Меню

Грунтозаборное устройство для космоса

Работа грунтозаборного устройства

После прилунения станции открывался замок, фиксирующий грунтозаборное устройство, и штанга с буровым станком занимала вертикальное положение. Затем она поворачивалась на 180°, чтобы корпус станка при отводе штанги в горизонтальное положение был обращен рабочим органом к грунту. Наконец, буровой станок приводился в контакт с грунтом, и начиналось бурение.

Станок работал от электродвигателей. Расход энергии и скорость углубления бура контролировались с Земли. По этим данным можно было судить о сопротивлении бурению. По окончании бурения бур извлекался из грунта и вводился вместе с образцом грунта в специальный контейнер возвращаемого аппарата ракеты Луна – Земля. Контейнер герметически закрывался.

По окончании этих операций ракета Луна – Земля стартовала с Луны и направлялась к Земле. В конце полета спускаемый аппарат отделялся от ракеты и входил в атмосферу. После аэродинамического торможения раскрывался парашют, и аппарат опускался в заданном районе, откуда подавал радиосигналы поисковой группе,

Бурение (прямой ход) при заборе грунта станцией «Луна-1б» продолжалось 6 мин. 14 сек. на полную величину рабочего хода бурового станка – 350 мм. В конце рабочего хода электродвигатели автоматически отключались микровыключателями, расположенными внутри бурового станка. Во время прямого хода токи, потребляемые электродвигателями, были постоянными. Момент бурения во время прямого хода тоже почти не изменялся и находился в пределах 2-3 кг/см.

Результаты работы грунтозаборного устройства свидетельствуют об отсутствии каких-либо существенных изменений токов в цепи приводных двигателей и в скорости бурения на протяжении всего цикла работы. Это позволяет предположить достаточную однородность свойств грунта в месте посадки станции.

Источник

научная статья по теме МАНИПУЛЯТОРНЫЙ КОМПЛЕКС ГРУНТОЗАБОРНОГО КОМПЛЕКСА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ФОБОС–ГРУНТ Астрономия

Цена:

Авторы работы:

Научный журнал:

Год выхода:

Текст научной статьи на тему «МАНИПУЛЯТОРНЫЙ КОМПЛЕКС ГРУНТОЗАБОРНОГО КОМПЛЕКСА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ФОБОС–ГРУНТ»

АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2010, том 44, № 5, с. 480-484

МАНИПУЛЯТОРНЫЙ КОМПЛЕКС ГРУНТОЗАБОРНОГО КОМПЛЕКСА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ФОБОС-ГРУНТ

© 2010 г. О. Е. Козлов2, С. Н. Алексашкин3, А. В. Иванов1, Т. О. Козлова2, С. Е. Сутугин3

1 Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, Москва 2 Институт космических исследований РАН, Москва 3 ФГУПНПО им. С.А. Лавочкина, Химки, МО Поступила в редакцию 15.02.2010 г.

Статья посвящена вопросу забора грунта с использованием манипулятора во время работы космического аппарата Фобос—Грунт. Рассмотрен принцип действия выбранного технического решения, конструкция захвата манипулятора, механических передач, и манипулятора в целом, приведены краткие технические характеристики. Рассмотрен вопрос выбора грунта-аналога Фобоса для проведения наземных испытаний, приведены результаты испытаний, принципы работы и управления манипулятором.

Автоматическая межпланетная станция Фобос-Грунт предназначена для доставки на Землю образцов грунта Фобоса и для исследования физико-химических характеристик грунта на борту. Для реализации научных задач на станции Фобос-Грунт устанавливается грунтозаборный комплекс (ГЗК), основная задача которого — произвести забор проб грунта с поверхности Фобоса и поместить их в возвращаемый на Землю контейнер и в грунтоприем-ники научных приборов. Манипуляторный комплекс (МК) предназначен для использования в составе ГЗК и выполнения следующих функций:

— взятие с поверхности Фобоса образцов реголита и консолидированных фрагментов;

— перегрузка взятых образцов в контейнер спускаемого аппарата, предназначенного для доставки взятых образцов на Землю;

— обеспечение образцами грунта приборов комплекса научной аппаратуры (КНА);

— установка на грунт блока датчиков мессбауэ-ровского спектрометра;

— обеспечение наведения панорамной камеры для съемки панорам поверхности Фобоса и контроля забора грунта.

В состав МК входят: манипулятор, грунтозабор-ное устройство, мессбауэровский спектрометр, панорамная камера, микроскоп МикрОмега.

Впервые в отечественной практике было запланировано использовать манипулятор как многоразовое многофункциональное устройство для забора грунта, установки приборов на грунт и съемки грунта и элементов космического аппарата. Кроме того,

забор грунта в условиях практически отсутствия гравитации до настоящего времени не осуществлялся.

Отсутствие гравитации накладывает ограничение на выбор способа забора и перегрузки грунта, в частности, процесс пересыпания грунта неприемлем. Особенностью конструкции грунтозаборного устройства (ГЗУ) становится принудительная выгрузка грунта при помощи поршня.

Поверхностный слой (реголит) Фобоса как безатмосферного планетного тела по ряду физико-механических характеристик должен быть близок к лунному реголиту. Следует ожидать, что слагающие реголит Фобоса частицы, подобно частицам лунного реголита, должны иметь сложную неправильную форму, возникшую в результате процессов переработки поверхности Фобоса микрометеоритными частицами и фрагментами, выброшенными при метеоритной бомбардировке с Марса. Кроме того, на грунт Фобоса влияют следующие факторы:

— большой диапазон температур,

На основе анализа данных по модели Фобоса и реголиту Луны [1] была принята следующая модель грунта Фобоса: гранулометрический состав на глубину до 10 см соответствует модели недозрелого реголита — тонкозернистый пылеватый песок с размерами частиц от 20 до 240 мкм. Около 5% по объему занимают камни и щебень размером до 10 мм, грунт находится в рыхлом состоянии и деформируется только за счет уплотнения по схеме местного сдвига, при этом межзерновая пористость изменяется от 0.8

МАНИПУЛЯТОРНЫЙ КОМПЛЕКС ГРУНТОЗАБОРНОГО КОМПЛЕКСА

Рис. 1. Грунтозаборное устройство.

