RU2751836C1 - Robotic complex for unmanned erection of structures/shelters on the moon - Google Patents
Robotic complex for unmanned erection of structures/shelters on the moon Download PDFInfo
- Publication number
- RU2751836C1 RU2751836C1 RU2020122348A RU2020122348A RU2751836C1 RU 2751836 C1 RU2751836 C1 RU 2751836C1 RU 2020122348 A RU2020122348 A RU 2020122348A RU 2020122348 A RU2020122348 A RU 2020122348A RU 2751836 C1 RU2751836 C1 RU 2751836C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- shelters
- complex
- structures
- moon
- regolith
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
Description
Известны концепции и проекты технических решений задачи создания на Луне строений/укрытий для размещения личного состава космических экспедиций, систем жизнеобеспечения и научно-исследовательского и/или производственного оборудования.Known concepts and projects of technical solutions for the problem of creating structures / shelters on the Moon for the placement of personnel of space expeditions, life support systems and research and / or production equipment.
В соответствии со специфическими физическими условиями на Луне, концепции проектов создания лунных баз со строениями/укрытиями для личного состава и экспедиционного оборудования основываются на отличных от традиционных земных технических решениях алгоритмических, кинематических и динамических задач сбора, транспортировки и преобразования лунного грунта в строительный материал и его укладки в тело ограждающих конструкций строений/укрытий.In accordance with the specific physical conditions on the Moon, the concept of projects for the creation of lunar bases with structures / shelters for personnel and expeditionary equipment are based on algorithmic, kinematic and dynamic tasks of collecting, transporting and transforming lunar soil into building material and its laying the enclosing structures of buildings / shelters into the body.
Известные технические предложения по решению задач отделения грунтовых масс от лунной поверхности и их транспортировки предусматривают модификацию применяемых на Земле технических решений по воздействию на грунтовые массы.The well-known technical proposals for solving the problems of separating soil masses from the lunar surface and transporting them provide for the modification of technical solutions used on Earth for the effect on soil masses.
В отличие от них, решение задачи преобразования лунного грунта в строительный материал требует применения технологий, принципиально отличных от земных. Наиболее популярным подходом к решению этой задачи является превращение лунного грунта в пластичный укладочный материал посредством его нагревания до расплавления посредством экспонирования потоком концентрированного солнечного света, или пропусканием потока грунта через активную зону ядерной энергетической установки, или пропусканием потока грунта через электрическую нагревательную установку, получающую энергию от ядерной энергетической установки или солнечной электростанции.In contrast, solving the problem of converting lunar soil into building material requires the use of technologies that are fundamentally different from those on Earth. The most popular approach to solving this problem is to convert the lunar soil into a plastic laying material by heating it to melt by exposing it to concentrated sunlight, or by passing the soil stream through the core of a nuclear power plant, or by passing the soil stream through an electric heating plant that receives energy from nuclear power plant or solar power plant.
В качестве сырья для изготовления укладочного материала на Луне рассматривают дробленную горную породу или реголит. Для дробления горных пород требуется применение специального массивного и энергоёмкого оборудования. Из общих оценок представляется очевидным преимущество использования реголита, представляющего собой разнозернистый обломочно-пылевой материал с плотностью 1400–1800 кг/м3, покрывающий поверхность планеты слоем толщиной от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров.Crushed rock or regolith is considered as a raw material for the manufacture of laying material on the Moon. Crushing rocks requires the use of special massive and energy-intensive equipment. Of the total count is evident the advantage of using regolite representing a fragmental assorted dusty material with a density of 1400-1800 kg / m 3, the surface coating layer of planet thickness from a few centimeters to several tens of meters.
