CC BY
18
Наука и Образование
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2016. № 05. С. 14-28.
БО!: 10.7463/0516.0839751
Представлена в редакцию: 12.04.2016 Исправлена: 26.04.2016
О МГТУ им. Н.Э. Баумана
УДК 629.783; 537.622
Особенности транспортировки капсулы с грунтом с помощью надувной оболочки в грунтозаборном устройстве КА «Фобос-Грунт»
Петров Ю. А.1, Колобов А. Ю.1'2'*, >ко11оЬоу@к&расе^а
<2 2 Алешин В. Ф. , Кононенко А. С. ,
Романенко Ю. М.1, Сутугин С. Е.1,
Горовцов В. В.1
Научно-Производственное Объединение им. С.А. Лавочкина,
Химки, Россия 2МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
В работе изучен вопрос забора образцов грунта исследуемого объекта и помещения в транспортный (возвращаемый) контейнер при доставке их на Землю. Целью работы является разработка перегрузочной части грунтозаборного устройства для забора грунта спутника Марса Фобоса.Данное устройство относится к манипуляторному типу и разработано для использования в составе космического аппарата «Фобос-Грунт».Манипулятор обеспечивает взятие с поверхности Фобоса образцов грунта и погрузку их в капсулу, перемещение которой осуществляется с помощью компактно уложенной оболочки, заполненной газом. В статье показан принцип действия перегрузочного устройства, приведена конструкция перегрузочного устройства и методика расчета его характеристик, приведены результаты проектирования перегрузочного устройства и его основные характеристики, а также рассмотрены вопросы надежности конструкции грунтозаборного устройства.
Ключевые слова: Фобос, доставка образцов грунта, грунтозаборное устройство
Введение
В настоящее время автоматические аппараты являются единственно возможным средством непосредственного исследования планет солнечной системы. При этом одним из направлений космических исследований является задача доставки образцов грунта исследуемого объекта.
Важнейшим этапом по доставке образцов грунта является этап его забора и помещения в транспортный (возвращаемый) контейнер.
В зависимости от физико-механических характеристик грунта, ограничений по массе, ограничений по компоновке космического аппарата используются различные типы грунтозаборных устройств[1,2,3,4,5].
Конечно самой большой информативностью обладают образцы грунта, полученные буровыми установками. Они имеют форму столбика и позволяют получить информацию о структуре грунта по глубине[1].
Для доставки на Землю образцов грунта спутника Марса Фобоса разработан КА «Фобос-Грунт». Задача забора грунта решается средствами автоматики и грунто-заборного устройства (ГЗУ), которое состоит из манипуляторов, ТВ-камер, грунтопере-грузочного устройства (ГПУ).
С помощью манипуляторов обеспечивается взятие с поверхности Фобоса образцов грунта и погрузка их в капсулу, которая находится в блоке ГПУ в зоне приема. После заполнения капсулы происходит автоматическая перегрузка из зоны приема грунта ГПУ в зону начала перемещения капсулы по тракту. Перемещение капсулы по тракту, соединяющему ГПУ и возвращаемый спускаемый аппарат, обеспечивается с помощью компактно уложенной оболочки при ее наполнении газом.
При работе ГЗУ существует ряд ограничений. Приемное отверстие капсулы допускает образцы грунта размером до 10мм, свободный объем капсулы для грунта - 100см . Ограничена также величина осевого усилия манипулятора при заборе грунта. Из решения задачи динамики посадки аппарата известны его возможные угловые положения относительно поверхности контакта.
Для работы манипуляторов по взятию и погрузке образцов грунта с учетом ограничений производится съемка поверхности посадки Фобоса, а также используется датчик контакта грунта. Выбор точек забора грунта осуществляется в соответствии с разработанным алгоритмом.
Длительность работы ГЗУ при выполнении операций по взятию, загрузке грунта и перегрузке его в спускаемый аппарат, согласно циклограмме работы бортового вычислительного комплекса, не более 15мин.
1. Устройство ГЗУ
Конструктивно ГЗУ состоит из манипулятора, который установлен на стойке посадочного аппарата (ПА) и ГПУ(рис. 1), которое с помощью силовой балки крепится к несущей конструкции ПА (ПМ).
