Бурение в космосе

КОСМОС И БУРЕНИЕ

Роль буровой техники в космических успехах человечества сейчас всем известна. Можно вспомнить, начиная с 1969 г., работу наших лунных автоматических межпланетных станций (АМС) «Луна-16, 20, 24» и ручное бурение на Луне американскими космонавтами. Инженеры по бурению заслуженно гордятся тем, что их специальность стала одной из первых в перечне космических.

Гораздо меньше известно, что значительно раньше бурение оказалось возле проблем космоса. Об этом стоит рассказать подробнее.

30 июня 1908 г. жители ряда сибирских районов, прилегающих к р. Подкаменная Тунгуска, были свидетелями космического феномена, сопровождайшеся большими разрушениями и необычными явлениями. С тех пор тайна Тунгусского метеорита (кометы?) не перестает тревожить умы ученых и фантастов. Одним из первых, кто отважился направиться в таежные леса на поиски метеорита был метеоролог Л. А. Кулик. Более всего поразило исследователя отсутствие каких-либо следов самого метеорита, несмотря на грандиозность масштабов катастрофы на месте падения. Казалось, от крупного космического тела, влетевшего в атмосферу Земли, хоть что-то должно было остаться. Справедливость такого заключения подтверждал многочисленный опыт находок на Земле других метеоритов, значительно меньших по размерам.

И тогда в одной из экспедиций 1929 г. Л. А. Кулик решил использовать в целях глубинных поисков бурение. Двумя комплектами оборудования для ручного бурения было пройдено три скважины глубиной до 34 м. В результате работ Л. А. Кулик убедился, что воронки на местности к падению метеорита отношения не имели... Опыты оказались неудачными. Но эти скважины — первые попытки бурения в научно-исследовательских целях по космосу. Они пробурены в Сибири.

На острове Саарема в Эстонской ССР известны загадочные кратеры метеоритного происхождения. Изучением кратеров занимался инженер И. А. Рейнвальд. Методика его исследований интересна тем, что он первый применил бурение для поисков метеоритов. Скважину он заложил в 1929 г. и сразу же обнаружил следы удара метеорита. Позднее при раскопках нашлись его осколки.

Буровые работы использовались для изучения Аризонского метеоритного кратера (США). Интересно, что буровая компания в целях привлечения средств для организации работ пустила слух о необычно высоком содержании платины и иридия в найденных осколках метеорита. Скважины были пробурены на глубину 200 м, где и обнаружили основную метеоритную массу. Гипотеза о платиновом метеорите ие подтвердилась, и акционерная компания прекратила свое существование.

По опубликованным сведениям, при бурении скважины на нефть в 1930 г. в мягких породах североамериканского штата Техас на глубине 1525 футов в эоценовых отложениях был обнаружен ископаемый железный метеорит — редчайшая находка, поскольку почти все имеющиеся в мировых коллекциях метеориты найдены на поверхности Земли.

По сложности технических вопросов и по трудности решаемых исследовательских задач бурение скважии, особенно глубоких, и освоение космического пространства с помощью бурения находятся Рядом. Насколько осложнено строительство сверхглубоких скважин, видно, например, из следующего сравнения: бурение мелкИх сква жнн для поверхности космического тела — задача более простая чем строительство скважин глубиной 15—25 км у нас на Земле. Не случайно скважины на Луне удалось пробурить раньше, чем челове- чество достигло десятикилометрового рубежа глубин в коре родной планеты.

Как удалось добиться столь невероятного успеха в исследоваї ниях Луны?

Космическая техника с момента запуска первого спутника Земли развивалась столь быстрыми темпами, что даже самые крупные специалисты и научные авторитеты ошибались в своих прогноза! относительно конкретных ее достижений.

В книге В. Губарева «Человек, Земля, Вселенная», изданной в 1969 г., приводилось интервью с известным геологом и географом акад. А. Л. Яншиным. Ему задали вопрос: «Неужели геологи собираются завезти на Луну, Марс и Венеру буровую установку?». Маститый ученый ответил: «Пока нет, до транспортировки на Луну к планеты буровых установок довольно далеко...». Это было сказано в то время, когда инженеры уже интенсивно и детально разрабатывали проекты буровых установок, а до запуска автоматической станции «Лунас-16», взявшей и доставившей на Землю пробу лунного грунта с глубины 35 см, оставалось менее двух лет!

С тех пор на Луне было пробурено еще несколько скважиі как с участием человека, так и в полностью автоматическом режиме Буровые устройства достигли высокого совершенства. Достаточн* вспомнить недавний блестящий эксперимент советской автоматической межпланетной станции «Луна-24». Человеку удалось заглянуть в недра нашего спутника до глубины трех метров.

Какой же глубины достигнет следующая скважина на Луне, в недра какой другой планеты и когда заглянет человек?

ПРОГНОЗЫ И ПРОЕКТЫ. Несмотря на неоспоримые успехи наблюдательной астрономии последних лет (открытие колец Урана и Юпитера, спутника Плутона, новой планеты между орбитами Нептуна и Урана и др.), главные достижения в исследовании Солнечной системы уже давно связаны с космонавтикой. На страницах зарубежной периодической печати широко обсуждаются детали Я сроки полетов на отдельные космические тела для отбора проч грунта и в поисковых целях.

