Гироскопические горные машины для освоения полезных ископаемых Луны и строительства на ней постоянных поселений

 
Представлен проект роботизированного комплекса, реализующего технологию переработки лунного реголита для освоения полезных ископаемых Луны и строительства на ней постоянных поселений с помощью гироскопических горных машин. В состав роботизированного комплекса входят лунная гироскопическая горная машина (ЛГГМ), механическая лопата для забора и транспортировки реголита к ЛГГМ, а также устройство перемещения переработанного реголита к загрузочному бункеру печатающей головки строительного 3D-принтера. Показано, что в условиях пониженной гравитации и дефицита электрической энергии только ЛГГМ способна эффективно перерабатывать лунные породы и извлекать из них различные полезные компоненты. Такой роботизированный комплекс способен за 10-14 дней построить лунную базу в виде ангара длиной 6 м и шириной 3 м и высотой не менее 2,5 м, объемом 54 куб. м. Общий вес комплекса не превысит 1 т, что позволит доставить его одной ракетой «Протон» или «Ангара».
Вячеслав Александрович Бобин,3 доктор технических наук, заведующий отделом Института проблем комплексного освоения недр РАН, Москва, Россия, Анна Вячеславовна Бобина , кандидат технических наук, директор по развитию Вольного экономического общества России, Москва, Россия
 
 


English

Gyroscopic mining machinery for mineral resources exploitation and permanent housing on the moon

The article deals with the project of a robotic complex which realizes the technology of lunar regolith recycling for mineral resources exploitation and permanent housing on the moon with the help of gyroscopic mining machinery. The robotic complex consists of a lunar gyroscopic mining machine (LGMM), a shovel for regolith extraction and transporting to the LGMM, a device which transfers recycled regolith to the construction 3D printer’s printhead receiver cone. It is shown that only LGMM is capable to recycle lunar rocks and extract different useful components effectively under the conditions of reduced gravity and electric energy deficit. In 10-14 days such a robotic complex can build a lunar base in the form of hangar which is 6 m long, 3 m wide, no less than 2,5 m high and 54 m3 in volume. Its common weight won’t exceed a tone, so it can be delivered by one Proton or Angara rocket.
Vyacheslav A. BOBIN, Dr. Sci. (Tech), Head of department, the Insti- tute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources of the RAS, Moscow, Russia, bobin_va@mail.ru Anna V. BOBINA, Cand. Sci. (Tech), Promotion Director, the Free Economic Society of R
 

Введение

Россия имеет огромный опыт и достижения в области технологий разработки и добычи полезных ископаемых на Земле. Но на Луне и астероидах полезных ископаемых не меньше, и они будут играть значительную роль в обеспечении Земли энергетическим топливом для термоядерных электростанций, а также для машин и механизмов пятого и последующих поколений.

Настоящий прорыв в области технологий освоения полезных ископаемых Луны можно сделать, имея на ее поверхности постоянные лунные поселения. Для их строительства по всем параметрам подойдет лунный грунт (реголит), который позволит защитить селенавтов от жесткого космического излучения, космического холода и метеоритов при минимальных затратах электрической энергии.

Цель

Освоение полезных ископаемых Луны позволит России получить не только приоритет, но значительную экономическую выгоду. Для реализации этой цели необходимо создать на поверхности Луны постоянное поселение с помощью технологии, использующей в качестве основного элемента энергоэффективную горную машину для переработки реголита.

Химический состав и свойства реголита изучены благодаря образцам грунта, доставленным советскими автоматическим станциями «Луна» и американскими астронавтами

В настоящее время реальным является проект создания лунного поселения на базе технологии 3D-печати, предложенный Европейским космическим агентством, который в качестве строительного материала будет использовать местный грунт - реголит, состоящий из обломков изверженных пород, минералов, стекла, метеоритов. Он лежит на поверхности Луны в виде разнозернистого обломочно-пылевого слоя глубиной несколько метров, а его химический состав и свойства изучены благодаря образцам грунта, доставленным советскими автоматическим станциями «Луна», а также американскими астронавтами.

Однако в этой технологии не учитывается процесс приготовления реголита для печатающей головки строительного 3D-принтера. Чтобы получить плотные и прочные строительные конструкции из лунного реголита, он должен иметь вполне определенный фракционный состав, а так как реголит представляет собой разнозернистый материал, то его необходимо разрушить до заданного размера с помощью породоразрушающих горных машин.