(рыхлый грунт) до 0.5 (плотный грунт), после деформирования или взятия образцов грунт «держит» вертикальные стенки высотой до 5—10 см.

Для испытаний было использовано две модели грунта. В ГЕОХИ был разработан грунт-аналог на основе дробленого керамзита с добавлением 1% масла для обеспечения стабильных свойств модели грунта и необходимого сцепления и несущей способности. Для проведения испытаний на сыпучем грунте был использован сухой кварцевый песок. Также для испытаний использовались камни размером до 10 мм.

При стандартной циклограмме забора грунта предполагается

— съемка поверхности Фобоса стереокамерой,

— передача стереоизображения на Землю,

— выбор точек забора грунта манипулятором и назначение грунтоприемников для каждой выбранной точки,

— обработка стереоизображения и передача координат точек забора грунта на КА,

— выход манипулятора над первой точкой забора,

— разворот в сторону точки забора панорамной камеры и определение необходимых коррекций положения манипулятора (может делаться автоматически на борту КА),

— коррекция положения манипулятора,

— разворот в сторону точки забора грунта ГЗУ,

— вертикальное опускание ГЗУ в точку забора грунта и забор грунта,

— перенос грунта в указанный грунтоприемник и выгрузка грунта.

При разработке грунтозаборного устройства МК его размеры и принцип работы были согласованы с грунтоперегрузочным устройством спускаемого аппарата разработки НПО им. С.А. Лавочкина и приборами комплекса научной аппаратуры. В мани-

Рис. 2. Манипуляторный комплекс.

пуляторном комплексе захват ГЗУ выполнен в виде разрезанной вдоль тонкостенной трубы с наружным диаметром 16 мм, внутренним диаметром 13 мм и длиной внутренней полости 21 мм с поршнем-выталкивателем внутри (рис. 1). Трубчатая конструкция захвата обладает рядом преимуществ, которые и предопределили выбор:

Рис. 3. Скребок ГЗУ.

— трубчатый захват позволяет забирать грунт, калиброванный по диаметру, что обеспечивает надежную перегрузку в контейнер спускаемого аппарата,

— цилиндрический поршень по трубчатому захвату надежно и полностью перегружает грунт в грунтоприемник,

— при любом положении манипулятора на космическом аппарате трубчатый грунтозаборник обеспечивает соосную стыковку с грунтоприемным устройством спускаемого аппарата,

— трубчатые грунтозаборники широко используются в механике грунтов и геологии, а также были использованы в экспедициях Apollo.

Грунтозаборное устройство устанавливается на поворотной платформе на манипуляторе. Манипулятор представляет собой жестко закрепленный на кронштейне перелетного модуля двухзвенный с четырьмя степенями свободы механизм, оконечным звеном которого является поворотная платформа, на которой, кроме ГЗУ, установлены панорамная камера и блок датчиков мессбауэровского спектрометра (рис. 2). Четыре степени свободы обеспечиваются четырьмя приводами, что позволяет манипулятору поворачиваться по азимуту в пределах выделенной общей компоновкой зоны. Поверхность, которая может быть исследована манипулятором, это сег-

мент углом 150° от точки крепления манипулятора и ограничена максимальной длиной манипулятора около 900 мм. В транспортном положении манипулятор находится в сложенном виде и крепится к космическому аппарату в двух местах с помощью кронштейнов и системы пирочек.

Привод ГЗУ состоит из привода, аналогичного манипуляторному, и винтовой передачи, которая обеспечивает перемещение поршня. Перемещение поршня контролируется датчиками. Погружение ГЗУ в грунт контролируется датчиком контакта с грунтом, который срабатывает при погружении в грунт захвата ГЗУ на 25 мм. Для обеспечения надежного забора грунта было отработано несколько алгоритмов, в зависимости от испытываемой модели грунта.

Для связного керамзита использовался стандартный алгоритм забора грунта, при котором захват открывался на 2—3 мм, внедрялся в грунт, после чего захват сжимался, обеспечивая надежную фиксацию грунта, манипулятор позиционировал захват в точку выгрузки и поршень выталкивал грунт. Столбик грунта получался диаметром 13 мм, высотой около 20 мм.

Для сыпучего грунта стандартный алгоритм был не применим, так как при подъеме захвата над грун-

МАНИПУЛЯТОРНЫИ КОМПЛЕКС ГРУНТОЗАБОРНОГО КОМПЛЕКСА

Рис. 4. Испытательный стенд.

том, песок высыпался. Поэтому был использован алгоритм «черпания», при котором захват в сжатом положении опускался в грунт вертикально вниз, поворачивался на 70°—80° и переносился в точку выгрузки. Манипулятор обеспечивал разворот захвата над точкой выгрузки до вертикального положения и поршень выталкивал остатки грунта. Такой алгоритм позволил в условиях земной гравитации забирать около трети полного объема захвата, что гарантирует забор грунта в условиях низкой гравитации.

Были проведены испытания по забору камней размером до 10 мм, которые захватывались ГЗУ вместе с окружающим грунтом.

В случае, если на поверхности Фобоса толщина слоя реголита будет составлять менее 20 мм, на ГЗУ предусмотрен скребок (рис. 3) для сбора частиц ре-

голита в одном месте с последующим забором образца с помощью захвата.