Возможно, только с помощью бурения на космических телах, первую очередь автоматического без участия человека, будет да ответ иа вопрос о закономерностях эволюции планет, при которых зарождение жизни является либо продуктом невероятно-локальной случайности, либо результатом причин, о которых мы еще ничего не знаем. Еще более заманчивым представляется ответ на самую запутанную загадку природы: когда и при каких условиях органическое вещество Земли, а может, и других космических тел впервые переходиттаинственную границу между неживой и живой материей?

В теоретической астрономии существует методика расчета минимальных размеров космических тел, при которых еще возможен кратковременный или постоянный разогрев недр. В частности, тела размером до 100 км никогда самостоятельно не разогреваются до положительных температур. Иными словами, недра большинства астероидов, спутников Марса и других тел холодны.

Не исключено, что граница живого—неживого тесным образом связана с внутренним разогревом планет и с вулканической деятельностью. Изменение температуры к ядру космического тела обычно оценивается геотермическим градиентом. Надежная инструментальная оценка градиента пока возможна только в скважине.

В космических поисках тайны возникновения жизни будет заложена структура наших представлений не только о происхождении, на и судьбе нашей цивилизации. Во всех эпизодах поиска понадобится бурение — основной технологический прием отбора пробы внеземного вещества с подповерхностных слоев астероида, кометы и других тел. Когда это случится?

По прогнозам ученых, научная база на Меркурии будет создана в ближайшие десятилетия. К этому же времени ожидается высадка на одном из спутников Юпитера. Рассматривается посадка автоматической межпланетной станции на астероид Церера. Решаются технические задачи по доставке проб горных пород массой до нескольких килограммов с астероидов Эрос, Икар и ядра кометы Энке. Обсуждаются полеты космических кораблей с целью доставки образцов грунта на Землю с поверхностей Марса, Фобоса и Деймоса. В настоящее время считается, что спутники Марса — наиболее доступные объекты Солнечной системы, и доставка проб грунта с них вполне по плечу современной технике.

Хуже, если можно так выразиться, обстоят дело с Венерой. Правда, в принципе на этой планете можно использовать те же Устройства, что и на Луне. Поверхность ее твердая, она способна нести тяжелую буровую установку, но слишком высокая температура: понадобятся дополнительные охлаждающие устройства, прочная капсула, автономное запрограммированное управление. Рассматриваются проекты использования в атмосфере планеты плавающих. Установок типа аэростатов, с которых на ее поверхность можно °^пУстить миниатюрный буровой станок с управлением по кабелю ^ИЛи по радио. Как бы там ни было, бурение иа Венере — дело ^0тДаленного будущего.

Конечно, пробы внеземного рещества с поверхности планет, их спутников и астероидов можно взять при помощи очень простых устройств, типа грейферных механизмов, грунточерпалок, пылесосов, липких лент, выбрасываемых наружу с космического аппарата и затем втягиваемых обратно, и с помощью других устройств (рис. 22).

Так, космический аппарат системы «Викинг», предназначенный для получения цветных стереоскопических телевизионных изображений и обнаружения жизни на поверхности Марса, имел приспособления типа грунточерпалки для взятия проб марсианского грунта. Грунтозабориое устройство совкового типа находилось на конце трубчатой штанги длиной 3 м. Штанга состояла нз двух изогнутых желобообразных полос нержавеющей стали, соединенных вместе по кромкам. По мере вытягивания гибких полос из корпуса желоба составляли трубу достаточной жесткости. Образец грунта после поворота головки вокруг своей продольной оси высыпался из сов-

_ка через . решетку на Подвижный ковш. Ковш доставлял пробу _к приборам посадочного отсека для микробиологического и другого анализа. Сходную, но более простую конструкцию имели грунто- заборники космических аппаратов для Луны типа «Сервейор».

Все эти устройства отбирают пробы с поверхности или с очень небольшого погружения только в рыхлую основу грунта.

С глубины получить пробы таким образом нельзя. Единственный способ тут, как и на Земле, — бурение скважин.

К этому остается добавить, что в обозримом будущем основной целью бурения даже на Луне — ближайшем к нам небесном теле — будет не разведка полезных ископаемых, а получение новых научных результатов, как и при проводке опорных скважин на Земле.

Усложнение задач. По мере освоения космических тел задачи, стоящие перед внеземным бурением, будут неизбежно усложняться. Понадобится бурение скважин для изучения распространения мерзлоты на поверхности некоторых планет к спутников, для поиска воды, например, на Марсе, для сейсмических, биологических и других исследований.

Без бурения скважин не обойдутся строители будущих луииых баз, в том числе без скважин для взрывных работ. За рубежом существует, например, проект строительства лунной базы с помощью скважины глубиной в несколько десятков метров, на забое которой будет взорван заряд большой мощности. При этом образуется сферическая полость, вполне пригодная для оборудования рабочего помещения, надежно защищенного толщей лунного грунта от больших перепадов температур и космического излучения.

Как видим, сам процесс изучения космического пространства и космических тел стал все больше приобретать характер инженерной деятельности, иа первый план которой выступили отборы проб горных пород на этих телах.

Учеными было разработано немало способов отбора внеземного вещества как в открытом космосе, так н в атмосфере нашей планеты.

