Способ добычи полезных ископаемых на астрономическом объекте Российский патент 2022 года по МПК E21C51/00 B64G4/00 F42B1/02 

Изобретение относится к космическим технологиям, а именно к способам разработки ресурсов космической среды с поверхности астрономического объекта, например астероида или кометы и может быть использовано при изучении планет, комет и других небесных тел, что является ближнеперспективной задачей современной космонавтики.

Полезные ископаемые жизненно необходимы для современной цивилизации. Астероиды являются перспективным источником нужных человеку химических элементов и их соединений. В металлических или каменно-металлических астероидах много таких металлов, как железо, никель и кобальт. Есть и другие элементы, которые могут пригодиться человеку: золото, платина, родий, редкоземельные металлы. В астероидах может содержаться вода в виде льда.

На данный момент в Солнечной системе обнаружены сотни тысяч астероидов, в каталоге их содержится уже около 700 тысяч.

Из технической литературы известны способы добычи полезных ископаемых на астероидах. Например, способ заключающийся отправке к астероиду автоматической космической станции, захвата астероида при помощи специального приспособления и транспортировки его на орбиту Луны или на Землю целиком. Транспортировку относительно небольших астероидов возможно осуществить при помощи космического буксира, который может как цепляться напрямую к самому небесному телу, так и работать на орбите, возмущая траекторию астероида своим притяжением (это так называемые гравитационные буксиры) [И. Лисов. Авоська для астероида или бюджет NASA-2014// Ж. Новости космонавтики, 2013, вып. 6, с. 52-56].

Достоинством способа является возможный большой объем добычи полезных ископаемых.

Недостатком является высокая энергоемкость процесса транспортировки астероида и сложность процесса.

Известен способ добычи полезных ископаемых на астрономических объектах, заключающийся в посадке обитаемой космической станции на поверхность астрономического объекта, ручном сборе грунта с поверхности или ручном бурении грунта астрономического объекта и транспортировки его на Землю [В. Санников. Буровая на астероиде // Популярная механика = Popular Mechanics. - 2010. - № 11, с. 92-94, 96].

Первые пробы лунного реголита были собраны при помощи примитивного клещевого захвата астронавтами корабля Apollo 11. Было собрано около 22 килограммов грунта. Вторая экспедиция миссии привезла на Землю уже около 35 килограммов реголита и керна, добытых совком на длинной рукоятке и ручным буром диаметром 2 см, забивавшимся в грунт почти на 0,70 метра. В дальнейшем использовался электрический ударный бур Apollo Lunar Surface Drill (ALSD), разработанный и изготовленный из титана компанией Martin Marietta. С помощью электрического бура вынули столбик керна диаметром 2 см с глубины трех метров.

Недостатком способа является малый объем добычи полезных ископаемых на астероидах, добыча происходит только непосредственно с поверхности астрономического объекта.

Известен способ добычи полезных ископаемых на астероиде, при котором осуществляют причаливание добывающего космического аппарата на поверхность астероида, устанавливание отдельным манипулятором на поверхности астероида блока сбора материала, плавки многоламповым герметичным прожектором из блока сбора материала поверхностного слоя астероида с образованием лунок, забора из лунок расплавленного материала, охлаждение его, помещение отливки в хранилище и периодического забора отливок из хранилища отдельным космическим кораблем, курсирующим между Землей и астероидом [Патент РФ RU 2586437 C1, 10.06.2016]. За счет нагрева поверхности астероида с помощью мощного оптического излучения, создаваемого, например, мощными вольфрамовыми лампами накаливания осуществляется его плавка.

Достоинством способа является бесконтактный метод забора вещества с поверхности астрономического объекта.

Недостатком способа является малый объем добычи полезных ископаемых на астероидах, большее время добычи полезных ископаемых.

Известен способ взятия проб вещества с поверхности астрономического объекта, по патенту РФ RU 2618608 C2, 04.05.2017, заключающийся 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 с поверхности астрономического объекта данным лучом.