Рис. 1. Общий вид ГПУ: 1 - балка силовая; 2 - пневмосистема; 3 - тракт; 4 - механизм перегрузки (под кожухом); 5 - пироузел резки оболочки; 6 - узел вращения; 7 - откидная часть тракта; 8 - пироузел крепления тракта; 9 - возвращаемый спускаемый аппарат (СА)
Устройство перегрузки состоит из уложенной оболочки, размещенной в нижней части кассеты, и капсулы для грунта, которая вместе с подпружиненным стаканом удерживается пиромеханической чекой на кассете(рис.2).
Кассета установлена на поворотном кронштейне, который в положении для загрузки зафиксирован на неподвижном кронштейне пирочекой (ПЧ).
На неподвижном кронштейне установлен пироузелзачековки крышки капсулы. На крышке имеются уплотнительное и пружинное кольца.
Один конец транспортировочного канала (тракта) с минимальным зазором подведен соосно к торцу пироузлазачековки крышки и крепится к силовой балке болтами, а другой конец тракта с помощью пирозамков крепится к ложементу, в котором установлен СА.
Верхняя горизонтальная часть тракта выполнена откидывающейся. Для этого в зоне перегиба тракта имеется узел вращения и пиромеханический нож для резки оболочки.
11 б 10 4
Рис. 2. Механизм перегрузки: 1 - дроссель; 2 - кронштейн неподвижный; 3 - кассета; 4 - капсула для грунта;5 - кронштейн поворотный; 6 - крышка капсулы; 7 - пневмомагистраль; 8 - пружины; 9 -пиромеханическая чека; 10 - пирочека; 11 - пироузелзачековки крышки; 12 - стакан
На силовой балке установлена пневмосистема(рис.З), предназначенная для развертывания оболочки. Она состоит из баллона, заправочного клапана, пускоотсечного клапана и датчика давления. От баллона к кассете подведена пневмомагистраль, в месте присоединения ее к кассете установлен дроссель.
Рис.3. Силовая балка и пневмосистема: 1 - балка силовая; 2 - клапан заправочный; 3 - баллон; 4 - клапан
пускоотсечной
2. Принцип работы ГПУ
ГПУ работает следующим образом. После загрузки капсулы грунтом подается команда на срабатывание пирочеки, фиксирующей поворотный кронштейн. Шток пирочеки выходит из зацепления с подвижным кронштейном и с помощью пружины поворотный кронштейн с кассетой поворачивается до упора, останавливаясь соосно крышке пироузла.
Затем срабатывает пиромеханическая чека. Пружины, установленные под фланцем стакана, перемещают его и капсулу с грунтом до контакта с крышкой. Торец капсулы входит в крышку и происходит герметизация капсулы уплотнительным кольцом и фиксация крышки пружинным кольцом.
Далее подается команда на расчековкупироузла фиксации крышки, после чего герметичная капсула с грунтом находится в свободном состоянии, готовая к ее транспортированию в спускаемый аппарат.
При срабатывании пускоотсечного клапана газ из баллона поступает через дроссель в полость оболочки, и она, организованно развертываясь, перемещает капсулу с грунтом по тракту до попадания его в спускаемый аппарат, где она фиксируется пружинным кольцом.
Затем, после некоторой временной задержки (~50сек), необходимой для истечения газа из баллона в оболочку, последовательно подаются команды на пиронож резки оболочки и пироузлы крепления тракта к спускаемому аппарату.
После чего, консольная свободная часть тракта под действием пружины поворачивается на 180° и фиксируется защелкой, чем обеспечивается беспрепятственный старт возвращаемой ракеты соспускаемым аппаратом.
3. Результаты проектирования ГПУ
Одной из основных проблем при проектировании ГПУ является выбор параметров оболочки и характеристик пневмосистемы.
При выборе характеристик оболочки необходимо учитывать компоновочные особенности тракта, связывающего механизм перегрузки и возвращаемый спускаемый аппарат, а также форму и размеры ампулы, найденные в результате конструктивной проработки спускаемого аппарата.