Вследствие того, что Лунный реголит характеризуется высокой насыпной плотностью и высокой когезивностью уже на глубине нескольких сантиметров, для его перемещения в больших объёмах при выполнении строительных работ требуются агрегаты, прикладывающие к грунту значительные механические усилия. В условиях низкой гравитации для сохранения устойчивости и остойчивости агрегатов в процессе отделения грунта от лунной поверхности необходимо обеспечивать компенсацию передаваемых на корпус агрегата реактивных сил и моментов сил.Due to the fact that the Lunar regolith is characterized by a high bulk density and high cohesiveness already at a depth of several centimeters, for its movement in large volumes during construction work, aggregates are required that apply significant mechanical forces to the soil. In conditions of low gravity, in order to maintain the stability and stability of the aggregates in the process of separating the soil from the lunar surface, it is necessary to compensate for the reactive forces and moments of forces transmitted to the body of the aggregate.
Известно, что Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) предлагает применить для сбора и транспортировки реголита экскаватор Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot (RASSOR) [https://technology.nasa.gov/patent/KSC-TOPS-7]. Экскаватор представляет собой мобильную телеуправляемую платформу на колёсном или гусеничном шасси, у которой симметрично спереди и сзади на отклоняющихся в вертикальной плоскости рычагах подвешены приведённые от размещённого на платформе двигателя вращающиеся цилиндрические роторы с выступающими над цилиндрической поверхностью ковшами-окнами. Направления входа в ковши-окна на разных роторах зеркально симметричны. При вращении роторов в направлении против входа в окна выступающие ковши загребают реголит в полость ротора. После забора реголита в роторы, поворотные рычаги отклоняются вверх, поднимают роторы над грунтом, и платформа с набранным в роторы реголитом перемещается к месту выгрузки реголита. При смене направления вращения ротора грунт из полости ротора высыпается через ковши-окна. И при наборе грунта и при его выгрузке вращение роторов взаимно противонаправлено. Предполагается, что при такой компоновке экскаватора роторы будут набирать внутрь лунный реголит с компенсацией передаваемых на платформу тяговых усилий и вращательных моментов. Соответственно, будет обеспечена устойчивость и остойчивость платформы в ходе выполнения производственных операций. Также, авторы проекта предписывают соответствие RASSORа требованиям компактности, лёгкости, прочности и эффективности, предъявляемым к оборудованию для космических экспедиций.It is known that the National Aeronautics and Space Administration (NASA) proposes to use the Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot (RASSOR) excavator for collecting and transporting regolith [https://technology.nasa.gov/patent/KSC-TOPS-7] ... The excavator is a mobile remote-controlled platform on a wheeled or tracked chassis, in which rotating cylindrical rotors with buckets-windows protruding above the cylindrical surface are suspended from the engine placed on the engine platform symmetrically front and rear on levers deviating in a vertical plane. The directions of entry into the bucket-windows on different rotors are mirror-symmetrical. When the rotors rotate in the direction opposite to the entrance to the windows, the protruding buckets rake the regolith into the rotor cavity. After the regolith is taken into the rotors, the pivoting arms deflect upward, raise the rotors above the ground, and the platform with the regolith collected in the rotors moves to the place of unloading the regolith. When the direction of rotation of the rotor is changed, the soil from the rotor cavity is poured out through the bucket-windows. And when collecting soil and unloading it, the rotation of the rotors is mutually opposite. It is assumed that with such a layout of the excavator, the rotors will draw in the lunar regolith with compensation for the traction forces and torques transmitted to the platform. Accordingly, the stability and stability of the platform will be ensured during production operations. Also, the authors of the project prescribe that RASSOR meets the requirements of compactness, lightness, strength and efficiency for equipment for space expeditions.
Внешний вид масштабной модели экскаватора RASSOR представлен на Фиг. 1. Вид полноразмерного опытного образца экскаватора представлен на Фиг. 2. На Фиг. 3 представлен график изменения передаваемых от роторов на платформу реактивных сил и моментов сил, возникающих во время работы роторов на относительно однородном грунте. График демонстрирует неизбежность возникновения на платформе экскаватора значительных результирующих усилий и моментов сил. Залежи реголита характеризуются меняющимися по глубине залегания минерализацией и гранулометрией и связанными с ними различиями по величине сопротивления сдвигу, а также содержат большое количество камней и валунов.The external view of the scale model of the RASSOR excavator is shown in Fig. 1. A view of a full-size prototype excavator is shown in FIG. 2. In FIG. 3 shows a graph of changes in the reactive forces transmitted from the rotors to the platform and the moments of forces arising during the operation of the rotors on a relatively homogeneous soil. The graph demonstrates the inevitability of significant resulting forces and moments of forces on the excavator platform. Regolith deposits are characterized by depth-varying mineralization and granulometry and associated differences in shear resistance, and also contain a large number of stones and boulders.