Достоинством способа является бесконтактный метод забора вещества с поверхности астрономического объекта.

Недостатком способа является малый объем добычи полезных ископаемых на астероидах, большее время добычи полезных ископаемых, большая энергоемкость процесса.

Известен способ добычи полезных ископаемых на астероидах применяемый на космических аппаратах Deep Impact, Hayabusa и заключающийся в запуске специального высокоплотного ударника (медного или танталового) на поверхность астероида, массивного выброса кометного вещества в окружающее пространство при взаимодействии ударника с поверхностью астероида и последующего захвата вещества для анализа [В. Санников. Буровая на астероиде // Популярная механика. 2010. № 11. c. 92-94,96].

Например, известен японский космический аппарат (КА) «Хаябуса» («Сокол»), целью создания и полета которого была доставка на Землю образца грунта с астероида «Итокава» (Журнал "Вокруг Света": Соколиная охота, №1 (2844) январь 2011.). 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.

Достоинством способа является бесконтактный метод забора вещества с поверхности астрономического объекта.

Недостатком способа является малый объем добычи полезных ископаемых на астероидах, большее время добычи полезных ископаемых.

Известен способ забора образцов неземного грунта путем формирования отверстия на поверхности астрономического объекта, с помощью буровой установки и забора образцов грунта, помещения их в грунтозаборное устройство и дальнейшей транспортировки на Землю [Bar-Cohen Y., Zacny K. (Eds.). Drilling in Extreme Environments: Penetration and Sampling on Earth and other Planets, Weinheim, 2009], при этом отверстия на поверхности астероида могут выполняться за счет механического вращения рабочего инструмента [патент США US 6138522 А, 31.10.2000, Sample collecting apparatus of space machine], за счет ультразвуковых колебаний [патент США US 7156189 B1, 02.01.2007, Self mountable and extractable ultrasonic/sonic anchor; патент США US 6968910 B2, 29.11.2005, Ultrasonic/sonic mechanism of deep drilling (USMOD); Патент РФ RU 2503815 C1, 10.01.2014, Ультразвуковое грунтозаборное устройство].

Недостатком способа является малый объем добычи полезных ископаемых на астероидах, большее время добычи полезных ископаемых, большая энергоемкость процесса бурения.

Известен способ добычи полезных ископаемых на астероидах применяемый на автоматических космических аппаратах Венера-13, Венера-14 и Вега-1, Луна-16, Луна-20, Луна-24, заключающийся в посадке автоматического космического аппарата на поверхность космического объекта, выполнении буровой операции, выемки грунта и помещение грунта в грунтозаборное устройство (В. Санников. Буровая на астероиде // Популярная механика = Popular Mechanics. - 2010. - № 11, c. 92-94,96).

В 1970 году станция Луна-16, оснащенная грунтозаборным устройством ротационного бурения забрала из скальной породы Моря Изобилия 101 грамм керна. В 1972 году станция Луна-20 забрала грунт массой 55 граммов. В августе 1976 грунтозаборное устройство станции «Луна-24» забрало с поверхности Моря Кризисов, три образца реголита с глубин 100, 150 и 190 сантиметров общей массой 170 граммов.

Недостатками способа является малый объем захватываемого грунта, длительность процесса бурения, малые диаметр и глубина пробуренного отверстия.

Известен способ добычи полезных ископаемых на астероидах и выбранный в качестве прототипа, заключающийся в посадке автоматического космического посадочного модуля на поверхность астероида, формировании отверстия в поверхности астероида с помощью буровой установки, выемки грунта и помещения образцов грунта в грунтозаборное устройство.

Например, марсоход Curiosity имеет бур, способный высверливать цилиндрические образцы породы диаметром 16 мм и высотой 64 мм [И. Лисов. Хорошая была планета// Новости космонавтики, 2013, вып. 5, с. 67].