Оболочка должна быть прочной, герметичной, обладать достаточной эластичностью и быть простой в изготовлении. При этом укладка оболочки должна при ее наполнении газом обеспечить упорядоченное (организованное) ее раскрытие и перемещение капсулы с грунтом по всей длине тракта.
При выборе способа укладки оболочки необходимо учитывать ряд ограничений. Уложенная оболочка должна размещаться в ограниченном объеме кассеты, быть совместимой с размерами тракта. Понятно, что для обеспечения компактной укладки оболочки в ней неизбежны складки.
Из эксперимента известно, что на оболочке, уложенной со складками и выполненной из сравнительно толстой пленки, после воздействия вибрационной нагрузки, на складках могут образоваться трещины. В нашем случае это еще усугубляется и тем, что оболочка, уложенная со складками, в таком состоянии находится длительное время, приблизительно один год. В результате оболочка может охрупчиться и потерять свои эластичные свойства.
С другой стороны, оболочка из слишком тонкой пленки не будет обладать необходимой прочностью и герметичностью.
Из эксперимента определили, что оптимальной является оболочка, выполненная из фторопластовой пленки толщиной 50мкм. При наполнении ее газом до давления 0,07атмпринимает форму цилиндра и удерживает эту форму в течение 15мин, что во много раз превышает время, необходимое для перемещения ампулы с грунтом по тракту.
По результатам испытаний оболочки можно сделать вывод: хранение оболочки в сложенном положении в течение двух лет в земных условиях не привело к потере ее герметичности.
Оболочка на участке перелета защищена металлической конструкцией от воздействия радиации и других факторов космического пространства.
Для получения высокого качества и стабильных характеристик оболочки была отработана технология ее изготовления из пленки путем тепловой сварки. Оболочка имеет герметичные долевой шов и один торцевой шов.
Один конец оболочки заделан на тонкостенном цилиндре, имеющем три проточки, в которые нанесен герметик, причем с наружной стороны по проточкам пленка перетянута капроновой нитью, а другой - свободный конец - имеет сварной шов.
Перед укладкой оболочку раскладывают и формируют в плоскость с шириной в=пг, где г - радиус оболочки.
Далее производится складывание оболочки способом «зиг-заг», начиная со свободного конца. Оболочку с шагом —1/3 шириныукладки перегибают, делая регулярные развороты вверх-вниз. При этом на каждом шаге предварительно плавно выдавливается имеющийся в оболочке воздух. Укладку оболочки производят до положения, пока до цилиндра не останется слабина с размером не менее ширины укладки. Затем, уложенную таким образом оболочку перегибают пополам так, что последняя складка оказывается внутри перегиба и этот пакет заправляют в слабину оболочки и утапливают внутрь цилиндра. После этого укладка принимает форму цилиндра, при этом первая складка, примыкающая к боковой поверхности цилиндра, при наполнении оболочки будет работать в последнюю очередь.
Экспериментальные исследования показали, что давление, необходимое для развертывания оболочки и перемещения гильзы с грунтом по тракту, должно достигать не более 0,1атм. При этом гильза имеет плавные обводы и перемещается по тракту, в том числе и на радиусах изгиба тракта, свободно без закусывания. Тракт - круглого поперечного сечения с диаметром несколько меньшим, чем диаметр оболочки, что исключает разрыв обо-
лочки при ее наддуве и развертывании, т.е. оболочка выстилается по стенке тракта со слабиной.
Для перегрузки капсулы с грунтом по тракту в спускаемый аппарат подается команда на пускоотсечной клапан. После его срабатывания газ поступает из баллона по трубопроводу и через дроссель в полость оболочки. Давление наддува последовательно преодолевает сопротивление складок оболочки и сопротивление трения капсулы о стенки тракта.
Из эксперимента известно среднее по длине тракта давление Р в оболочке, необходимое для перемещения капсулы.
Давление Р в баллоне объемом Уб при его заправке сухим азотом определяется из уравнения состояния:
Р _
где М1 - масса азота, заправленного в баллон, Я - газовая постоянная азота, Т - температура газа.
Перемещение капсулы происходит при звуковом режиме истечения, т.к. отноше-
Р / .