Так, еще в 50-х годах с помощью геофизических ракет- изучалось и отбиралось метеорное вещество в открытом космосе. В США ^в 1961 г. для сбора микрометеоритов на высотах 116—168 км была использована специальная ракета, носовая часть которой оборудовать камерой, содержащей тонкие, толщиной в несколько микрометров, собирательные пластины-пленки, сделанные из различных материалов. После опыта на стопке пленок под электронным микроскопом были обнаружены микрометеориты.

С 1966 г. началась эра горных н буровых работ, выполняемых ^Иа поверхности других планет. После прилунения автоматических

Станций типа «Луна-13» и «Сервейор» на поверхности нашего космического соседа были проведены простейшие горные, работы. Затем появились многочисленные проекты и конструкции буровых устанввок и устройств по извлечению и отбору горных проб, среди которых первенствующее положение занимают надежные буровые стана- «Луна-IG»,«Луна-20», «Луна-24».

Ранние проекты буровых устройств для Луны были опубликованы в США в конце 50-х — начале 60-х годов. В первую очередь среди них следует отметить простейшие приспособления типа пенетрометра, предназначенного для погружения в грунт Луны (рис.23), проекты «Гринчиї» и «Сервейор» (рис. 24). Поіруженнг конусного иидентора в поверхностные рыхлые слои реголита (так назвали грунт Луны) дало бы ученым богатую информацию о прочности грунта, его способности к осыпанию и уплотнению и многое другое. Поэтому не следует упрощенно считать, что первые проекты пррникновения в поверхность Луны на несколько сантиметров примитивны и не заслуживают внимания. Миниатюрная лунная станция «Гринчиз» имела винтообразный конвейерный буровой механизм шнекового типа для сбора пыли на поверхности планети или рыхлой горной породы до глубины 300 мм.

Возвращаемый аппарат с ракетным двигателем имел контейнер для пробы грунта, загерметизированный внутри конического корпуса. Основная часть аппарата вместе с буровым устройством оставалась на Луне. Реализация проекта «Гринчиз» не удалась, так же как и космическое бурение аппаратом «Сервейор», хотя во многих отношениях конструкции этих аппаратов были весьма удачными.

Первые скважины на Луне были пробурены астронавтами экспедиции «Аполлон-11» в 190У г. Пробы горных пород в этой экспедиции и других отбирались ручными инструментами, которые по Мере обогащения астронавтов опытом работы в необычных условиях постоянно совершенствовались. Интересно проследить, какие изменения вносились в конструкцию инструментов в разных экспедициях по программе «Аполлон».

Экспедиции «Аполлон-11, 12 и 14». Инструменты и буровые Устройства для Луны показаны на рис. 25. Первые образцы горных ^ПоРод — керны диаметром около 20 мм — были получены из-под поверхности Луны с помощью ручных алюминиевых трубчатых грунтоносов, которые забивались геологическим молотком в лунный ^гРунт-реголит. На одном из концов трубы крепилось кольцо-нако- иечник с режущей кромкой, которая после сбора образцов 'заменяюсь обычным колпачком. Внутри трубы устанавливался поршень; облегчающий удаление из трубы образца горной породы. Поршень "Роталкивался металлическим прутом. Верхний конец трубы соеди-

/ — двухсекционным грунтонос н шток; 2 — одна нз секций грунтоноса (соенительная муфта и поршень); 3 — подставка для шпековых бурильных ТРУ ' 4 — ручном электробур; 5 — рычажное приспособление для извлечения труб и скважины; 6 — проект ударно-вращательного устройства с кольцевым забое; "7 — тот же вариант со сплошным забоем; 8 — стоика космического корабля; 9 — космическиії корабль; 10 — извлечение космонавтами труб из скважины- 11 — буренне электробуром нялся с универсальной удлинительной рукояткой, снабженной наковальней нзнержавеющей стали, по которой астронавт наносил удары молотком.

При экспериментах были отобраны две пробы грунта с глубины ДО ^см- большую глубину грунтоносы не погружались, несмотря на сильные удары молотка. По свидетельству астронавтов, это объяснялось не столько увеличением прочности реголита с глубиной, сколько неудачной конструкцией рабочей головкн грунтоносов, спроектированной еще в 1965 г. Конструкция способствовала уплотнению грунта внутри грунтоноса и прн конусообразном внутреннем сечении происходила деформация столбика горной породы, нарушающая естественную последовательность залегания слоев. Для устранения этого недостатка в экспедиции «Аполлон-12» применялся грунтонос улучшенной формы; конус был сделан с наружной стороны. Однако, по свидетельству конструкторов, грунтоносы и в этом случае были несовершенны. Из отведенных 3 ч пребывания на Луне астронавты потратили на отбор проб от 35 до 40 мин.

Все же улучшенная конструкция грунтоносов позволила с меньшими затратами усилий разведать грунт и отобрать две пробы на глубине 35 см и одну — на глубине 70 см. Вдавлнванне н вытаскивание грунтоноса стало возможным простым нажимом рукн. Правда, грунтоносы позволяли отбирать главным образом сыпучне горные породы. О характере таких пород в нх естественном залегании можно судить,, по стереоскопической фотографии, сделанной космонавтами «Аполлон-14» (рис. 26). Фотографию следует рассматривать в стереоскоп или при определенном навыке без него. Для этого страницу книги следует держать на расстоянии приблизительно 30 см от глаз. Усилием воли надо попытаться совместить оба изображения в одно. Когда это случится, центральное изображение из трех видимых глазами снимков будет объемным (на левое и правое изображение не обращайте внимания). Стереоскопически лунный грунт выглядит таким, каким его видел космонавт через объектив своего фотоаппарата с характерным для грунта природным блеском, с рельефными возвышениями минеральных ³'Рен. Такой блеск на обычных плоских фотографиях никогда ив получается.