Недостатком способа является малый объем добычи полезных ископаемых на астрономических объектах, большее время добычи полезных ископаемых, большая энергоемкость процесса бурения.

Техническая задача решаемая в предлагаемом изобретении заключается в повышении производительности процесса добычи полезных ископаемых на астероидах за счет взрывной технологии.

Это достигается тем, что формируют отверстие приблизительно цилиндрической или прямоугольной формы в поверхности астероида кумулятивной струей, образующейся при взрыве гиперкумулятивного заряда, установленного манипулятором на расстоянии от поверхности астероида, равном примерно 1-10 диаметрам гиперкумулятивного заряда. Кроме того, устанавливаются несколько гиперкумулятивных зарядов, пространственно разнесенных между собой. Кроме того, используются тандемные гиперкумулятивные заряды. Кроме того, гиперкумулятитивные заряды инициируются одновременно. Кроме того, в отверстии размещают заряд взрывчатого вещества и осуществляют его инициирование.

Известно устройства применения кумулятивных зарядов в космосе, например, по патенту РФ RU 145068 U1, 10.09.2014, «Устройство для разрушения фрагментов космического мусора».

В гиперкумулятивных зарядах [Патент РФ RU 2412338 C1, 20.02.2011, Способ и устройство (варианты) формирования высокоскоростных кумулятивных струй для перфорации скважин с глубокими незапестованными каналами и с большим диаметром; Минин В.Ф., Минин И.В., Минин О.В. Физика гиперкумуляции и комбинированных кумулятивных зарядов. Новосибирск. ООО «Новополимграфцентр», 2013, всего 272 с.], в отличие от классических кумулятивных зарядов, формирование кумулятивной струи производится одновременно с радиальным метанием на ось симметрии заряда материала облицовки, ее принудительное осевое метание в направлении формирования кумулятивной струи, осуществляемое за счет взаимодействия с дополнительными телами. В результате их соударения и скольжения частей материала облицовки по материалу дополнительного тела, одновременно производят последовательный разворот метаемых частей материала облицовки на угол более 180 градусов и не превышающий 360 градусов.

В результате в таких зарядах масса формируемой кумулятивной струи достигает 80% и более от массы облицовки. Струя имеет вид не тонкой струи, а уже имеет форму, которой можно управлять. Максимальная скорость струи не ограничена газодинамическим пределом и, например, для алюминиевой облицовки и обычных взрывчатых веществ может превышать 20 км/с при плотности материала струи порядка плотности материала облицовки.

Дальнейшее увеличение эффективности перфорации объектов может быть достигнуто созданием тандемных устройств последовательного действия с применением гиперкумулятивных зарядов. Тандемное расположение зарядов увеличивающих разрушающую энергию за счет первого и второго гиперкумулятивного заряда [Патент РФ RU 2559963 C2, 20.08.2015, Способ перфорации скважины сдвоенными гиперкумулятивными зарядами].

Известно, что глубина перфорационного отверстия в преграде при скоростях взаимодействия кумулятивной струи, превышающих критическую скорость, определяется соотношением [Вицени Е.М. Кумулятивные перфораторы, применяемые в нефтяных и газовых скважинах. М.: Недра, 1971, всего 144 с., с.20-24]:

(1)

где L - глубина перфорационного отверстия в преграде, м,

l - длина кумулятивной струи, м,

ρ_c - плотность материала кумулятивной струи, кг/м³,

ρ_np - плотность материала преграды, кг/м³.

Длина кумулятивной струи пропорциональна ее градиенту скорости вдоль струи, диаметру струи и ограничивается пластическими возможностями материала, из которого она формируется [Вицени Е.М. Кумулятивные перфораторы, применяемые в нефтяных и газовых скважинах. М.: Недра, 1971, 144 с.].