Для испытаний был разработан стенд, имитирующий две панели космического аппарата, между которыми установлен манипулятор. На панелях расположены имитаторы приборов комплекса научной аппаратуры с воспроизведением габаритно-установочных размеров для отработки оптимальных траекторий движения манипулятора. Кроме испытаний по забору грунта, были проведены совместные испытания с комплексом научной аппаратуры. Были проведены стыковки с приборами ТДА, ЛАЗМА, МикрОмега, с грунтоперегрузочным устройством спускаемого аппарата (рис. 4).

Читайте также:  Что такое музей космоса

По результатам испытаний были подтверждены основные технические параметры грунтозабора:

— усилие внедрения в мелкодисперсный связный грунт составило 65 г,

— объем одной забираемой пробы связного грунта до 2.5 см3,

— точность позиционирования в условиях земной гравитации составила ±1 мм,

— возможность забора грунта в «слепом» режиме по датчикам контакта с грунтом.

В дальнейшем предполагается провести совместные испытания манипуляторного комплекса и системы технического зрения, состоящей из сте-реокамеры, установленной на панели космического аппарата, и пан

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Пoхожие научные работы по теме «Астрономия»

ЗАХАРОВ А. В., ЗЕЛЕНЫЙ Л. М. — 2010 г.

ЗАХАРОВ А. В., ЗЕЛЕНЫЙ Л. М., МАРТЫНОВ М. Б., ПОЛИЩУК Г. М. — 2010 г.

Источник

Грунтозаборное устройство для космоса

Основные научные задачи проекта нацелены на решение широкого спектра проблем, в первую очередь связанных с генезисом Солнечной системы, путем исследования физикохимических свойств реликтового вещества с Фобоса.
Другие научные задачи включают:

>- исследование физико-химических характеристик Фобоса как небесного тела, что позволит приблизиться к пониманию происхождения марсианских спутников и, возможно, спутниковых систем у других планет;
>- уточнение параметров орбитального и собственного вращения Фобоса, что важно для изучения его внутреннего строения и эволюции орбиты;
>- изучение физических условий среды вблизи Марса — электрических и магнитных полей, характеристик взаимодействия солнечного ветра с плазменным окружением Марса, в том числе регистрация «убегающих» из атмосферы Марса ионов кислорода, что позволит расширить представления об истории воды на Марсе;
>- исследования вариаций атмосферы Марса.

1) Приборы для исследования реголита Фобоса и атмосферы Марса

1.1. Газоаналитический комплекс
Одной из главных задач, связанных с изучением Фобоса, является выяснение его происхождения. Существуют две основные версии: формирование вместе с Марсом или образование в поясе астероидов и последующий захват.
Эффективным методом изучения принадлежности вещества Фобоса к тем или иным классам метеоритов, а также степени его дифференциро-ванности является детальное исследование летучих компонентов.
Газоаналитический комплекс выполняет задачу по исследованию летучих компонентов в грунте Фобоса в месте посадки КА. Он начинает работу после загрузки возвращаемого аппарата грунтом и его отлета.
Непосредственно задачами, решаемыми комплексом, являются:

>- исследование химического состава и абсолютных количеств летучих соединений (вода, С02, органические соединения, благородные газы и др.) в доступных поверхностных породах Фобоса;
>- получение информации о формах вхождения летучих соединений в вещество поверхности;
>- исследование органического вещества;
>- измерение изотопного состава основных летучих компонентов;
>- построение модели минерального состава вещества поверхности Фобоса на основании данных термического, газового и элементного анализа.

Газоаналитический комплекс состоит из трех приборов:

>- термического дифференциального анализатора (ТДА),
>- газового хроматографа (ХМС-1Ф),
>- масс-спектрометра (МАЛ-1Ф).

Все приборы комплекса компактно установлены на панели №6 КА, так что загрузочные отверстия прибора ТДА доступны для ГЗУ манипуляторного комплекса.
Между прибором ХМС-1Ф и приборами ТДА и МАЛ-1Ф имеется газовая и электрическая связь. Прибор ХМС-1Ф задает циклограмму работы комплекса в целом и управляет потоком газа-носителя, переносящим анализируемые газы между приборами.
Рассмотрим каждый компонент газоаналитического комплекса в отдельности.

Термический дифференциальный анализатор (ТДА)
Задачами прибора являются:

>- проведение прямых измерений экзотермических и эндотермических реакций в пробе грунта для выявления минеральных фаз с температурой фазовых переходов 1000°С;
>- термическая мобилизация летучих компонентов из навески грунта в газовую фазу для анализа на газовом хроматографе и масс-спектрометре;
>- пиролиз высокополимеризо-ванных органических соединений.

Основу прибора ТДА составляют блок из шести одноразовых пиролитических ячеек (ПЯ), проводящих термоанализ пробы грунта Фобоса, и блок подготовки к анализу, выполняющий все механические перемещения грунта от его получения из ГЗУ манипулятора до загрузки в ПЯ.
Разработчик — ИКИ РАН.

Газовый хроматограф ХМС-1Ф
Его задачи:

>- сбор газов, выделяемых из образца грунта в пиролитической ячейке при нагреве;
>- распределение газов разных типов (постоянные газы, органика и др.) для анализа на соответствующих хроматографических колонках;
>- разделение газовой смеси на отдельные компоненты;
>- измерение количеств каждого из газовых компонентов;
>- измерение изотопии элементов Н, С, О в молекулах Н20 и С02.

Прибор состоит из четырех основных частей:

1) баллоны с системой газоподачи;
2) модули хроматографических капиллярных колонок;
3) адсорбционные накопители;
4) детектор лазерной спектроскопии.

Разработчик — ИКИ РАН.

Масс-спектрометр МАЛ-1Ф
Задачами прибора являются:

>- получение масс-спектров газов, поступающих из прибора ХМС-1Ф;
>- измерение изотопных соотношений летучих элементов в исследуемых газах.

МАЛ-1Ф состоит из масс-анализатора и блока электроники.
Разработчик — ГЕОХИ РАН.