Недостатки экскаватора: при прохождении ковшей роторов через реголит неизбежно будут возникать резкие изменения сопротивления вращению роторов. Эти изменения будут создавать соответственные изменения тяговых усилий и изменения результирующего вращательного момента на платформе. Соответственно, платформа будет совершать амплитудные раскачивания и рывки, приводящие к погружению движителей платформы в реголит. Подъём роторов после загрузки грунта приведёт к повышению центра масс экскаватора и соответствующему снижению остойчивости. При движении экскаватора по созданным им самим неровностям и по естественному рельефу местности управление его манёврами значительно усложнится.Disadvantages of an excavator: when the buckets of the rotors pass through the regolith, abrupt changes in the resistance to rotation of the rotors will inevitably occur. These changes will create corresponding changes in tractive effort and changes in net platform torque. Accordingly, the platform will perform amplitude swinging and jerking, leading to the immersion of the platform propellers in the regolith. Raising the rotors after loading the soil will lead to an increase in the center of mass of the excavator and a corresponding decrease in stability. When the excavator moves along the irregularities created by it itself and along the natural relief of the terrain, the control of its maneuvers will become much more complicated.
Другие известные робототехнические комплексы для сбора лунного грунта и его транспортировки в процессе создания строений/укрытий на Луне предусматривают разработки конструкций на основе структурных схем традиционной земной строительной техники с характерными для неё массогабаритными, кинематическими и динамическими характеристиками. Такая техника выполняет операции с грунтом соответственно сложившимся в земной строительной практике алгоритмам выполнения различных операций с грунтами различными агрегатами, что наглядно демонстрирует представленный на Фиг. 5 вид строительного участка по проекту компании Caterpillar и NASA с набором строительной техники земного образца[https://www.techcult.ru/technics/7489-caterpillar-razrabatyvaet-mashiny-dlya-lunnyh-kolonij].Other well-known robotic systems for collecting lunar soil and transporting it in the process of creating structures / shelters on the Moon provide for the development of structures based on structural diagrams of traditional terrestrial construction equipment with its characteristic mass and size, kinematic and dynamic characteristics. Such a technique performs operations with the soil in accordance with the algorithms for performing various operations with soil with various aggregates that have developed in earth construction practice, which is clearly shown in Fig. 5 view of a construction site designed by Caterpillar and NASA with a set of terrestrial construction equipment [https://www.techcult.ru/technics/7489-caterpillar-razrabatyvaet-mashiny-dlya-lunnyh-kolonij].
Это обстоятельство приводит к необходимости доставки на Луну номенклатуры видов массивной и габаритной строительной техники. Технические описания объектов строительной техники для космических экспедиций на Луну отсутствуют. Представления авторов проектов и разработчиков о возможных вариантах исполнения этой техники отображены в иллюстрациях к презентациям проектов. На Фиг. 4 представлен типичный образец таких иллюстраций с изображением возможного вида укладчика ограждающих конструкций из симинала, образующегося в термической камере из реголита. Компоновка укладчика соответствует традиционной компоновке земной строительной техники. Термическая камера расположена на шарнирной стреле укладчика. Реголит поступает в термическую камеру из расположенного на корпусе укладчика бункера. Источник энергии для работы термической камеры не представлен. Способ наполнения бункера реголитом и устройство для его осуществления не изображены. В целом, проиллюстрирована только абстрактная идея возведения лунных строений послойным наращиванием ограждающих конструкций расплавленным реголитом.This circumstance leads to the need to deliver to the Moon a range of types of massive and dimensional construction equipment. There are no technical descriptions of construction equipment objects for space missions to the Moon. The ideas of the authors of projects and developers about the possible options for the implementation of this technique are displayed in the illustrations for the project presentations. FIG. 4 shows a typical example of such illustrations depicting a possible view of a siminal enclosure stacker formed in a thermal chamber from regolith. The stacker layout follows the traditional layout of earth construction equipment. The thermal chamber is located on the paver's articulated arm. Regolith enters the thermal chamber from a bunker located on the stacker body. The energy source for the operation of the thermal chamber is not provided. The method of filling the bunker with regolith and the device for its implementation are not shown. In general, only the abstract idea of erecting lunar structures by layer-by-layer building-up of enclosing structures by molten regolith is illustrated.