ПОСЛЕДУЮЩИЕ ЭКСПЕДИЦИИ «АПОЛЛОН-15, 16 и 17». Для количественной оценки несущей способности лунного грунта по всей глубине погружения в естественных условиях был сконструиро- ^Ван самопишущий пенетрометр, успешно использованный на Луне. Пенетрометр был изготовлен из позолоченной нержавеющей стали, "мел опорную плиту, обеспечивающую устойчивость прибора и космонавта. Диаметр погруженной части пенетрометра и рабочих его головок по сравнению с забивными грунтоносами был существенно уменьшен, что позволило увеличить максимальную глубину внедрения до 75 см. Космонавты применяли также обычные грунтоносы увеличенного диаметра и с более тонкой стенкой трубы. Полученные пробы реголита не имели искажений природной плотности. Начиная с экспедиции «Аполлон-15», снаряжение космонавтов включало ручной электробур.

Способ бурения. На советских и американских ручных или автоматических буровых установках, работавших при бурении мелких скважин на поверхности Луны, успешно испытан шнеко-колонковый способ очистки скважины от выбуренной горной породы в комбинации с обычным колонковым бурением. Классический шнековий способ бурения, известный из земного опыта, не применялся, он обладает рядом существенных недостатков. Комбинированное шнеко-колонковое бурение выполнялось обычными твердосплавными коронками, традиционными колонковыми трубами и кернорвателями, а забой очищался вращающимся шиековым транспортером, находящимся на внешней поверхности колонковой трубы и бурильньп труб.

В принципиальном отношении такой способ -бурения далеко не иов — он давно применялся при бурении инженерных скважин в

процессе геологических изысканий. Еще в 50-х годах существовали легкие и портативные шнековые буровые станки, управляемые одним человеком. Для примера достаточно привести известную конструкцию механического пробоотборника типа МП-1, разработанного еще в начале 60-х годов для бурения скважин глубиной до 3 м. Внешне ручной электробур, использованный американскими космонавтами на Луне, почти полностью совпадает с этим пробоотборником и отличается от него в основном более совершенными весовыми и прочностными характеристиками и типом двигателя. При замене бензинового двигателя на портативный электрический станок МП-1 и его поздние модификации вполне могли бы стать основой для конструирования станков, предназначенных для условий Луны.

Недостатки шнекового бурения (ограниченная область применения — вязкие и сыпучие породы; низкое 'значение к. п. д. шнековой очистки, определяющееся высоким треннем о стенки скважины; большой расход энергии, особенно при увеличении глубины скважины, и др.) частично компенсируются комбинированным способом бурения, а также работой шнеков в условиях пониженной гравитации. Комбинированный ' шнеко-колонковый способ расширяет круг применения шнеков вплоть до бурения самых твердых горных пород.

Шестикратное снижение массы частиц шлама на Луне служит благоприятным фактором для бурения, хотя и снижает сцепление частиц с поверхностью спирали, но в целом оно повышает производительность шнеков и-их к. п. д., особенно в глубоких скважинах.

Перемещение шлама вверх по спирали шнека возможно, если достаточна величина трения между подвижным шламом и неподвижным его слоем в кольцевом зазоре за счет центробежной силы и подпора разрыхленной на забое породы. Центробежная сила необходимой величины возникает при определенном критическом значении оборотов шнека, меньше которого транспортировка шлама вверх затрудняется. Но при уменьшении силы тяжести, что имеет место на планетах, меньших по размерам, чем Земля, значение критического числа оборотов ниже. _t

К. п. д. шнека можно увеличить за счет уменьшения трения Шнека о стенки скважины (облицовка торца спирали стеклопластиком илн шлифованная поверхность) и снижения площади контакта спирали со стенкой скважины (тонкостенная спираль), что и было Достигнуто на лунных буровых.

Шнековый способ очистки забоев скважины очень прост и Удобен, поскольку вращением бурильных труб обеспечивается совмещение бурения с выносом горной породы. Однако по мере увеличения глубины скважины производительность шнека снижается, а ударные усилия, передаваемые с поверхности, теряют эффектив- иость.

В дальнейшем, конечно, будут-предложены новые способы внеземного бурения, более эффективные. Здесь у конструкторов «космических» буровых станков широчайшее поле деятельности...

Работа буровой установки «Луна-16». Советским исследованиям на поверхности Луны при помощи буровых установок автоматических станций «Луна-16», «Луна-20» и «Луна-24» предшествовали тщательные испытания этих установок на Земле в условиях, максимально приближенных к лунным.

Уже в предполетный период исследований Луны было ясно, что физические характеристики лунного реголита значительно отличаются от свойств хорошо знакомых нам земных грунтов. И это вполне объяснимо: верхний покров нашего спутника сформировался и существует в условиях, совершенно не похожих на земные. Здесь идеальный вакуум, полное отсутствие воды, высокая пористость реголита и необычайная его способность к уплотнению, адгезии и накоплению электростатического заряда.

