначать элемент наиболее удаленный от поверхности грунта.

Устройство для измерения теплофизических характеристик грунта содержит внешний корпус 10 и термозонд 20 (см. фиг. 1, 2).

Внешний корпус 10 устройства выполнен в виде цилиндра. Нижний торец 11 внешнего корпуса 10 выполнен открытым (см. фиг. 2), верхний торец 12 корпуса закреплен на корпусе космического аппарата.

Термозонд (см. фиг. 1, 2) содержит опорные диски 21 и размещенные между ними источники тепла 30. Опорные диски 21 соединены с источниками тепла 30 продольными стержнями 22. В наиболее предпочтительном варианте продольные стержни целесообразно выполнить с длиной от 100 до 150 мм и диаметром не более 6 мм.

Продольные стержни 22 выполнены из материала с низкой теплопроводностью, наиболее предпочтительно продольные стержни выполнить из сплава на основе титана, например, сплава ВТ16, что обеспечивает оптимальное соотношение между теплопроводностью и прочностью.

В наиболее предпочтительном варианте опорные диски 21, 211, 212 целесообразно разместить на одинаковом расстоянии друг от друга, а источники тепла 30 - на одинаковом расстоянии от смежных дисков.

Первый опорный диск 212 - первый из последовательности опорных дисков гирлянды, наиболее приближенный к торцу 12 внешнего корпуса устройства, продольным стержнем 221 закреплен на космическом аппарате.

В соответствии с заявляемым устройством внешний корпус 10 и термозонд 20 закреплены на космическом аппарате независимо друг от друга, причем в исходном положении устройства термозонд 20 помещен во внешний корпус 10 и вместе с ним введен в скважину 13 в грунте. В рабочем положении устройства при проведении измерений теплофизических характеристик грунта внешний корпус 10 устройства извлечен из скважины 13, при этом термозонд оставлен в грунте. Наиболее предпочтительно внешний корпус 10 с термозондом 20 закрепить на космическом аппарате с использованием манипулятора 2 (см., например, П. Андре, «Конструирование роботов», изд. «Мир», М., 1986 г., стр. 18). Манипулятор при этом выполнен с обеспечением возможности введения внешнего корпуса 10 с термозондом 20 в скважину 13 в грунте с последующим извлечением внешнего корпуса из скважины.

Кроме того, термозонд содержит держатели 23, выполненные в виде пластинчатых пружин изгиба, первые концы которых отогнуты в сторону внешнего корпуса 10 устройства. Наиболее предпочтительно держатели выполнить из титанового сплава, например, сплава ВТ-16. При этом в наиболее предпочтительном варианте выполнения устройства длина стержней может быть выбрана из диапазона от 90 до 150 мм, а их диаметр - выбран из диапазона от 3 до 6 мм.

Держатели 23 снабжены датчиками температуры 233, размещенные на первых концах держателей 23 - на концах отогнутых частей держателей. Датчики температуры могут быть выполнены в виде платиновых термопреобразователей сопротивления с проволочным чувствительным элементом (см. ГОСТ 6651-2009).

Держатели 23 выполнены с длиной, меньшей расстояния между опорными дисками и источниками тепла. В наиболее предпочтительном варианте выполнения устройства расстояние от каждого из датчиков температуры 233 до ближайшего основания корпуса 30 источника тепла может быть выбрано из диапазона от 8 до 20 мм.

Хвостовые части 231 держателей жестко закреплены на опорных дисках 21. Держатели ориентированы в направлении источников тепла 30. Наиболее предпочтительно, как показано на фиг. 2, на каждом опорном диске 21, за исключением первого опорного диска 212 и последнего опорного диска 211, может быть закреплено 6…8 держателей 23, половина из которых ориентирована в сторону одного, а друга половина - в сторону другого смежного источника тепла.

Каждый из источников тепла 30 (см. фиг. 3-5) содержит цилиндрический корпус, включающий основания 32 и боковую стенку. Основания 32 корпусов источников тепла 30 наиболее предпочтительно соединить друг с другом продольными стойками 31. В основаниях 32 корпусов источников тепла выполнены глухие радиальные отверстия 33, открытые в сторону боковой поверхности корпуса (см. фиг. 7, 9).