В то же время известно, что существует некая критическая скорость кумулятивной струи, менее которой струя не будет пробивать преграду. Эта скорость зависит от соотношения плотностей струи и преграды, их прочности и т.д. Например, для стальной кумулятивной струи, пробивающей стальную преграду, критическая скорость должна быть не менее 2,1-2,2 км/с.

Максимальная скорость конденсированной кумулятивной струи, которая может быть достигнута в «классических» кумулятивных зарядах с углами соударения материала облицовки на оси симметрии заряда при формировании кумулятивной струи менее 180 градусов, составляет (Физика взрыва/Под ред. Л.П. Орленко. М.: Физматлит, Т.2, 2002, 656 с., с.200).

(2)

где c_o скорость звука в материале кумулятивной облицовки, м/с.

Диаметр перфорационного отверстия в преграде может быть оценен из соотношения [Вицени Е.М. Кумулятивные перфораторы, применяемые в нефтяных и газовых скважинах. М.: Недра, 1971, 144 с., с.20-24]:

(3)

где d_вх - диаметр входного отверстия в преграде, м,

d_c - диаметр кумулятивной струи, м,

V_c - скорость кумулятивной струи, м,

H - прочностная характеристика преграды, МПа.

Таким образом, диаметр перфорируемого отверстия в преграде пропорционален диаметру (массе) и скорости формируемой кумулятивной струи, а глубина перфорационного отверстия пропорциональна длине кумулятивной струи и объем перфорационного кратера пропорционален энергии кумулятивной струи (диаметру и скорости) и обратно пропорционален характеристике прочности материала преграды.

Так как максимальная скорость формируемой кумулятивной струи, при углах схождения материала облицовки менее 180°, ограничена в соответствии с выражением (2) и она составляет величину порядка скорости детонации взрывчатого вещества, а минимальная - величиной критической скорости, то длина формируемой кумулятивной струи в кумулятивном заряде на заданном фокусном расстоянии ограничена и ограничен диаметр формируемого отверстия.

В гиперкумулятивных зарядах [Патент РФ RU 2412338 C1, 20.02.2011] могут формироваться кумулятивные струи с максимальными скоростями значительно выше, чем в «классических» кумулятивных зарядах, для которых справедливо ограничение максимальной скорости по выражению (2), и массой, достигающей 80% массы облицовки. Максимальные скорости струи могут превышать 20-25 км/с, при минимальной скорости 6-9 км/с с плотностью материала струи порядка плотности материала облицовки, из которой она сформирована. В соответствии с выражением (3) такие кумулятивные струи могут обеспечивать большие диаметр и глубину перфорационного отверстия в преграде и производить большие разрушения объекта.

На Фиг. 1 показан осесимметричный гиперкумулятивный заряд, назначение кумулятивного заряда – направленное разрушение прочных материалов.

На Фиг. 2 показан линейный гиперкумулятивный заряд.

На Фиг. 3 показан тандемный гиперкумулятивный заряд.

На Фиг. 4 показано использование комбинации линейных и осесимметричных гиперкумулятивных зарядов, пространственно разнесенных между собой.

На Фиг. 5 показано расположение заряда взрывчатого вещества в отверстии пробитого кумулятивной струей на примере тандемного гиперкумулятивного заряда.

На Фиг. 6 показан пример разрушения преграды высокой плотности и твердости (стального цилиндра) кумулятивной струей сформированной гиперкумулятивными зарядом.

Обозначения: 1- корпус, 2 - кумулятивная металлическая воронка (облицовка); 3 - заряд взрывчатого вещества; 4 - узел инициирования; 5 - астрообъект; 6 - формируемое кумулятивной струей отверстие цилиндрической формы; 7 - трещины в теле астрообъекта; 8 - линейный гиперкумулятивный заряд; 9 - формируемое кумулятивной струей (ножом) отверстие прямоугольной формы; 10 - тандемный гиперкумулятивный заряд; 11 - заряд взрывчатого вещества, 12 - осесимметричный гиперкумулятивный заряд.