Высокая способность частиц лунного грунта к прилипанию способствует резкому возрастанию снл трения. При испытаниях буровых устройств в вакууме расход мощности на бурение закономерно увеличивался.

Для снижения трения рабочие поверхности бура как в наших, так и в американских установках покрывались износостойкой смазывающей пленкой, нейтральной по отношению к минеральному и химическому составу частиц реголита.

Интересно, что по возвращении АМС «Луна-16» и «Луна-20» вместе с образцами грунта были возвращены и буровые снаряды. Их наружная поверхность тщательно изучалась в лаборатории. Как и ожидалось, несмотря на кратковременную работу снаряда, в очагах контакта металла с частицами реголита образуются многочисленные микроскопические следы адгезионного изнашивания в виде язв, трещин, разрывов и отдельных осповидных дефектов. Ученые получили экспериментальное подтверждение о благоприятных условиях изнашивания металла при взаимодействии механизмов с лунным грунтом. Рабочие элементы буровых устройств, предназначенных для длительной работы на Луне и других планетах со сходными условиями, должны противостоять адгезионному изнашиванию. Это создало новые требования к свойствам материалов и характеристикам станков.

Приходилось также учитывать ночной и дневной перепад температур на Луне, составляющий 300°С; добиваться точности движения элементов грунтозабориого устройства до малых долей мил_лиметра, особенно на стадии герметизации колонки грунта в каіі- сулу; принимать во внимание свариваемость металлических поверхностей в глубоком вакууме и многое другое.

Необычность и разнообразие условий, в которых должны были работать автоматические станции, заставили конструкторов изготовить несколько вариантов буровых устройств. Они испытывались при бурении различных горных пород-аналогов: песчаников, туфов, базальтов. Буровая установка подвергалась вибрациям, перегрузкам, проверялась в вакууме на уникальных стендах.

Выполненные испытания исключили любую возможность аварии с буровой установкой. Регулировка автоматического прибора, после того как он начал работать на поверхности Луны, затруднена или вовсе исключена. Но, как известно, в процессе автоматического бурения скважин никаких непредвиденных осложнений не произошло.

Конструкция бурового устройства автоматических станций «Луна-16» и «Луна-20» (рис. 27) уже описывалась в печати.

Краткая техническая характеристика буровой установки

Диаметр буровой коронки, мм ... . 26

Расчетная глубина бурения, см ... . 35

Подача инструмента........................ Дифференциально-

винтовая (предусмотрена возможность ударного режима работы)

Коронка ..... ......................... Твердосплавная

Удаление шлама............................. Шнековым способом

Бурение скважины началось час спустя после посадки аппарата и выполнялось при весьма низких температурах лунной ночи (—120 °С). Станок прижимался к поверхности Луны приводом грунтозаборного устройства и собственной массой до суммарного усилия 100 Н. Винтовая подача инструмента имела предохранительную муфту, отрегулированную на осевое усилие 70—80 Н.

В процессе бурения измерялась величина тока двигателя, крутящий момент (20—30 Н-см), глубина бурения, температура корпуса бурового станка и электродвигателя (20—26 °С). Величина тока ^в цепи электромотора на холостом ходу и при бурении изменялась ^в небольших пределах 3,9—4,4 А. Скорость бурения, по телеметрическим данным, несколько превысила расчетную и составила в среднем 6,1 см/мин. На глубине 35 см коронка бурового устройства коснулась твердой породы или отдельных ее фрагментов. В образцах реголита -вблизи коронки наблюдались крупные, размером до ®ескольких миллиметров, кристаллы горных пород.

³* ' ' 67

После окончания бурения 'включился обратный ход станка, ударное устройство при этом автоматически прекратило свою работу- Доставленный образец лунного грунта сохранил естественное расположение слоев горной породы.

РЕЗУЛЬТАТЫ БУРЕНИЯ СТАНЦИЕЙ «ЛУНА-20». В отличие от станции «Луна-16» бурение выполнялось днем при температур^е

Корпуса стайка +18 °С. Опускание штанги манипулятора продолжалось 7 мнн. В процессе бурения трижды срабатывала токозащнта. В первый раз это случилось после проходки 90 мм породы, во вто-' р₀й — на глубине 150. мм. Скважина была пробурена до глубины 340 мм, после чего произошло автоматическое отключение двигателей.

Процесс бурения продолжался 16 мин; время чистого бурения без учета остановок составило 4 мнн 35 с при средней скорости бурения 75 мм/мин. Обратный ход бурового снаряда занял 8,8 с. При бурении регистрировались тс же параметры, что н при работе станции «Луна-16». Дополнительную информацию об абразивных свойствах горных пород дал износ буровой коронкн н наружной поверхности колонковой трубы.

На всех этапах бурения скважины наблюдалось увеличение силы тока двигателя 4—8,8 А до тех пор, пока не срабатывала токозащнта. Скорость бурения была неравномерной и колебалась от 46 до 240 мм/мин, что значительно превышало паспортные данные — 60 мм/мин. В этом состояло основное отличие процесса бурения по сравнению со станцией «Луна-16», что, по всей вероятности, объясняется большей неравномерностью прилипания горных пород к металлической поверхности колонковой трубы и уплотнением в зазорах и каналах шнека.