1.2. Мёссбауэровский спектрометр MIMOS II
Мёссбауэровская спектроскопия позволяет определять минералогический состав соединений железа в грунте. Миниатюризи-рованный мёссбауэровский спектрометр MIMOS II был установлен на американских марсоходах Spirit и Opportunity. Модернизированная версия этого прибора является частью комплекса научной аппаратуры «Фобос-Грунта». Прибор позволяет выполнять идентификацию железосодержащих фаз, определять количественное распределение железа по этим фазам, а также по степеням окисления.
Основные научные задачи прибора:

>- идентификация железосодержащих фаз (силикаты, оксиды, карбонаты, гидроксиды, фосфаты, сульфиды-сульфиты и т.д.);
>- определение количественного распределения железа среди этих фаз и по степеням окисления (Fe 2+ , Fe 3+ , Fe 6+ ).

MIMOS II состоит из двух частей, соединенных кабелем: блока датчиков МС-БД (разработан в Университете Майнца, Германия), установленного на манипуляторе, и блока электроники МС (разработан совместно Университетом Майнца и ИКИ РАН).
Внутри блока датчиков размещаются два источника гамма-излучения 57Со (период полураспада — 271 день), основной и калибровочный.
Разработчик — ИКИ РАН.

1.3. Гамма-спектрометр ФОГС
Прибор предназначен для изучения элементного состава пород поверхностного слоя Фобоса. Гамма-спектрометр ФОГС позволяет определить содержание естественных радиоактивных и основных породообразующих элементов: водорода, углерода, кислорода, магния, алюминия, кремния, калия, кальция, титана, марганца, железа, тория и урана в слое породы толщиной 1. 2 м в месте посадки КА.
ФОГС состоит из двух блоков: БД-ГС (блок детектирования гамма-спектрометра) и АМА (амплитудный многоканальный анализатор импульсов).
Разработчик — ГЕОХИ РАН.

1.4. Нейтронный и гамма-спектрометр HEND
Основной целью исследований с нейтронным спектрометром (НС) HEND (от английского High Energy Neutron Detector) является измерение среднего элементного состава реголита Фобоса непосредственно в точке посадки КА в слое толщиной несколько десятков сантиметров. Предполагается, что на такой глубине преобладает исходное вещество Фобоса, а не пылевые частицы с Марса, которые были выбиты в космос с поверхности Красной планеты ударами метеоритов.
Информация от НС позволяет учесть возможное различие реголита на поверхности и на глубине при интерпретации лабораторных измерений состава доставленных образцов грунта. Данные гамма-спектроскопии с поверхности Фобоса имеют большую самостоятельную ценность — они могут выяснить его происхождение.
Эксперимент с прибором НС HEND позволяет выполнить следующие научные измерения:

>- массовые доли основных породообразующих элементов реголита Фобоса в приповерхностном слое района посадки с толщиной около нескольких десятков сантиметров (точность измерения около 1% по массе);
>- содержание водорода (вероятно, в форме воды) в верхнем слое реголита Фобоса толщиной около 1 м (точность измерения около 0.1% для эквивалентной доли воды);
>- отношение содержания радионуклидов K/Th в веществе Фобоса (в пределах от нескольких сотен до нескольких тысяч).

Результаты этих измерений позволят сравнить состав вещества Фобоса с различными минералами на поверхности Земли, а также с веществом Луны и Марса и на этой основе сделать вывод о наиболее вероятном происхождении естественного спутника Марса.
Разработчик — ИКИ РАН.

1.5. Лазерный времяпролетный масс-спектрометр «Лазма»
«Лазма» предназначен для элементного и изотопного анализа поверхностного слоя реголита безатмосферных космических тел.
После установки пробы реголита на вращающемся диске на заданном расстоянии, отвечающем фокусному расстоянию лазерного излучателя, на пробу производится импульсное воздействие длительностью 7 нс и плотностью мощности

10 9 Вт/см 2 . Такое воздействие вызывает полную атомизацию и ионизацию вещества пробы, а сильный перегрев — выброс образованных ионов, находящихся в составе мишени в виде плазменного факела.
Высокоскоростные ионы попадают во времяпролетный масс-анализатор, где разделяются по времени пролета. Разделенные во времени ионы после их отражения в тормозящем поле электростатического рефлектора регистрируются вторично-электронным умножителем. С его выхода сигнал поступает на быстродействующий аналого-цифровой преобразователь и сохраняется в памяти прибора в виде одиночного спектра.
«Лазма» состоит из следующих функциональных узлов: оптического модуля, анализатора, узла приема грунта и блока электроники.
Разработчик — ИКИ РАН.

1.6. Масс-спектрометр вторичных ионов «Манага-Ф»
Прибор «Манага-Ф» — времяпролетный масс-анализатор ионов — позволяет определить элементный и изотопный состав вторичных ионов, генерируемых с поверхности Фобоса под воздействием первичных ионов солнечного ветра.
«Манага-Ф» состоит из следующих узлов:

>- анализатора, включающего формирователь ионного потока, систему ионных зеркал, рефлектор и детектор типа вторичноэлектронного умножителя, состоящего из последовательно расположенных двух микроканальных пластин;
>- модуля управления и питания;
>- защитной крышки.

Для увеличения чувствительности и уменьшения общих габаритов в анализаторе используется система отражающих ионных зеркал, которая обеспечивает надежную защиту детектора от УФ-излучения.
В формирователе ионного потока происходит накопление влетающих во входное окно ионов, после чего электрооптически й затвор с частотой 10 кГц выталкивает накопленные ионы в область, где осуществляется доускорение ионов до энергии

1 кэВ.
После ускорения ионный пакет попадает в область дрейфового пространства, где происходит разделение ионов по времени пролета. Разделенные ионы регистрируются вторичноэлектронным умножителем. С выхода умножителя сигнал поступает на быстродействующий усилитель-формирователь импульсов, после чего импульсы фиксируются в гистограммирующем устройстве. В результате накопления импульсов строится спектральная гистограмма, анализируя которую можно определить массовый состав исследуемых ионов.
Разработчик — ИКИ РАН.