Казалось бы, проблема получения заданного гранулометрического состава лунного реголита для строительного 3D-принтера элементарна, так как современная промышленность выпускает сотни различных видов мельниц, дробилок и тому подобных машин. Однако они имеют малый КПД (не более 3-5%), большие весовые показатели (порядка нескольких тонн), требуют больших затрат электрической энергии переменного тока (десятки кВт), которая на Луне не вырабатывается, что делает невозможным в обозримом будущем доставку этих машин на Луну, Марс и астероиды.

Нет сомнения, что на Луне, где на первоначальном этапе ее освоения источников электрической энергии переменного тока просто не будет, такие горные машины, в принципе, не работоспособны. Кроме того, даже при наличии таких источников электроэнергии, используемые в настоящее время на Земле устройства для разрушения твердых горных пород на Луне из-за различия в значении ускорения свободного падения будут в шесть раз менее эффективны, так как силой разрушения горных пород в них является сила тяжести, как панацея современной техники дезинтеграции горных пород . Все это доказывает, что работы по созданию горных машин, работающих от солнечных батарей, специально для Луны и астероидов не только актуальны, но и совершенно необходимы - без них реальное освоение богатств Луны невозможно и рискует обратиться бессмысленной погоней за престижем и тратой материальных и духовных капиталов.

Результаты

В настоящее время в ИПКОН РАН создана специальная горная машина для переработки реголита. Ее действующий экспериментальный образец назван лунной гироскопической горной машиной (ЛГГМ). В работах [1-3] доказано, что только гироскопическая сила является альтернативой силе гравитации при создании усилий дезинтеграции твердых материалов на Луне и других объектах с пониженной по сравнению с земной силой тяжести.

Конструктивно ЛГГМ состоит из загрузочного блока, блока силового привода, истирающего блока и блока разгрузки .

ЛГГМ работает следующим образом: силовой блок раскручивает горизонтальную рабочую площадку и установленные на ней двухстепенные гироскопы с закрепленными на них рабочими органами. В результате возникающего гироскопического момента двухстепенные гироскопы прижимают рабочие органы к поверхности перфорированного рабочего стола, куда через погрузочный блок поступает реголит (или другая горная порода). При контактном взаимодействии рабочих органов с частицами горной породы возникает сила трения, величина которой вычисляется согласно формуле:

Fистр = К∙ Fгир = К× J ∙ w ∙ W/L,

где К ― коэффициент, J – момент инерции маховика гироскопа, w и W - соответственно угловые скорости вращения маховика гироскопа и горизонтальной площадки, L – плечо гироскопической силы.

За счет истирания частицы горной породы достигают заданного размера и через перфорации рабочего стола попадают в блок разгрузки.

Благодаря предложенной конструкции рабочего стола и системы подачи горной породы через полый вал вращения значительно уменьшаются габариты и вес ЛГГМ, затраты на электроэнергию, но увеличивается ее производительность.

Схема сил и моментов, реализующих рабочий процесс контактного взаимодействия между рабочим органом ЛГГМ и породой, приведена на рисунке 1.

Значение силы истирания является функцией конструктивных параметров устройства и технологических, к каким относятся угловые скорости вращения маховиков и рабочей площадки, тогда как коэффициент трения определяется физическими свойствами породы и материала рабочего органа. Эти параметры определяют и способы управления значением силы истирания. Но если физические и конструктивные параметры ЛГГМ невозможно изменять в процессе контактного взаимодействия, то технологические легко изменяются за счет изменения скоростей вращения электродвигателей рабочей площадки и гироскопов и осуществляются простым изменением подводимого к ним электрического напряжения.

Рис. 1. Схема сил и моментов в ЛГГМ

1 - полый вал; 2 - рычаг; 3 - стойка гироскопа; 4 – валок, 5 - электродвигатель гироскопа; 6 - рабочая площадка; 7 – рабочий стол, 8 – перфорированная сетка

Это свойство ЛГГМ важно, когда приходится разрушать горные породы с различными физико-механическими свойствами. При этом на процесс разрушения затрачивается именно столько энергии, сколько требует конкретная горная порода, то есть ЛГГМ является энергосберегающей горной машиной для разрушения пород любых физико-механических свойств. Кроме того, возможность регулирования ЛГГМ без ее остановки позволяет при этом регулировать производительность данной машины в зависимости от конкретных потребностей горного производства.