Возможна н другая причина возрастания тока в двигателях буровой установки. Известно, что коэффициент внутреннего трення грунта в значительной степени зависит от вибрации и ее частоты. Как правило, он снижается при наложении колебаний ударного устройства, но снова растет после прекращения вибраций. Для некоторых грунтов коэффициент трения возрастает почти вдвое по отношению к исходному значению.

Не исключено также, что конструкция шнекового устройства бурового снаряда не обеспечивала надлежащую очистку скважины от разрушенного при бурении грунта. Такая очистка наблюдается в случае, если шнек выносит из скважины лишь часть разрушенной горной породы, а другая часть уплотняется вокруг шнека н в стенки скважины. Уплотненный грунт создавал дополнительное сопротивление вращению и продвижению снаряда.

Конструкторы стайка отличали любые отклонения процесса бурения от нормального по оценке величины удельных энергозатрат "Риводных электродвигателей (в джоулях на один кубический сантн- ^МетР разрушенного грунта). Так, при измененной величине удельных ^8неРгозатрат и паспортной скорости подачи снаряда делали заключение о нормальном ходе процесса бурения. Если энергозатраты Росли, то, возможно, началось уплотнение разрушенного грунта н прекращение его поступления в-Полость снаряда. Скачкообразные изменения энергии в ту или другую сторону свидетельствовали об увеличении твердости породы, завинчивании снаряда в нарезку уплотненного грунта и т. д.

После завершения бурения и "загрузки возвращаемого аппарата образцом лунного грунта станок снова был включен по команде с Земли для проверки влияния температуры и вакуума на поверхности Луны на работу всех буровых элементов. Как оказалось, все механизмы работали без каких-либо отклонений от нормы. Благодаря этой операции, конструкторы станка окончательно убедились в своем предположении, что неравномерность процесса бурения была вызвана технологическим взаимодействием бурового снаряда со стенками скважины и столбиком грунта в скважине, а не конструктивными недоработками станка для бурения.

После старта возвращаемой ракеты буровой станок остался на поверхности Луны. Возможно, в недалеком будущем он будет возвращен космонавтами иа Землю для изучения и займет одно из почетных мест в собрании музея космонавтики.

СТАНЦИЯ «ЛУНА-24». В августе 1976 г. на Луне приступило к работе принципиально отличное от предыдущих советских установок буровое устройство, рассчитанное на бурение скважины глубиной 2,5 м. Аналогичная установка побывала на Луне годом раньше.

Основные узлы автоматической межпланетной станции остались прежними, за исключением буровой установки. Она получила совершенно новое конструктивное оформление, позволившее при старых габаритных размерах межпланетной станцнн увеличить глубину бурения почти в шесть раз по сравнению с возможностями станции «Луна-16» и «Луна-20».

Новая буровая установка имела следующие отличительные особенности:

диаметр твердосплавной двухступенчатой коронки был уменьшев почти втрое, что позволило сократить энергозатраты на бурение; диаметр столбика керна уменьшился соответственно до 8 мм;

столбик керна длиной более 2 м помещался в 40-сантиметровую капсулу возвращаемого аппарата; керн наматывался в спиральные желоба компактного барабана;

принципиально новой стала конструкция грунтоноса; сохраность керна и природной последовательности залегания слоев лунного грунта обеспечивалась гибкими продольными лентами внутр колонковой трубы и эластичным грунтоносом; одни ленты выстн* лали внутреннюю поверхность трубы, а другие перекрывали зазорі между ними;

в отличие от буровых установок, прежде побывавших на Луие, перевод бурового устройства в рабочее положение проводился не поворотным устройством, а путем скольжения станка вниз на роликах по двум направляющим;

буровой станок имел механизм подачи — систему тросов; ударный механизм с автоматическим переходом на ударный режим бурения в зависимости от буримости горной породы; устройство для автоматического управления бурением с авто- номной программой, предус- ^ йатривающей, кроме всего прочего, предупреждение аварийного режима.

Точность изготовления дег талей узлов была на уровне требований приборостроения. Широкое применение нашли титановые и алюминиевые сплавы, высококачественные стали, пластики и резнны, созданные впервые с учетом специфичности условий их работы.

Схема бурового устройства

рис. 28. Рабочая головка при подаче инструмента скользит вдоль Двух направляющих вместе с вращающейся бурильной трубой, иа поверхности которой имеется шнек.

Бурение скважины проходило со средней скоростью 15 см/мин. Несколько раз автоматика включала ударный механизм.

В процессе всего бурения в центр управления шел непрерывный ^анализ телеметрической информации. На пульте следили за каждым ^Мгновением работы буровой головки. То и дело операторы сообщали ^СВеАения о начале сеанса забора грунта, о выдаче на борт станции ^Не°бходнмых команд, о рабочем'режиме и переходе на автоматическое управление, о прочности грунта и глубине скважины.

Буровому механизму заранее была задана автономная прочима операций. Все данные телеметрии на Земле записывались
регистрирующими приборамл. Фиксировались расход энергии, температура корпуса и другие параметры.

За 10 "мин было пройдено почти 1,5 м. Как только увеличиласк твердость горной породы, станок тут же реагировал на изменение условий и переходил на ударно-вращательный режим.