ние давлений[ _ тпр/р <0,528, расход газа т при этом максимальный. Особенность при
истечении состоит в том, что до момента фиксации капсулы в СА, истечение происходит в среду(в оболочку) с постоянным давлением. После фиксации капсулы давление в оболочке постепенно увеличивается.
Звуковой режим продолжается до тех пор, пока давление Р в баллоне оказывается более высоким, чем давление, для которого постоянное давление среды Р0 (давление в оболочке) является критическим. При дальнейшем уменьшении давления в баллоне режим истечения становится дозвуковым.
Расход газа, пока сохраняется условие [ < [ _ 0,528 определяется по формуле [6]:
• / Р т _
где ц - коэффициент расхода, учитывающий потери при истечении, т.е. отношение действительного расхода к теоретическому, /др - площадь дросселя,
2
2к Г 2 > к-1
к +1 1 к +1)
- коэффициент, зависящий только от показателя адиабаты К
, для двухатомных газов К _ 1,4 и у _ 0,685, Р - текущее значение давления в баллоне, 3 - удельный объем.
Время перемещения капсулы по тракту до момента ее фиксации в СА определяется из выражения:
К , Р К , Р
т - -
б 1П — --Ы^1
ц[дру4т р ц[дру4ш Р
где Р - текущее значение давления в баллоне.
Зная давление Р и объем оболочки Уоб после ее наполнения в конце тракта, найдем массу газа, которая перетекла через дроссель за время перемещения капсулы:
Р V к
Ъ/[ — сопР об
м 1об - '
ЯГ .
Давление в баллоне после наполнения оболочки (Р - Р'):
Р -
(м 1 - мш )ЯТ
Кб
По результатам проектирования ГПУ, конструктивно совместимого с компоновкой посадочного аппарата с учетом ограничений по массе, объем баллона пневмосистемы V - 0,317л конечный объем полости оболочки (в момент фиксации капсулы) Коб - 10л .
Длина тракта 3487мм.
Давление заправки баллона при нормальных климатических условиях составляет Р - (20 ± 0,5) -105 Па, диаметр дросселя йдр - 0,5мм. Окончательно эти параметры корректируются по результатам испытаний.
Температура газа в баллоне на момент срабатывания пневмосистемысоставляет минус 36°С, давление в баллоне - Р -16,46-105 Па, давление наполнения оболочки -РопПр - 0,065-105 Па.
Из представленных выше выражений найдем давление в баллоне после наполнения оболочки Р - 14,4 • 105 Па.
Подставляя найденные давления Р и Р', а также приведенные выше исходные данные в уравнение для времени перемещения капсулы по тракту до момента ее фиксации в спускаемом аппарате, получим:
0,317•Ю-3 , 16,46-105 , 0
т --т-, 1п-— - 1.8с.
0,65 • 0,2 -10 • 0,68^287 • 237 14.4 • 105
Теперь необходимо проверить надежность фиксации капсулы в спускаемом аппарате.
Для надежной фиксации капсулы необходимо чтобы кинетическая энергия капсулы была больше упругой энергии пружин замка Т >и. Кинетическая энергия капсулы:
т V2 015-1 942 Т - - 0,15 1,94 - 0,28Н • м 2 2 ,
где т = 0,15кг - масса капсулы с грунтом,
V = 1,94м / с - скорость капсулы при постановке на замок.
Энергия двух пружин замка:
и = - Р -Ах • 2 = -30 • 0,001-2 = 0,03Н • м 2 2 ,
где Р = 30Н - усилие упругого элемента при деформации Ах = 0,001м.
Следовательно, условие постановки капсулы на замок выполняется.
При необходимости для получения желаемой скорости капсулы можно изменять диаметр дросселя, увеличивать или уменьшать давление заправки баллона, не меняя его объема, или установить маломощный нагреватель на баллоне.
Перед срабатыванием пироножа резки оболочки газ из баллона дросселирует в полость оболочки до выравнивания давления в баллоне и оболочке. Для формирования коммутации цепи подрывапироножа, необходимо определить величину временной задержки, связанной с временем перетекания газа в оболочку.