Способ добычи полезных ископаемых на астрономическом объекте заключается в посадке автоматического космического посадочного модуля на поверхность астрономического объекта, формировании отверстия цилиндрической формы или прямоугольной формы в поверхности астрономического объекта кумулятивной струей, образующейся при взрыве гиперкумулятивного заряда, установке манипулятора космического модуля на расстоянии от поверхности астрономического объекта, равном 1-10 диаметрам гиперкумулятивного заряда. После установки на поверхность астрономического объекта гиперкумулятивного заряда, манипулятор космического модуля отводится от гиперкумулятивного заряда с целью сохранения его от продуктов взрыва и осколков материала поверхности астрономического объекта. После подрыва гиперкумулятивного заряда производят выемку грунта и помещения образцов грунта в грунтозаборное устройство с помощью манипулятора космического модуля.

Кумулятивный эффект создается зарядом взрывчатого вещества 3, имеющим углубление – кумулятивную выемку, обращенную к объекту разрушения. Кумулятивная выемка, обычно конической или полусферической формы, покрыта металлической оболочкой (облицовкой) 2. Механизм действия кумулятивного заряда состоит в следующем. После инициирования заряда взрывчатого вещества 3 узлом инициирования 4, например, капсюля-детонатора, находящегося на противоположной по отношению к выемке стороне заряда, возникает детонационная волна, которая перемещается вдоль оси заряда. Волна разрушает коническую облицовку 2, начиная от ее вершины, и сообщает материалу облицовки большую радиальную и продольную скорости. Давление продуктов взрыва, достигающее ≈ 1010 Н/м² (105 кгс/см²), значительно превосходит предел прочности материала. Движущийся металл образует сходящийся под определенным полным углом более 180 градусов к оси конуса поток, который переходит в металлическую струю, перемещающуюся вдоль оси с очень большой скоростью, более динамического предела скорости для классических кумулятивных зарядов. Например, более 15-20 км/с. Основная часть энергии кумулятивного заряда «перекачивается» в металл облицовки так, что оказывается сконцентрированной в формируемой кумулятивной струе. Вследствие этого достигается повышенная плотность энергии в струе. В результате действия этой струи в массиве разрушаемого астрономического объекта образуется ряд щелей в виде сплошной воронки разрушения. Параллельно с образованием воронки разрушения по породе астрономического объекта распространяется сильная волна сжатия, образующая в породе трещины 7, которые обуславливают разрушение и раскалывание астрономического объекта.

Действие этой струи и обусловливает высокую пробивную способность гиперкумулятивного заряда и большой диаметр пробиваемого отверстия. Увеличение промежутка между зарядом и объектом разрушения увеличивает глубину пробивания из-за удлинения (растяжения) струи, так как величина пробития прямо пропорциональна длине кумулятивной струи, которая растягивается в процессе полета. Поэтому при фокусном расстоянии менее 1 калибра (диаметра гиперкумулятивного заряда) струя еще не усевает вытянуться, что сильно снижает величину пробития. При величине фокусного расстояния более 10 калибров гиперкумулятивного заряда струя начинает рваться на составные элементы, что тоже сильно снижает ее пробитие. Так как диаметр и масса формируемой кумулятивной струи в гиперкумулятивном заряде больше, чем в классическом кумулятивном заряде, то и величина фокусного расстояния заряда может быть больше.

При установке на поверхности астрономического объекта нескольких гиперкумулятивных зарядов, пространственно разнесенных между собой, увеличивается площадь и объем полезных ископаемых, которые можно выбрать с поверхности астероида.

Для увеличения эффективности разрушения поверхности астрономического объекта возможно использовать тандемные (сдвоенные последовательно расположенные) гиперкумулятивные заряды.

Для увеличения эффективности разрушения поверхности астрономического объекта возможно использовать комбинацию линейных и осесимметричных гиперкумулятивных зарядов.