Бурение проводилось под углом 30° к местной вертикали, т. е. скважина была наклонной. Таким образом, если общее погру. жение коронки составило 225 см, то вертикальная глубина зондирования поверхности Луны не превысила 2 м. Стоит также добавить, что длина керна была только 160 см и линейный выход керна определился цифрой 71 %. После того как бурение закончилось, был включен обратный ход механизма. Приемный барабан фиксировался напротив приемного окна возвращаемого аппарата. Был включен подающий механизм, керн в эластичном грунтоносе стал укладываться в спиральные желоба горизонтально вращающегося, барабана, а сам барабан одновременно перемещался вперед к окну на величину шага намотки за каждый оборот. Разъединительный замок отсоединил привод от барабана, пружина загрузила барабан в контейнер возвращаемого аппарата, а пиропатроны отстрелили трос механизма подачн и верхнюю головку в точках ее крепления к ферме. Затем буровое устройство откинулось в сторону и осталось на посадочном блоке.

Успешный полет АМС «Луна-24» получил благоприятный отзыв на страницах мировой печати. Можно было бы привести множество интересных и восторженных откликов. Одни 113 )них, сделанных газетой «Берлинер цайтунг», хочется показать читателям (рис. 29).

ГРУНТОНОС «ЛУНЫ-24». Благодаря изяществу инженерной мыслн, буровая установка «Луны-24» заслуженно считается не только качественно новым этапом разработки автоматических устройств для исследования природных космических тел, но и служит прообразом автомата, способного иантн применение в Геологических исследованиях родной планеты.

С инженерной точки зрения наибольший интерес вызывает конструкция грунтоноса и устройств, с ним связанных. В практике создания буровых устройств для наших, земных условий подобную конструкцию встречать не приходилось даже в своде изобретении за многие и многие годы. Можег быть, поэтому созданная учеными конструкция сейчас кажется чуть ли не единственно возможным решением задачи. Она заслуживает подробного изложения.

В бурении всегда остро стояла и стоит проблема извлечения в достаточном количестве из скважины керпа — образцов горной породы. В разведочном бурении существует даже понятие качеств® бурения, одним из критериев которого служит линейный ВЫХОД кёрна. Если этот выход становится Проблемой в обычных земнык условиях, когда процесс бурения находится под непрерывным контролем оператора, то можно себе представить трудность получения керна при работе автомата та десятки тысяч километров от 'Земли на другой планете.

Конструкторы зналн, что взять керн на поверхности Луны можно будет только одним единственным рейсом бурового устройст- _ва и никакие перебуркн, то есть повторные эксперименты, невозможны. Отсюда надежность ^рунтоноса должна была стать абсолютной, стопроцентной. Прямо скажем, такую задачу геологи не решаются ставить буровикам даже в земных условиях.

Все трудности были успешно преодолены. Посмотрите на рис. 30. Конструкторы применили так называемую двойную колонковую трубу, что само по себе не является чем либо новым. Но внутри трубы была установлена плавающая пробка, жестко связанная с восьмью гибкими узкнмн лентами, выходящими из межтрубного пространства. Концы лент огибали нижний торец внутренней трубы и вытягивались вверх по мере заполнения трубы столбиком керна.

Пробка при этом удерживалась на месте тросом, пропущений сквозь трубу.

В конце бурения специальное устройство зажало концы в плотный узел. Он не позволил керну высыпаться из трубы наружу. Но и это еще не все. Внутренняя поверхность трубы бы^л8 дополнительно снабжена гибким эластичным шлангом. Шланг сохр* нял керн и взаимное надежное расположение гибких лент.

Приемным контейнер станции «Луиа-24» был таким же, как и в предыдущих станциях, хотя глубина бурения значительно возросла. Разместить большее количество в прежнем удалось за счет навивки эластичного грунтоноса. Это позволило наматывать почти двухметровую пробу лунного грунта на барабан со спиральным желобом, свободно размещавшимся в сфере сравнительно небольшого возвращаемого аппарата прежней конструкции.

Приемный барабан с желобами в процессе бурения оставался на месте против отверстия возвращаемого 'аппарата и был связан с бурильной трубой гибкой тягой — тросом.

Конец троса крепился, как мы говорили, с плавающей пробкой. При вращении барабана трос наматывался на его желоб и вытягивался вверх вместе с грунтоносом. Вслед за тросом гибкий грунтонос виток за витком укладывался на барабан через щель. Кромки щели ломали керн в целях более правильной укладки грунтоноса.

НОВЫЕ ЗАДАЧИ. Все пробуренные к настоящему времени скважины на Луне не превышают трех метров, По мере освоения Луны и планет появятся дополнительные научно-исследовательские задачи, и среди них — бурение скважин на глубину 10, 100 м и более. Новые условия потребуют иного бурового оборудов.ання, при конструировании которого понадобится решить проблемы охлаждения коронки, выноса шлама с забоя скважины без помощи шнеков, приближения ударного механизма к забою н т. д.

Уже сейчас специалистами по бурению скважин предложено множество погружных устройств механического типа, преобразующих вращательное движение бурильных труб в возвратно-поступательное для ударного элемента механизма. В настоящее время по ряду причин они почти не применяются при бурении скважин. Исключение составляет бурение шарошечнымн долотами, где принцип разрушения горных пород основан на динамическом воздействии вооружения на забой благодаря периодическим поднятиям и опусканиям корпуса долота, осуществляющего удар.