1.7. Термодетектор «Термофоб»
Задача эксперимента «Термофоб» — теплофизические измерения в поверхностном слое Фобоса в месте посадки космического аппарата. Эти данные могут служить калибровочными для дистанционных измерений. Определение температурной зависимости коэффициента теплопроводности реголита дает также оценку степени его дисперсности.
В эксперименте «Термофоб» теплофизические свойства грунта определяются по данным термометрических измерений в процессе его активного нагрева.
Разработчик — ГЕОХИ РАН.

1.8. Фурье-спектрометр АОСТ
Фурье-спектрометр АОСТ предназначен для исследования Марса и Фобоса путем измерения инфракрасных спектров излучения атмосферы и поверхности Марса, поверхности Фобоса, а также спектра солнечного излучения, прошедшего через атмосферу Марса на его лимбе. Основные задачи прибора -измерение содержания метана, поиск малых составляющих, исследование суточного цикла температуры и аэрозоля в атмосфере. Прибор может исследовать поверхность Марса дистанционно, а Фобоса — после посадки.
Конструктивно Фурье-спектрометр АОСТ состоит из двух основных частей — «Базы» и «Башни». В «Башне» размещены узел спектрометра, приводы систем двухкоординатного наведения и арретирования, а также электронные платы. Электроника обеспечивает работу всех этих систем, а также термостабилизацию прибора. «Башня» как целое может поворачиваться относительно «Базы».
«База» служит механическим, электрическим и информационным интерфейсом с КА. На ней также установлен калибровочный ИК-излучатель (модель абсолютно черного тела), который используется для периодической калибровки прибора.
Разработчик — ИКИ РАН.

1.9. Эшелле-спектрометр ТИММ
Эшелле-спектрометр ТИММ служит для исследования атмосферы Марса путем измерения спектра солнечного излучения, прошедшего через атмосферу Красной планеты на ее лимбе. Основные научные задачи прибора частично совпадают с задачами Фурье-спектрометра АОСТ: измерение метана, измерение отношения D/H, поиск малых составляющих, исследование вертикальной структуры аэрозоля в атмосфере.
Приборы ТИММ и АОСТ дополняют и расширяют возможности друг друга. Дублирование основной научной задачи — детектирование метана — повышает вероятность ее выполнения. Широкий спектральный диапазон АОСТ и высокое спектральное и пространственное разрешение ТИММ взаимно дополняют друг друга, позволяя получить максимум информации. Два прибора совместно предоставляют широкие возможности для исследования аэрозоля.

ТИММ представляет собой моноблок, состоящий из трех основных частей: несущего корпуса (в нем размещен эшелле-спектрометр, детектор SOFRADIR, электронные платы и разъемы), блока акустооптического перестраиваемого фильтра и телескопа с блоком фотометров.
Разработчик — ИКИ РАН.

1.10. Микроскоп-спектрометр MicrOmega
Оптический и ИК-микроскопы MicrOmega предназначены для получения изображений микроструктуры грунта Фобоса. Научные задачи комплекса включают определение общего минералогического состава, особенно силикатных пород (пироксен, оливин), определение степени гидратации и поиск богатых углеродом соединений.

Разработчик — ИКИ РАН.

2)Приборы для исследования внутренней структуры Фобоса

2.1. Длинноволновый планетный радар (ДПР)
Научная цель радиофизического эксперимента «Радиолокационное зондирование грунта Фобоса» заключается в получении данных о поверхности и подповерхностной структуре Фобоса на глубинах 1. 100 м и глубже, а также исследовании электрофизических характеристик грунта Фобоса, выявлении глубинной структуры и оценке плотности пород приповерхностного слоя.

Предусматривались следующие эксперименты:

>- обзорное зондирование всей дневной поверхности Фобоса с квазисинхронной орбиты;
>- детальное зондирование выбранных участков;
>- зондирование при снижении КА для посадки;
>- зондирование на поверхности Фобоса.

Длинноволновый планетный радар ДПР, работающий методом импульсного радиозондирования, состоит из блока электроники, биконического плоского вибратора (антенны) с согласующим устройством и высокочастотного кабеля, соединяющего антенну и блок электроники. Антенна служит как для передачи, так и для приема сигнала с разделением по времени.
Разработчик — Институт радиотехники и электроники РАН.

2.2. Сейсмогравиметр ГРАС-Ф
Основная задача ГРАС-Ф — измерение вариаций гравитационного и инерционного полей на Фобосе, обусловленных вибрационными колебаниями, приливными эффектами и сейсмическими воздействиями.
Чувствительность прибора, полученная по результатам калибровки, составляет

2*10 -8 м/с 2 , что позволяет измерить ожидаемые вариации гравитационного поля и получить информацию об уровне сейсмических шумов с разрешением по амплитуде колебаний поверхности в диапазоне от 2.5-10 -7 м на частотах 0.1 Гц до 10 -10 м на частотах более 5 Гц.
Один чувствительный элемент прибора (цилиндрическая пробная масса, связанная с помощью упругого круглого стержня, с цилиндрической деталью, жестко закрепленной на основании) обеспечивает измерение ускорения по двум координатам X и Z, а второй подобный элемент, ориентированный под углом 90°, — измерение по осям Y и Z. Еще одна пара подобных чувствительных элементов с упругим стержнем большого диаметра обеспечивает измерение в диапазоне больших ускорений.
Масса прибора не превышает 300 г. Головная организация — ИКИ РАН.

2.3. Сейсмометр «Сейсмо»
Многоканальная сейсмическая система для исследования внутреннего строения Фобоса и регистрации сейсмических полей и сигналов, а также обусловленных внешним воздействием различной природы и происхождения. Для записи сигналов используется аппаратура повышенной чувствительности, перекрывающая необходимый частотный диапазон, — с пьезо- и электродинамическим принципом преобразования сигнала.