Лунная гироскопическая горная машина является энергосберегающей: на процесс разрушения она затрачивает именно столько энергии, сколько требует конкретная горная порода

Что же касается конкретных значений диапазонов изменения значений угловых скоростей гироскопов и рабочей площадки, то современные обычные электродвигатели имеют максимальные значения числа оборотов порядка 40 000 об/мин, что соответствует угловой скорости порядка 4000 с-1. То есть использование таких двигателей позволит увеличить угловую скорость вращения гироскопа в 10 раз по сравнению с аналогичным значением для экспериментального образца ЛГГМ, а для угловой скорости рабочей площадки – в 100 раз, что, в свою очередь, увеличит значение гироскопической силы, а значит, и усилия при контактном взаимодействии почти в 1000 раз - при тех же габаритах и весе, что и у экспериментального образца ЛГГМ.

В ИПКОН РАН создан и испытан лабораторный образец ЛГГМ производительностью 23 кг/ч, которая при весе всего 5 кг, потребляя 75 Вт электрической энергии постоянного тока, истирает образцы горной породы крепостью от 2 до 7 единиц по шкале М.М. Протодьяконова и размером до 10 мм. Конечная крупность измельчаемой горной породы составляет 40-80 мкм, что облегчает извлечение полезных компонентов. Значение достигнутого результата иллюстрируют сравнительные данные по всему перечню параметров серийно выпускаемых дисковых измельчителей (ИД) и экспериментального образца ЛГГМ, представленные в таблице .

Данные, представленные в таблице 1, показывают, что эффективность работы (Э) ЛГГМ в 23 раза больше, чем у дисковых истирателей аналогичного назначения.

Использование в конструкции двигателей постоянного тока диктуется отсутствием на Луне, по крайней мере в начальный момент ее промышленного освоения, источников трехфазного переменного тока.

Известно, что на Луне в районах северного и южного полюсов содержится не менее 1,6 млрд тонн воды в виде льда, которая может стать источником для производства экологически чистого водородо-кислородного ракетного топлива. Кроме того, в лунном грунте содержится значительное количество титана, железа и редкоземельных металлов, пригодных для создания многих элементов космических кораблей и постоянных лунных поселений, а также громадные запасы гелия-3 - основы будущей термоядерной энергетики как для Луны, так и Земли.

Таблица 1. Сравнительные данные серийных дисковых измельчителей (ИД) и экспериментального образца ЛГГМ

Параметры

ИД-130

ИД-175

ИД-250

 ЛДИ-65

 ЛГГМ

Исходная крупность породы, мм

до 3

до 10

до 10

до 2

до 10

Конечная крупность породы, мм

0,044

0,05

0,08

0,05

0,06

Q, кг/ч

8

20

40

1

23

N, кВт

1,1

1,5

5,5

0,37

0,075

m, кг

55

80

160

17

5

Э = Q/N, кг/ч/кВт

7,3

13,3

7,3

2,7

306

Эуд = Э/m, кг/ч/кВт/кг

0,13

0,17

0,045

0,16

62

 

Обсуждение

В далеком будущем полномасштабное освоение Луны позволит превратить ее в промежуточный космопорт для полетов на астероиды, Марс и другие планеты Солнечной системы.

Однако реализация этих лунных технологий по добыче полезных ископаемых возможна только при наличии на ее поверхности постоянных лунных поселений, которые будут построены сначала в роботизированном варианте, а потом и с непосредственным участием людей. Для этого не придется завозить на Луну строительные материалы, потому что в качестве них можно использовать тот же лунный грунт, который, благодаря своим физическим свойствам, позволит защитить людей в этих поселениях от жесткого космического излучения, космического холода и метеоритов при минимальных затратах электрической энергии, получаемой от солнечных батарей.

Для создания поселений на Луну не придется завозить строительные материалы: в качестве них можно использовать лунный грунт, который, благодаря своим физическим свойствам, позволит защитить людей от жесткого космического излучения, космического холода и метеоритов

Для строительства постоянных поселений в роботизированном варианте отлично подходит технология строительства 3D-печати, для реализации которой предлагается создать роботизированный строительный комплекс, в состав которого войдут роботизированная ЛГГМ, погрузчик (мехлопата) и строительный 3D-принтер .