Для увеличения эффективности разрушения поверхности астрономического объекта возможно использовать одновременное инициирование гиперкумулятитивных зарядов. В результате формируемых ударных волн в теле астрономического объекта и их интерференции возникают области повышенного давления и разрушение астрономического объекта происходит более эффективно.

Для увеличения эффективности разрушения поверхности астрономического объекта в отверстии цилиндрической или прямоугольной формы размещают заряд взрывчатого вещества и осуществляют его инициирование. В результате возникают интенсивные волны давления и разряжения, приводящие к разрушению астрономического объекта.

Далее производят выемку грунта и помещение его в грунтозаборное устройство.

Например. Объект массой 70-100 т. Ориентировочно определяют зону центра масс объекта. Устанавливают гиперкумулятивный заряд диаметром примерно 270 мм, который направляют в зону центра масс объекта (высота до 3,5 м при максимальном диаметре 2,0 м). При этом фокусное расстояние (расстояние от среза кумулятивного заряда до разрушаемого тела) составляет 600 мм. Получают отверстие диаметром 80-120 мм и длиной 900-1500 мм. Затем производится размещение в цилиндрической части отверстия заряда взрывчатого вещества и его инициирование. Происходит разрушение объекта на несколько более мелких объектов, которые могут быть помещены в грунтозаборное устройство и транспортированы на Землю или иной объект.

Изобретение относится к космическим технологиям, а именно к способам разработки ресурсов космической среды с поверхности астрономического объекта, например астероида или кометы и может быть использовано при изучении планет, комет и других небесных тел. Способ добычи полезных ископаемых включает посадку автоматического космического модуля на поверхность астрономического объекта, формирование отверстия в поверхности астрономического объекта, выемку грунта и помещение грунта в грунтозаборное устройство. Формируют отверстие цилиндрической или прямоугольной формы в поверхности астрономического объекта кумулятивной струей, образующейся при взрыве гиперкумулятивного заряда, установленного манипулятором космического модуля на расстоянии от поверхности астрономического объекта, равном 1-10 диаметрам гиперкумулятивного заряда. Устанавливают несколько гиперкумулятивных зарядов, пространственно разнесенных между собой. Используют тандемные гиперкумулятивные заряды. Используют комбинацию линейных и осесимметричных гиперкумулятивных зарядов. Гиперкумулятивные заряды инициируют одновременно. В отверстии размещают заряд взрывчатого вещества и осуществляют его инициирование. Техническим результатом является повышение производительности процесса добычи полезных ископаемых на астрономических объектах. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ добычи полезных ископаемых на астрономическом объекте, при котором осуществляют посадку автоматического космического модуля на поверхность астрономического объекта, формирование отверстия в поверхности астрономического объекта, выемку грунта и помещение грунта в грунтозаборное устройство, отличающийся тем, что формируют отверстие цилиндрической или прямоугольной формы в поверхности астрономического объекта кумулятивной струей, образующейся при взрыве гиперкумулятивного заряда, установленного манипулятором космического модуля на расстоянии от поверхности астрономического объекта, равном 1-10 диаметрам гиперкумулятивного заряда.

2. Способ добычи полезных ископаемых на астрономическом объекте по п.1, отличающийся тем, что устанавливают несколько гиперкумулятивных зарядов, пространственно разнесенных между собой.

3. Способ добычи полезных ископаемых на астрономическом объекте по п.1, отличающийся тем, что используют тандемные гиперкумулятивные заряды.

4. Способ добычи полезных ископаемых на астрономическом объекте по п.2, отличающийся тем, что используют комбинацию линейных и осесимметричных гиперкумулятивных зарядов.

5. Способ добычи полезных ископаемых на астрономическом объекте по п.2, отличающийся тем, что гиперкумулятивные заряды инициируют одновременно.

6. Способ добычи полезных ископаемых на астрономическом объекте по п.1, отличающийся тем, что в отверстии размещают заряд взрывчатого вещества и осуществляют его инициирование.