Давление Рр, под которым будет находиться газ в баллоне и оболочке в конце истечения:
РР =
Рб • Уб
Уб +У обол
= 0,505-105 Па
Найдем время истечения газа из баллона в оболочку при звуковом режиме ( = 0,528 , после фиксации капсулы на спускаемом аппарате. Давление в баллоне Р = 0,93 • 105 Па, в оболочке - Робол = 0,419 -105 Па в конце этого режима. Тогда
т = ■
0,317-10"
14,4 -105 Лп—-- = 37,4с
0,65• 0.2• 10-6 • 0,685^/287-237 0.93• 105 Дальнейший режим истечения становится дозвуковым. Уравнение для массового расхода в этом случае:
Ж = $д
2 к+1 "1
2к Р Г Р Л 1 2 к Г Р Л Р 2 к
к -1 ^ 1 Р1 ) 1 Р1 )
др .
В начальный момент истечения при ( >0,528 давление в баллоне Р = 0,93 • 10 Па, давление в оболочке Р2 = 0,492 • 105 Па . В конце истечения Рг = Р2 = 0,5 • 105 Па.
По результатам расчета время истечения на этом режиме составляет 58 с.
Суммарное время истечения - 45 с.
После временной задержки т3 = 50с подается команда на пиронож резки оболочки и команда на пироузлы крепления тракта к спускаемому аппарату.
После последовательного срабатывания этих узлов, откидная часть тракта с помощью пружины поворачивается на 180° и фиксируется с помощью защелки.
На рис.4 и рис.5 показаны графики изменения давления в баллоне и оболочке по времени.
3
Рис.4. Изменение давления в баллоне по времени
Рис. 5. Изменение давления в оболочке по времени I - расчет, II - эксперимент
Проанализируем характерные точки на графике (рис. 5).
В точке 1 выброс по давлению объясняется тем, что в кассете под уложенной оболочкой имеется свободный объем и движение капсулы еще не началось.
Среднее значение сопротивления при перемещении капсулы 0,065 • 105 Па.
В точках 2 небольшие колебания давления вызваны тем, что сопротивление трения капсулы по длине тракта непостоянно. На участках поворота тракта оно отличается от сопротивления на прямых участках. Кроме того, сопротивление складок по мере распускания оболочки (по мере увеличения ее объема) несколько уменьшается.
В точке 3 происходит рост давления в оболочке до величины срабатывания стопорных колец. После фиксации капсулы в спускаемом аппарате, сопротивления оболочке капсула не оказывает и давление резко падает до точки 4.
От точки 4 до точки 5 идет наполнение оболочки при звуковом режиме истечения на дросселе.
По результатам испытаний время перемещения капсулы по тракту совпадает с расчетным (т = 1,8с), время накопления оболочки 43 с, равновесное давление в оболочке и
баллоне 0,4736-105 Па. Небольшое расхождение с результатами расчета объясняется тем, что оболочка при больших давлениях становится полупроницаемой и происходит небольшая утечка газа.
После отвода откидной части тракта, происходит истечение газа из баллона в безатмосферную среду. При этом необходимо проверить устойчивость посадочного аппарата к опрокидыванию, т.к. учитывая слабую гравитацию Фобоса ^ = (3 - б) • 10 3 м/с2, аппарат массой т = 1200кг весит ~ 0,5 кгс.
Условие устойчивости аппарата опрокидыванию:
т^Б > Я • а,
где Я = тЖ - сила тяги при истечении газа из баллона,
а - расстояние от вектора силы тяги до двух смежных опор ПУ, находящихся в контакте с грунтом,
В - расстояние от вектора силы тяжести ПА до этих же опор.
Если это условие не выполняется, то можно подать команду на закрытие пускоот-сечного клапана перед отводом откидной части тракта.
4. Надежность ГЗУ
Надежность конструктивных элементов ГЗУ обеспечивается запасами прочности, закладываемыми при проектировании.
В качестве основного критерия надежности принимается достижение максимальным напряжением, возникающим в конструкции, предела прочности (предела текучести, предела усталости или предела устойчивости) хотя бы в одном элементе конструкции.