Недостатки: такой подход к конструированию техники для космических экспедиций не соответствует принципам и практике осуществления космических экспедиций. Во-первых, по массогабаритным параметрам традиционная строительная техника не согласуется с жёсткими ограничениям массы и габаритов полезной нагрузки космических транспортных систем. Во-вторых, во время работы в условиях низкой гравитации возникающие на корпусах подобной техники некомпенсированные реактивные силы и моменты сил будут выводить технику из равновесия. В-третьих, в условиях вакуума высококогезивный и высокоабразивный реголит будет интенсивно разрушать трущиеся поверхности механизмов традиционной строительной техники. В-четвёртых, на крупногабаритных элементах конструкций будут возникать значительные температурные деформации вследствие достигающих 250 градусов Цельсия перепадов температур затенённых и освещённых Солнцем элементов. Вследствие этих обстоятельств, применимость подобной техники в лунных условиях представляется крайне сомнительной, а сама по себе доставка на Луну массивной и крупногабаритной техники, предназначенной для раздельного выполнения отдельных операций с лунным грунтом, не соответствует базовым принципам формирования полезной нагрузки транспортных систем космических экспедиций. Соответственно, они не могут рассматриваться в качестве прототипов изобретения робототехнического комплекса для создания строений/укрытий на Луне.Disadvantages: this approach to the design of technology for space expeditions does not correspond to the principles and practice of carrying out space expeditions. Firstly, in terms of weight and size parameters, traditional construction equipment does not comply with the strict restrictions on the mass and dimensions of the payload of space transport systems. Secondly, during operation in low gravity conditions, uncompensated reactive forces and moments of forces arising on the hulls of such equipment will unbalance the equipment. Thirdly, under vacuum conditions, highly cohesive and highly abrasive regolith will intensively destroy the rubbing surfaces of mechanisms of traditional construction equipment. Fourthly, large-sized structural elements will experience significant temperature deformations due to temperature differences reaching 250 degrees Celsius between shaded and sunlit elements. Due to these circumstances, the applicability of such technology in lunar conditions seems extremely doubtful, and the delivery of massive and large-sized equipment to the Moon, designed for separate performance of separate operations with lunar soil, does not correspond to the basic principles of the formation of the payload of transport systems for space expeditions. Accordingly, they cannot be considered as prototypes for the invention of a robotic complex for creating structures / shelters on the Moon.
Задачами предлагаемого изобретения являются реализация принципа минимализации количества операций процесса заготовки и перемещения лунного грунта, и принципа совмещения операций по преобразованию лунного грунта в строительный материал и его укладки в тело ограждающих конструкций создаваемого строения.The objectives of the present invention are to implement the principle of minimizing the number of operations in the process of harvesting and moving the lunar soil, and the principle of combining operations to transform the lunar soil into a building material and its laying into the body of the enclosing structures of the structure being created.