При этом погрузчик используется для забора и транспортировки реголита к загрузочному устройству ЛГГМ. В ЛГГМ реголит проходит предварительную обработку до такого фракционного размера, который необходим для оптимальной работы 3D-принтера, и с помощью того же погрузчика доставляется в его печатающую головку.

Сама печатающая головка строительного принтера устанавливается, например, на консольной или мостовой кран-балке, размещенной непосредственно на посадочном модуле прилунившегося космического аппарата.

Оценочные расчеты, проведенные в ИПКОН РАН, показывают, что ЛГГМ производительностью 1 т/час будет иметь размеры в диаметре не более 0,5 – 0,7 м, высоту 0,8 – 1 м и вес не более 200 кг при потребляемой мощности не более 1 – 1,3 кВт и с эффективностью не ниже 0,3 т/кВт×ч. Габариты и весовые данные погрузчика и 3D-принтера сравнимы с весовыми параметрами ЛГГМ или ниже их, и вместе они не превысят вес «Лунохода-1», доставленного на поверхность Луны еще в 1970 году.

Лунный посадочный модуль доставит все элементы роботизированного строительного комплекса с автономными солнечными панелями, как это сделано на луноходах, или радиоизотопными источниками на основе плутония-238. При этом его общий вес не превысит 1 т, что позволит доставить все механизмы для реализации проекта одной ракетой «Протон» или «Ангара».

Все это позволит в условиях дефицита энергии, в щадящем режиме всего за 10 – 14 дней построить без вмешательства человека в роботизированном варианте на поверхности Луны опытную лунную базу в виде ангара размером в плане 6×3 м и высотой не менее 2,5 м и толщиной стен не менее 1,5 м.

Заключение

Таким образом, ЛГГМ представляет собой горную машину, в которой сила разрушения горной породы не зависит от ускорения свободного падения, а определяется исключительно значениями угловых скоростей вращения ротора двухстепенного гироскопа и горизонтальной площадки, на которой он установлен. Это позволяет использовать машину для реализации технологии переработки лунного реголита и использования его для строительства постоянных лунных поселений.

Литература:

1. Бобин В.А., Бобина А.В. Гироскопические силы – новая физическая основа создания энергоэффективных горных машин // Наука и образование в XXI веке. Сборник научных трудов Международной научно-практической конференции (г. Москва, 30 декабря 2013 г.). Ч. I. М.: АР-Консалт, 2014. С. 27-29.

2. Патент РФ № 2429912. Гироскопический измельчитель с центральной загрузкой породы / Бобин В.А., Покаместов А.В., Бобина А.В., Ланюк А.Н.; опубл. 27.09.2011. Бюл. № 27.

3. Бобин В.А., Бобина А.В. Гироскопические горные машины для извлечения полезных ископаемых на Земле и Луне. М.: Библио-глобус, 2016. 160 c. DOI: 10.18334/9785912921490

References

1. Bobin V.A., Bobina A.V. Giroskopicheskie sily – novaya fizicheskaya osnova sozdaniya energoeffektivnykh gornykh mashin. Nauka i obrazovanie v XXI veke. Sbornik nauchnykh trudov Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii (Moscow 30 December 2013). Part I. Moscow: AR-Konsalt, 2014, pp. 27-29.

2. Bobin V.A., Pokamestov A.V., Bobina A.V., Lanyuk A.N. Giroskopicheskiy izmel'chitel' s tsentral'noy zagruzkoy porody. Patent RF no. 242991 (2011).

3. Bobin V.A., Bobina A.V. Giroskopicheskie gornye mashiny dlya izvlecheniya poleznykh iskopaemykh na Zemle i Lune. Moscow: Biblio-globus, 2016. 160 p. DOI: 10.18334/9785912921490

© Бобин В.А., Бобина А.В., 2019

 

История статьи:

Поступила в редакцию: 12.04.2019

Принята к публикации: 06.05.2019

Модератор: Плетнер К.В.

Конфликт интересов: отсутствует

Для цитирования:

Бобин А.В., Бобина В.А. Гироскопические горные машины для освоения полезных ископаемых Луны и строительства на ней постоянных поселений // Воздушно-космическая сфера. 2019. № 2. С. 26-31.

 

ранее опубликовано

все статьи и новости