Нагрузка и несущая способность рассматриваются как случайные функ-ции.Принимается допущение, что пересечения реализаций нагрузки N(1) и несущей способности R(t) являются редкими случайными событиями, а распределение реализаций в каждом сечении 1 = ^ -нормальным.Применение нормального закона оправдано тем, что в случае совместного действия большого числа случайных возмущений, подчиняющимся различным законам распределения, если среди них нет превалирующего, результирующее возмущающее воздействие имеет, согласно центральной предельной теореме теории вероятностей, распределение, близкое к нормальному.
В квазистатической постановке задачи при нормальном распределении разрушающей Я(1)и действующей нагрузок#(/)и отсутствии между ними корреляционной зависимости вероятность неразрушенияконструкции определяется как [7]:
р = ф
1- 3од 1 + 3^
по
1 - 30 У
v г +
о
V1 + 3от у у
1
п
2
где Ф(х) -функция нормального распределения;
£
п = (или произведение коэффициентов безопасности и запаса);
оя, ом = — ) - коэффициенты вариации нагрузок.
т
ты, тт - математические ожидания (МО) и N(1); —, —т- среднеквадратические отклонения (СКО) Щх) и N(1).
В худшем случае, когда коэффициент безопасности и коэффициент запаса равны соответственно 1,3 и 1, а коэффициенты вариации нагрузок равны 10%, значение функции нормального распределения составляет 6,43 и в соответствии с [6] вероятность неразрушения превышает 0,99999999. Это означает, что заложенные в конструкции ГЗУ нормативных коэффициентов безопасности обеспечивают практически абсолютную надежность конструкции.
Вероятность безотказной работы пиротехнических устройств также чрезвычайно высока, с нижней границей не менее РН>0,9995.. Такой уровень надежности обеспечивается в первую очередь за счет высокой надежности средств инициирования.
Вывод
Разработана конструкция грунтозаборного устройства манипуляторного типа, позволяющего с высокой вероятностью осуществить миссию по забору грунта со спутника Марса Фобоса. Работоспособность ГЗУ подтверждена наземными экспериментами. Разработанная конструкция запатентована [8].
Список литературы
1. Кемурджиан А.Л., Громов В.В., Черкасов И.И., Шварев В.В. Автоматические станции для изучения поверхностного покрова Луны. М.: Машиностроение, 1976. 200 с.
2. Фобос-Грунт. Проект космической экспедиции. В 2-х тт., М.: ИКИ РАН, НПО им. А. Лавочкина, 2011.
3. Федорова Н. А., Велданов В. А., Даурских А. Ю., Федоров С. В. Влияние реактивной тяги на проникание пенетраторов при изучении строения поверхностного слоя космических объектов // Наука и образование. 2014. №2. С.189-201. Б01: 10.7463/0214.0699035
4. Malin M. C., Caplinger M. A., Carr M. H., Squyres S., Veverka T.J. Mars Descent Imager (MARDI) on the Mars Polar Lander // Journal of Geophysical Research. 2001. Vol.106, Is.E8. P. 17635-17650. DOI: 10.1029/1999JE001144
5. Гущин В.Н. Основы устройства космических аппаратов. М.: Машиностроение, 2003. 272 с.
6. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1969. 824с.
7. Алешин В.Ф., Колобов А.Ю., Петров Ю.А. Проблемные вопросы прогнозирования и подтверждения надежности космических аппаратов длительного функционирования // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 06. С.31-41. DOI: 10.7463/0615.0778993
8. Горовцов В.В., Давыдов А.В., Королева Т.В., Орлов А.А., Романенко Ю.М., Сутугин С.Е., Сходкин А.Ю., Снычев Н.П. Устройство для доставки контейнера с грунтом исследуемого небесного тела в посадочный аппарат возвращаемой на Землю ступени космической станции и устройство для транспортирования грузов по трубопроводу: пат. №2413660 Российская Федерация. 2011. Бюл.7. 17 с.
Science ¿Education
of the Baumail MSTU
Science and Education of the Bauman MSTU, 2016, no. 05, pp. 14-28.