В практике бурения применяется несколько удачных коАтрук- Ций одиошарошечных долот малого размера для проходки скважин сплошным или кольцевым забоем с отбором керна. Ударное воз- Действие шарошечных долот зависит не только от нх конструкции, ^1,0 и от твердости горных пород. По мерс уменьшения твердости Ударная эффективность долот снижается, поэтому шарошки не могут полностью заменить специальных ударных механизмов. Кроме того, Шарошечные долота даже малого диаметра при сплошном бурении Требуют

высоких осевых усилий, что в условиях пониженной градации невыполнимо.

Известны также механические устройства как с непрерывным, так и прерывистым вращением буровой коронки, совмещающие надежное вращение последней с 'одновременным нанесением удара.

Соответствующие конструкторские изыскания интенсивно ведутся как у нас, так н за рубежом. Недавно на одной из выставок научно-технического творчества в Москве демонстрировалось автоматическое буровое устройство ударно-вращательного типа, рассчитанное на бурение скважин диаметром 46 мм и глубиной до 15 м без участия человека.

Все операции по бурению, наращиванию бурильных труб, их соединению в колонну полностью автоматизировались по заранее заданной программе. Наиболее оригинальным в конструкции станка является карусельный механизм для хранения и замены составных элементов бурильной колонны и штанго-разворотное устройство. Все операции выполняются с помощью четырех отдельных двигателей постоянного тока. Станок подобной конструкции применим и в космических условиях.

Необычность условий на небесных телах (глубокий вакуум, понидонная или высокая гравитация), нагрев бурового инструмента, жесткие ограничения массы буровой установки н другие причины заставят конструкторов выйти из рамок обычных представлений, сложившихся на Земле и сковывающих творческое воображение.

Решение новых задач в этой области поможет совершенствовать технологию и повысить производительность бурения скважин на Земле. Так, уже сейчас в конструировании буровых установок земного типа во многих случаях существуют достаточно жесткие ограничения массы. Многие из описанных конструкторских решений применимы н при создании буровых установок, работающих в условиях, когда, например, промывочная жидкость недоступна или дорога — скажем, в пустыне. Можно прямо сказать, что прн отсутствии жестких ограничений на массу и размеры буровых устройств необычные и смелые технические решения вряд ли родились бы вообще.

Расскажем об одном нз таких решений. В бурении, да и не только в бурении, трубы соединяются между собой преимущественно с помощью резьбовых соединеиий. Для ускорения спуско-подъем- ных операций было предложено множество так называемых быстро* съемных соединений, главное отличие которых — отсутствие резьбы. К сожалению, герметичность таких соединений была плохой.

Как объединить этн два противоречивых требования и сделать соединение труб .. быстроразъемным и герметичным одновременно-

Такое соединение было предложено группой изобретателей поД руководством А. А. Петросянца. Оно заслуживает подробного описання — настолько оно нетрадиционно (рнс. 31).

Соединительные муфты концов бурильных труб не имеют резь бы. Вместо нее предусмотрены кольцевые канавки и выточки. Ниппель (вверху) снабжен сегментными пазами и сквозными проточками. В кольцевую полость залит легкоплавкий металл. Он не должен смачивать металл муфты и ниппеля.

Когда ниппель вводится в муфту, металл нагревается одним из возможных способов, например высокочастотным нагревом, расплавляется и за счет вытеснения заполняет полость, пазы и проточки. После отключения нагрева и .твердения металла муфта и ниппель прочно соединяются между собой. Герметичность соединения получается идеальной. Для разъединения труб снова необходим нагрев. Металл плавится, при выводе ниппеля вытекает из сегментных пазов в кольцевую полость и застывает в первоначальной форме. Потери жидкого металла исключаются благодаря удачной комбинации проточек, полостей и пазов.

Техника и технология космического буреиия непрерывно совершенствуются и развиваются. Нет сомнения, что в ближайшем будущем мы станем свидетелями бурения скважии на большую глу-

вмуфта и ниппель; 2 — легкоплавкий Металл; 3, 5 — кольцевые и продоль- ^пь<е выточки
бину как на Луне, так и на других планетах. Впереди — бурение иа Марсе! Проект передвижных луно- и марсоходов с буровыми установками для скважин глубиной до 1 м уже опубликованы, они нспытываются на полигонах, а один из них успешно работал на поверхности Луны. Луноход управлялся двумя американскими космонавтами в экспедициях серии «Аполлон-15—17» и представлял в истории космических исследований передвижную буровую установку. Она включала электрический бур и набор инструментов для ручного бурения.

Природа научного поиска такова, что, несмотря на имеющиеся достижения в изучении космоса, каждый космический эксперимент ставит больше вопросов, нежели приносит ответов иа поставленные «почему?» Непосредственное изучение поверхности планет при помощи буровых установок уже ответило на многие вопросы ученых, а в будущем даст еще более полную и интересную информацию.

Если читатель заинтересован в более подробных сведениях о космическом бурении, автор отсылает его к своей книге «Бурение скважин вне Земли», опубликованной издательством «Недра» в 1977 г.