Боковая стенка каждого из корпусов источников тепла перекрыта цилиндрическими секторами 34, снабженными нагревательными элементами. Как показано на фиг. 3, 4, в наиболее предпочтительном варианте использования изобретения боковая стенка корпуса источника тепла 30 может быть составлена из трех цилиндрических секторов 34. В наиболее предпочтительном варианте использования изобретения нагревательные элементы могут быть выполнены в виде резистивного нагревателя (например, см. патент РФ 2124597) и размещены на внутренних поверхностях секторов 34 боковой стенки корпуса.

Кроме того, в соответствии с изобретением цилиндрические сектора 34 боковых стенок источников тепла выполнены с обеспечением возможности взаимодействия с цилиндрическими пружинами 35. Цилиндрические пружины 35 размещены в радиальных отверстиях 33 оснований 32 корпусов источников тепла. В сжатом состоянии каждая из цилиндрических пружин 35 зажата между дном глухого радиального отверстия 33 и радиальным опорным элементом 37, закрепленном на цилиндрических секторах 34 боковых стенок корпусов источников тепла (см. фиг. 7, 9).

В исходном положении устройства - в положении, при котором внешний корпус устройства вместе с термозондом помещены в скважину 13 в грунте, в сжатом состоянии цилиндрических пружин 35 цилиндрические сектора 34 корпусов источников тепла поджаты к внутренней поверхности внешнего корпуса 10 устройства (см. фиг. 6, 7). При этом в изогнутом состоянии пластинчатых пружин - держателей 23, их отогнутые части также поджаты к внутренней поверхности внешнего корпуса 10 устройства.

В рабочем положении устройства - в положении, при котором внешний корпус 10 устройства извлечен из скважины, а термозонд оставлен в скважине грунта, в разгруженном состоянии цилиндрических пружин 35 цилиндрические сектора 34 корпусов источников тепла поджаты к грунту скважины. При этом в разгруженном состоянии пластинчатых пружин - держателей 23, их отогнутые части также поджаты к грунту скважины (см. фиг. 8, 9).

Заявляемое устройство используется следующим образом.

В составе космического аппарата 1 устройство для измерения теплофизических характеристик грунта в собранном виде доставляется на поверхность Луны.

Перед проведением измерений (см. фиг. 10) теплофизических характеристик грунта с помощью бурильной установки космического аппарата (см., например, патент РФ №2501952) производится бурение скважины 13, после чего бур 3 извлекается из скважины и отводится от нее.

После этого манипулятор 2 космического аппарата подводит устройство измерений теплофизических характеристик грунта к скважине 13 и опускает в нее термозонд 20, размещенный во внешнем корпусе 10 в скважину (см. фиг. 11).

После этого манипулятор 2 космического аппарата извлекает внешний корпус 10 устройства из скважины 13, оставляя в ней термозонд 20 (см. фиг. 12). При извлечении внешнего корпуса из скважины под действием сил упругости цилиндрических пружин секторы 34 корпусов источников тепла 30 раскрываются и прижимаются к грунту скважины. За счет сил упругости пластинчатых пружин держатели 23 также распрямляются и датчики температуры также прижимаются к грунту скважины.

Далее выжидается определенный промежуток времени, чтобы система термозонд-грунт вошла в тепловое равновесие, после чего включаются нагреватели определенной мощности на определенное количество времени. Термометры с определенной периодичностью измеряют изменение температуры грунта.

Данные измерений передаются на Землю, в результате обработки которых по решению обратной задачи теплообмена определяются теплофизические характеристики грунта на каждой измеряемой глубине.

При обработке данных для определения теплофизических характеристик грунта может быть использован способ подбора, при котором проводится серия вычислений прямой тепловой задачи, например, методом конечных элементов с различными характеристиками по теплопроводности и теплоемкости грунта. Далее результаты решений сопоставляются с полученными в результате эксперимента температурами и находятся соответствующие значения теплофизических характеристик грунта. Также для анализа полученных данных можно использовать градиентные алгоритмы решения обратных задач теплообмена (см., например, Алифанов О.М., «Обратные задачи теплообмена», М.: Машиностроение, 1988; или Алифанов О.М., Артюхин Е.А., Румянцев С.В., «Экстремальные методы решения некорректных задач и их приложения к обратным задачам теплообмена», М.: Наука, 1988).