DOI: 10.7463/0516.0839751
Received: 12.04.2016
Revised: 26.04.2016
© Bauman Moscow State Technical Unversity
Features of the Transportation Capsules with the Ground by Means of the Inflatable Shell in the Suction Head of the SPACECRAFT "Phobos-Grunt"
J.A. Petrov1, A.Yu. Kolobov12 , V.F. Alyoshin2, A.S. Kononenko , Yu.M. Romanenko , S.E. Sutugin1, V.V. Gorovtsov1
Scientific and Production Association. n.a. S.A. Lavochkin,
Khimki, Russia
2Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
kollob ovigla &p a ce-tu
Keywords: Phobos, delivery of soil samples, suction head
One of the most interesting trends of space research is a delivery of the soil samples of the investigated object to the Earth. In delivering the soil samples the most important stage is a stage to pick-and-place it in the transportation (returned) capsule.
The aim of this work is to develop a reloading device of the suction head to provide picking up the soil of Mars' satellite "Phobos". This device is designed for use as a part of the spacecraft "Phobos-Grunt".
The presented device belongs to a manipulating type of devices and consists of a manipulator and a handling device. The manipulator provides picking up the Phobos surface soil samples and their placing into a capsule, which is in the block of the handling device. Upon the capsule has been filled it is reloaded from the soil intake area to the area of capsule transfer, which is provided by means of a compactly piled gas-filled shell.
In operation there is a number of restrictions. The tolerable capsule opening size to take-in the soil samples can be up to 10 mm with 100 cm free soil capsule volume. When picking up the soil the magnitude of the axial force of the manipulator is restricted.
The paper considers the operating principle of the reloading device and describes the handling device design and method to calculate its characteristics. It also presents the designing results of the handling device and its basic characteristics. The issues of the suction head reliability are also discussed.
There is the Russian Federation patent for the invention №2413660 of the developed device.
References
1. Kemurdzhian A.L., Gromov V.V., Cherkasov I.I., Shvarev V.V. Avtomaticheskie stantsii dlya izucheniya poverkhnostnogo pokrova Luny [Automatic stations to study the surface cover of the moon]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1976. 200 p. (in Russian).
2. Fobos-Grunt. Proekt kosmicheskoi ekspeditsii. V 2 t. [Phobos-Grunt. The project of space expedition. In 2 vols]. Moscow, IKI RAN, NPO im. A. Lavochkina Publ., 2011. (in Russian).
3. Fedorova N.A., Veldanov V.A., Daurskikh A.Yu., Fedorov S.V. Influence of jet thrust on penetrator penetration when studying the structure of space object blanket. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana = Science and Education of the Bauman MSTU, 2014, no. 02, pp. 189-201. (in Russian). DOI: 10.7463/0214.0699035
4. Malin M. C., Caplinger M. A., Carr M. H., Squyres S., Veverka T.J. Mars Descent Imager (MARDI) on the Mars Polar Lander. Journal of Geophysical Research, 2001, Vol.106, Is.E8. pp. 17635-17650. DOI: 10.1029/1999JE001144
5. Gushchin V.N. Osnovy ustroistva kosmicheskikh apparatov [Bases for design of spacecraft]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2003. 272 p. (in Russian).
6. Abramovich G.N. Prikladnaya gazovaya dinamika [Applied gas dynamics]. Moscow, Nauka Publ., 1969. 824 p. (in Russian).
7. Alyoshin V. F., Kolobov A.Yu., Petrov J.A. Challenging Issues for Predicting and Validating Reliability of Sustained Spacecraft Operation. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana = Science and Education of the Bauman MSTU, 2015, no. 06, pp. 31-41. (in Russian). DOI: 10.7463/0615.0778993
8. Gorovtsov V.V., Davydov A.V., Koroleva T.V., Orlov A.A., Romanenko Yu., Sutugin S.E., Skhodkin A.Yu., Snychev N.P. Ustroistvo dlya dostavki konteinera s gruntom issleduemogo nebesnogo tela v posadochnyi apparat vozvrashchaemoi na Zemlyu stupeni kosmicheskoi stantsii i ustroistvo dlya transportirovaniya gruzov po truboprovodu [A device for delivery of the container with the soil of the studied celestial body in the landing apparatus returned to Earth stage of a space station and a device for the transportation of goods by pipeline]. Patent RF, no. 2413660, 2011. Bul. 7. 17 p. (in Russian).