Сейсмометр «Сейсмо» состоит из сейс-моакустического блока (САБ), широкополосного сейсмического блока (ШСБ) и блока электроники.
Основными функциональными частями САБ являются осциллятор и пьезопреобразователь. Осциллятор — конструкция, состоящая из колебательной массы, пружины и основания. Пьезопреобразователь — пьезокерамический элемент, который представляет деформации пружины в виде аналоговых электрических сигналов.
В блок ШСБ входят три осциллятора: один с электродинамическим преобразователем и два с пьезопреобразователями. Электродинамический состоит из колебательной катушки, преобразующей в магнитном поле механические колебания в электрические, и магнита.
Разработчик — ИКИ РАН.

3) Приборы для исследования около-марсианского пространства

3.1. Плазменный комплекс ФПМС
Одной из приоритетных задач миссии «Фобос-Грунт» являются исследования плазменного окружения Марса, а также изучение взаимодействия солнечного ветра с планетой и ее спутником Фобосом.

>- Основные научные задачи плазменного эксперимента:
>- уточнение скорости эрозии марсианской атмосферы;
>- исследование околомарсианской ударной волны и влияния планетных ионов, захваченных солнечным ветром, на ее формирование;
>- исследование физических процессов в пограничных слоях магнитосферы Марса;
>- исследование магнитного хвоста Марса, физических процессов ускорения ионов;
>- исследование процессов взаимодействия реголита поверхности Фобоса с межпланетной средой, изучение его элементного состава.

Целями прибора ФПМС («Фобос: плазменно-магнитная система») являются измерения квазипостоянного магнитного поля, флуктуаций магнитного поля, потоков ионов планетного происхождения и ионов солнечного ветра. Масса — 4.95 кг, потребление — 8.2 Вт.
Разработчик — ИКИ РАН.

3.2. Российско-китайский эксперимент МROE
Эксперимент по радиопросвечиванию атмосферы Марса основан на измерениях разности частот между сигналами, проникающими в марсианскую ионосферу. Два когерентных радиосигнала с частотами 416.5 и 833 МГц излучаются передатчиком «Фобос-Грунта» и принимаются на китайском спутнике «Инхо-1». Относительная разность частот между двумя сигналами отражает свойства марсианской ионосферы. Приборы, установленные на российском и китайском аппаратах, способны измерять смещение частоты между двумя сигналами вплоть до расстояний 30000-50000 км между ними.
Для реализации эксперимента российская сторона обеспечивает ориентацию «Фобос-Грунта» в направлении «Инхо-1» на протяжении 20 минут.
Эксперимент MROE позволяет ответить на следующие вопросы:

>- Каким образом различные физические факторы, такие как солнечная радиация, высокоскоростные потоки солнечного ветра, пересоединение межпланетного магнитного поля и полей магнитных аномалий на Марсе, а также пылевые бури, могут контролировать состояние марсианской околоэкватори-альной ионосферы-термосферы?
>- Каково влияние факторов на потери марсианской атмосферы в период катастрофических бомбардировок астероидами и в период, когда перестало «работать» марсианское динамо (в течение последних 4. 4.5 млрд лет)?

Для проведения эксперимента на КА «Фобос-Грунт» установлена двухчастотная спиральная антенна с круговой правой поляризацией для каждого сигнала. Выходная мощность передатчиков составляет примерно 7 Вт.

3.3. Детектор космической пыли «Метеор-Ф»
Целями эксперимента «Метеор-Ф» являются: определение плотности потока микрометеоритов на трассе перелета Земля-Марс и вблизи Марса; выявление пылевой оболочки у Марса; получение данных о физико-динамиче-ских параметрах (масса, скорость) метеорных частиц, принадлежащих пылевой оболочке.
Принцип действия аппаратуры, используемой в эксперименте, основан на явлении ионизации вещества высокоскоростной частицы при ее взаимодействии с преградой.
Облако плазмы, образовавшееся в результате испарения и ионизации материала микрометеорита и части материала мишени, попадает в электростатическое разделительное поле между коллектором ионов и мишенью, являющейся одновременно и коллектором электронов. Полученные сигналы усиливаются и поступают в амплитудно-временной анализатор блока электроники. Суммарный заряд ионов или электронов плазмы, образующейся при ударе, пропорционален массе и ударной скорости микрометеорита, а длительность переднего фронта импульса тока пропорциональна его скорости.
Разработчик — ГЕОХИ РАН.

3.4. Дозиметр «Люлин-Ф»
Цель эксперимента — мониторинг радиационных условий на трассе перелета к Марсу и на поверхности Фобоса, обусловленных галактическими и солнечными космическими лучами. Подобная информация необходима для верификации существующих модельных описаний радиационных полей в межпланетном пространстве и оценки радиационной опасности для экипажей пилотируемых марсианских экспедиций.
В эксперименте непрерывно измеряется мощность поглощаемой дозы, плотность потоков космических лучей и спектры линейной передачи энергии из двух взаимно перпендикулярных направлений с помощью специального прибора, установленного вне приборного отсека и минимально защищенного веществом космического аппарата, для которого детально определены условия экранированности.
Прибор «Люлин-Ф» представляет собой моноблок, включающий блок детектирования для регистрации частиц космического ионизирующего излучения в виде электрических импульсов, параметры которых зависят от характеристик зарегистрированных частиц.
В качестве детектора излучения в приборе используется дублированный телескоп из двух кремниевых полупроводниковых детекторов. Оси телескопов ориентированы во взаимно перпендикулярных направлениях. Примененная схема повышения надежности детекторного узла прибора создает дополнительную возможность оценить анизотропию потока частиц как при перелете, так и вблизи поверхности Фобоса. Чувствительная площадь каждого детектора составляет 1 см 2 .
Разработчик — ИМБП РАН.