В случае необходимости далее нагреватели могут быть отключены. После определенного периода времени, достаточного для достижения теплового равновесия системы термозонд - грунт могут быть проведены измерения температуры на разных глубинах. По разнице температур и по измеренным теплофизическим характеристикам на разных глубинах может быть найдена плотность внутреннего теплового потока Луны.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения теплофизических характеристик грунта, в том числе лунного грунта и грунта других небесных тел. Заявлено устройство для измерения теплофизических характеристик грунта, которое содержит закрепленные на космическом аппарате термозонд и внешний корпус. В исходном положении устройства термозонд помещен во внешний корпус и вместе с ним введен в скважину в грунте, а в рабочем положении внешний корпус устройства извлечен из скважины. Термозонд содержит опорные диски и размещенные между ними источники тепла, соединенные с дисками продольными стержнями и держатели датчиков температуры. Держатели выполнены в виде пластинчатых пружин, первые концы держателей отогнуты в сторону внешнего корпуса и снабжены датчиками температуры. Продольные стержни и держатели выполнены из материала с низкой теплопроводностью. Источники тепла содержат цилиндрический корпус, основания которого снабженные глухими радиальными отверстиями, открытыми в сторону боковой поверхности корпуса. Боковые поверхности корпусов источников тепла перекрыты цилиндрическими секторами, снабженными нагревательными элементами и взаимодействующими со сжатыми цилиндрическими пружинами, размещенными в радиальных отверстиях оснований. В исходном положении устройства цилиндрические сектора корпусов источников тепла и первые концы держателей в сжатом состоянии цилиндрических и пластинчатых пружин поджаты к внутренним поверхностям внешнего корпуса устройства. В рабочем положении устройства после извлечения внешнего корпуса из скважины цилиндрические сектора корпусов источников тепла и первые концы пластинчатых пружин держателей в разгруженном состоянии цилиндрических и пластинчатых пружин поджаты к грунту скважины. Технический результат - разработка устройства для измерения теплофизических характеристик грунта, допускающего его использование в составе автоматического космического аппарата в сочетании с обеспечением возможности исследования грунта на нескольких уровнях и повышением точности измерения теплофизических характеристик грунта. 5 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Устройство для измерения теплофизических характеристик грунта, содержащее закрепленные независимо друг от друга на космическом аппарате термозонд и внешний корпус, причем в исходном положении устройства термозонд помещен во внешний корпус и вместе с ним введен в скважину в грунте, а в рабочем положении внешний корпус устройства извлечен из скважины,

при этом термозонд содержит

опорные диски и размещенные между ними источники тепла, соединенные с дисками продольными стрежнями,

и держатели, выполненные в виде пластинчатых пружин, первые концы которых отогнуты в сторону внешнего корпуса и снабжены датчиками температуры, а вторые концы жестко закреплены на опорных дисках,

при этом продольные стержни и пластинчатые пружины выполнены из материала с низкой теплопроводностью,

каждый из источников тепла содержит цилиндрический корпус,

включающий основания, снабженные глухими радиальными отверстиями, открытыми в сторону боковой поверхности корпуса,

при этом боковые поверхности корпусов источников тепла перекрыты цилиндрическими секторами, снабженными нагревательными элементами и взаимодействующими со сжатыми цилиндрическими пружинами, размещенными в радиальных отверстиях оснований,

в исходном положении устройства цилиндрические сектора корпусов источников тепла и первые концы держателей в сжатом состоянии цилиндрических и пластинчатых пружин поджаты к внутренним поверхностям внешнего корпуса устройства,

а в рабочем положении устройства цилиндрические сектора корпусов источников тепла и первые концы пластинчатых пружин держателей в разгруженном состоянии цилиндрических и пластинчатых пружин поджаты к грунту скважины.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нагревательные элементы размещены на внутренних поверхностях цилиндрических секторов корпусов источников тепла.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что продольные стержни выполнены из сплава на основе титана.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что держатели выполнены из сплава на основе титана.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что расстояние от каждого из датчиков температуры до ближайшего основания корпуса источника тепла заключено в пределах от 8 до 20 мм.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что основания корпусов источников тепла соединены друг с другом продольными стойками.