4) Небесно-механические эксперименты

4.1. Эксперимент «Небесная механика»
В эксперименте используется ультрастабильный осциллятор (УС01), применяемый также при радиопросвечивании атмосферы Марса. После посадки на Фобос прибор УС01 должен излучать непрерывные сигналы на двух гармонически связанных частотах — 8.4 и 33.6 ГГц (с мощностью 1 Вт на каждой частоте). Прием наземными приемниками сигналов прибора УС01 позволит определить относительную скорость и угловые координаты прибора на Фобосе путем обработки следующих измерений:

>- дальность между аппаратом на поверхности и приемно-передающей станцией;
>- радиальная компонента скорости (допплеровские измерения);
>- угловые координаты передатчика на поверхности Фобоса относительно квазарной системы координат.

При измерениях в течение года и более можно определить эволюцию орбиты Фобоса во времени и уточнить время его существования на орбите. Возможность учета измерений на больших временных интервалах позволяет более точно определить эфемериды Фобоса и Марса. В случае сближения с Марсом больших астероидов по возмущению эфемерид планеты можно уточнить массы этих астероидов (такое уточнение составляет несколько десятков процентов).
Полное потребление прибора УС01 при работе двух каналов не более 20 Вт. Масса не более 0.65 кг.
Головная организация — ИКИ РАН.

4.2. Детекторы положения звезд и Солнца «Либрация»
Прибор «Либрация» обеспечивает непрерывное измерение угловых колебаний Фобоса, что позволяет определить:

>- инерционные характеристики спутника с последующим моделированием его внутренней структуры;
>- амплитуду колебаний в пространстве, учет которых важен в эксперименте «Небесная механика» для уточнения эфемериды Фобоса.

«Либрация» состоит из двух датчиков — солнечного (СД) и звездного (ЗД), расположенных на общем основании для привязки осей к единой системе координат. Звездный датчик позволяет получить данные по угловым колебаниям ночью и днем при низких углах Солнца над горизонтом, а солнечный датчик — днем при высоких углах Солнца над горизонтом.
Разработчик — ИКИ РАН.

5) Телевизионные приборы

5.1. Телевизионная система навигации и наблюдения (ТСНН)
ТСНН предназначена для проведения комплекса научных исследований характеристик Фобоса и околомарсианского пространства. В частности — съемки поверхности Фобоса с разрешением до -0.5 м с квазиспутниковой орбиты и до 1 см в процессе посадки. Это позволило бы исследовать мелкомасштабную структуру кратеров и борозд, вариации их характеристик по глубине, толщину и свойства слоя реголита.
Снимки, полученные в широком диапазоне значений фазового угла, дают возможность проанализировать пространственные вариации отражательных характеристик поверхности Фобоса и связать их с характеристиками реголита. Анализ динамики КА при движении на квазиспутниковой орбите позволяет уточнить массу и положение центра масс в модели фигуры Фобоса и сделать заключение о внутренней однородности и неоднородности спутника.
Данные телевизионных съемок могут дать ценную информацию и для подтверждения гипотезы о существовании пылевого тора Фобоса и оценки характеристик входящих в него частиц.
Кроме научных задач, с помощью ТСНН решаются критические для успеха миссии навигационные задачи.
Необходимость сочетания высокого разрешения для выбора района посадки и достаточно широкого поля обзора с малых высот, а также проведения стереоизмерений высоты в процессе посадки определила включение в состав ТСНН двух узкоугольных телевизионных камер (УТК) высокого разрешения с фокусным расстоянием 500 мм и двух обзорных широкоугольных телевизионных камер (ШТК) с фокусным расстоянием 18 мм.
Фокусное расстояние УТК выбрано из условия обеспечения разрешения -0.5 м с минимально ожидаемого на квазиспутниковой орбите расстояния до поверхности Фобоса -30 км. Фокусное расстояние ШТК явилось результатом компромисса между требованиями обеспечить максимально возможное поле зрения и разрешение не хуже 20 см на высотах ниже 500 м для автономного выбора места посадки.
Размещение двух комплектов УТК и ШТК по диаметру платформы перелетного модуля с базисом около 2 м обеспечивает возможность стереоизмерений при посадке на поверхность Фобоса. Связь между камерами осуществляется через бортовой вычислительный комплекс.
Разработчик — ИКИ РАН.

5.2. Система технического зрения манипуляторного комплекса
Система технического зрения КА «Фобос-Грунт» состоит из стереокамеры, закрепленной на борту КА, панорамной камеры, которая размещена на рабочей части последнего звена манипулятора, и микроскопа спектрометра, закрепленного у основания манипулятора.
Система технического зрения космического аппарата обеспечивает выполнение следующих научных и технических задач:

>- нахождение на поверхности образцов грунта — частиц реголита или камней;
>- определение координат интересных для анализа образцов грунта;
>- съемка морфологии и фрагментов грунта в естественных условиях;
>- контроль процесса забора и загрузки грунта.

Панорамная камера обеспечивает:

>- съемку панорам поверхности Фобоса; >- контроль погрешности определения координат камней и фрагментов;
>- дублирование стереокамеры, съемку стереоснимков рабочей зоны и панорам; съемку серии снимков «в движении»;
>- контроль и калибровку манипулятора по специальным меткам на КА;
>- технический осмотр аппарата;
>- съемку общих видов КА;
>- съемку старта возвращаемого аппарата;

Система технического зрения также используется для выполнения следующих операций:

>- загрузки образцов грунта в контейнер возвращаемого аппарата для доставки на Землю;
>- загрузки образцов грунта в приемные устройства приборов научного комплекса;
>- установки на грунт мёссбауэров-ского мини-спектрометра;
>- автономного многократного забора образцов грунта с поверхности Фобоса.

По соглашению с французским Институтом космической астрофизики (IAS, Orasy), в системе технического зрения манипуляторного комплекса используются телевизионные камеры, разработанные для европейского аппарата Rosetta.
Разработчик — ИКИ РАН.

6) Приборы для обеспечения научных измерений

6.1. Грунтозаборный комплекс
Выполнение задачи забора грунта Фобоса решается средствами грунтозаборного комплекса, предназначенного для выполнения следующих функций:

>- взятие с поверхности Фобоса образцов реголита и консолидированных фрагментов с помощью грунтозаборных устройств (ГЗУ), входящих в состав манипуляторного комплекса;
>- погрузка взятых образцов в контейнер грунтоперегрузочного устройства (ГПУ);
>- перегрузка контейнера в спускаемый аппарат;
>- обеспечение образцами грунта приборов комплекса научной аппаратуры с помощью манипуляторного комплекса.

Головная организация — ИКИ РАН. Иностранная кооперация — Польша, Гонконг (Китай).

6.2. Манипуляторный комплекс (МК) установлен на стойке перелетного модуля и имеет в пределах досягаемости как контейнер грунтоперегрузочного устройства, так и научные приборы. В состав МК входят манипулятор и грунтозаборное устройство. На МК также установлены мёссбауэровский спектрометр, панорамная камера и микроскоп MicrOmega.

Возможны два варианта забора образцов грунта — дистанционный и автоматический. В связи со сложностью критерия отбора образцов, основным вариантом является дистанционный выбор требуемых образцов грунта по изображениям участка поверхности Фобоса научными и техническими специалистами на Земле, определение списка координат образцов с последующей передачей их на борт для захвата и загрузки. Второй вариант — полностью автоматический выбор образцов грунта, их забор и размещение по научным приборам и в возвращаемый модуль.
Для повышения надежности забора грунта на перелетном модуле на соседней по отношению к МК стойке установлен манипуляторный комплекс второго исполнения (МК2), который предназначен для обеспечения загрузки контейнера грунтоперегрузочного устройства и обладает возможностью досягаемости одного из научных приборов (термодинамического анализатора ТДА).
В состав МК2 входят: манипулятор, ГЗУ, аналогичное установленному на МК, и грунтозаборное устройство пенетрационного типа (ГЗУП) CHOMIK. На МК2 устанавливаются панорамная камера и микроскоп Micr0mega2.
Конструктивно манипулятор и ГЗУ МК2 аналогичны МК. Отличие МК2 от МК заключается в установке на перелетный модуль и ином составе приборов.

6.3. Грунтозаборное устройство пенетрационного типа CHOMIK
Для увеличения вероятности забора образцов грунта с поверхности Фобоса на МК2 установлено дополнительное устройство, разработанное Центром космических исследований Польской академии наук (ЦКИ ПАН). Устройство предназначено для забора не только реголита, но и грунта с несущей способностью до 50 МПа. Дополнительно CHOMIK может проводить дробление твердых образований и замер температуры поверхности. Прототипом механизма является устройство MUPUS, установленное на европейском космическом аппарате Rosetta Lander.
Грунтоперегрузочное устройство космического аппарата предназначено для закрытия контейнера крышкой после загрузки грунта и перемещения контейнера из загрузочного положения в спускаемый аппарат.
Функционально ГПУ состоит из устройства закрытия контейнера крышкой и устройства перемещения его в спускаемый аппарат. Масса ГПУ — 14 кг.

7) Биологические эксперименты

В состав спускаемого аппарата АМС «Фобос-Грунт» включены несколько капсул с образцами различных биокультур. Цель биологических экспериментов «БиоФобос/Анабиоз» и «БиоФобос/Лайф» — исследовать изменения, происходящие с покоящимися формами биологических объектов в условиях длительного межпланетного перелета для решения вопросов планетарного карантина и астробиологии (проблема панспермии), а также некоторых медико-биологических проблем пилотируемой космонавтики.

7.1. «БиоФобос/Анабиоз»
Оборудование «Фобос-капсула» представляет собой сборку, состоящую из корпуса и крышки, изготовленных из титанового сплава, с объемом для размещения образцов

11х35 мм. Масса сборки «Фобос-капсула» составляет не более 21 г. Для размещения биологических объектов в «Фобос-капсулах» каждый отдельный биологический образец помещается в герметично запаянный пакет размером 11×11 мм, изготовленный из полиэтиленовой пленки. Всего в двух «Фобос-капсулах» размещены 60 герметичных пакетов с 49 биологическими объектами: бактериями, плесневыми грибами и рачками Daphnia magna.

Эксперимент подготовлен ИМБП, МГУ и Зоологическим институтом РАН.

7.2. «БиоФобос/Лайф»
Эксперимент, подготовленный Планетным обществом (Planetary Society) США совместно с российскими партнерами, предусматривает экспонирование десяти видов организмов — представителей всех трех биологических доменов — и естественного образца почвы, содержащего природное сообщество микроорганизмов, в глубоком космосе на орбите Марса с обратной доставкой на Землю.
Организмы в высушенном покоящемся состоянии помещены внутрь биомодуля, представляющего собой цилиндрический контейнер массой 88 г.
Основная внешняя оболочка биомодуля изготовлена из титана, в модуле имеется 30 небольших цилиндрических пробирок из полимерного материала дельрина (каждая 3 мм в диаметре), в которых помещены образцы микроорганизмов.
Помимо элементов конструкции, герметиков, прокладок и биобразцов, в биомодуле имеются пассивные датчики температуры и радиации.
За исключением образца почвы, все виды организмов повторяются в трех экземплярах, то есть по три пробирки каждого организма. Все повторяющиеся пробирки содержат штаммы одного организма, за исключением пробирок, содержащих тихоходок. Каждая из трех пробирок с тихоходками содержит один из трех их видов.

Источник

➤ Adblock
detector