Первый принцип реализуют сведением операций по заготовке и перемещению лунного грунта к однократному применению одного вида воздействия на грунт в конструкции экскавационно-транспортной системы, включающей приведённый от вибратора пенетраторный ковш/ковши и вибротранспортную систему/системы из шарнирно состыковываемых вибротранспортных лотков для перемещения реголита от пенетраторного ковша до фототермической установки. Такая экскавационно-транспортная система создаёт непрерывный поток реголита в рабочую камеру фототермической установки с помощью одного стационарного агрегата без применения автономных мобильных экскавационных, погрузочных и транспортных агрегатов. Стационарный агрегат значительно эффективней комплекта из автономных мобильных агрегатов по соотношениям производительность-собственная масса и энергоэффективности вследствие отсутствия у стационарной установки шасси с трансмиссией, движителями, устройствами управления, а также силовых элементов конструкции, распределяющих нагрузку на движитель по корпусу агрегата, и систем навигации и ориентации. Элементы конструкции экскавационно-транспортной системы изготавливают известными способами из известных материалов в различных вариантах исполнения в соответствии с требованиями к производительности и массогабаритным характеристикам системы.The first principle is implemented by reducing the operations of harvesting and moving the lunar soil to a single application of one type of impact on the soil in the construction of an excavation and transport system, including a penetration bucket / buckets driven by a vibrator and a vibration transport system / systems of articulated vibration transport trays for moving regolith from the penetration bucket before the photothermal installation. Such an excavation and transport system creates a continuous flow of regolith into the working chamber of a photothermal installation using one stationary unit without the use of autonomous mobile excavation, loading and transport units. A stationary unit is much more efficient than a set of autonomous mobile units in terms of performance-own weight and energy efficiency due to the absence of a chassis with a transmission, propellers, control devices, as well as structural elements of the structure that distribute the load on the propeller over the body of the unit, and navigation and orientation systems. ... Structural elements of the excavation and transport system are made by known methods from known materials in various versions in accordance with the requirements for productivity and weight and size characteristics of the system.
Второй принцип реализуют в конструкции фототермической установки, состоящей из приёмника-дозатора, фототермической камеры и формователя-охладителя. Установка принимает поток реголита в приёмник-дозатор, придающий потоку необходимую ширину, высоту и равномерность. Сформированный поток реголита из приёмника-дозатора подаётся в термическую камеру установки, изготовленную из жаростойких материалов с низкоадгезионной поверхностью. В термической камере на поверхность движущегося слоя реголита воздействует высококонцентрированный солнечный свет в течение времени, необходимого для прогревания реголита по всей высоте потока до температуры плавления. Расплавленный реголит в виде пластической массы симинала самотёком, или с помощью приведённого от двигателя валика с лопастями, или магнитогидродинамического экструдера вытесняют из термической камеры в зазор между поверхностью затвердевшего слоя симинала в теле ограждающих конструкций возводимого строения/укрытия, и внутренней поверхностью формователя-охладителя с установленной/установленными на его наружной поверхности панелью/панелями радиаторов охлаждения. При строительстве на участке с реголитом с низкой температуропроводностью и теплопроводностью фототермическая установка не создаёт объёмной массы расплава симинала, а прогревает до плавления тонкий слой реголита, который приёмник-дозатор подаёт на твёрдую поверхность предыдущего уложенного в тело ограждающих конструкций строения/укрытия слоя реголита. Фототермическую установку изготавливают любыми известными способами из традиционно применяемых в теплотехнике известных термо- и теплостойких материалов. Варианты исполнения конструкции установки определяют в соответствии с конкретными требованиями по производительности и массогабаритным характеристикам и исходя из технологических возможностей и иных производственных обстоятельств.The second principle is implemented in the design of a photothermal installation, which consists of a receiver-dispenser, a photothermal chamber and a former-cooler. The installation receives the regolith flow into a metering receiver, which gives the flow the required width, height and uniformity. The formed regolith flow from the receiver-dispenser is fed into the thermal chamber of the installation, made of heat-resistant materials with a low-adhesive surface. In the thermal chamber, the surface of the moving regolith layer is exposed to highly concentrated sunlight for the time required to heat the regolith along the entire flow height to the melting temperature. The molten regolith in the form of a plastic mass of the siminal by gravity, or with the help of a roller with blades driven by the engine, or a magnetohydrodynamic extruder, is displaced from the thermal chamber into the gap between the surface of the solidified layer of the siminal in the body of the enclosing structures of the structure / shelter being erected, and the inner surface of the molding-cooler with the installed / installed on its outer surface of the panel / panels of cooling radiators. During construction on a site with a regolith with a low thermal diffusivity and thermal conductivity, the photothermal installation does not create a bulk mass of the siminal melt, but heats up to melting a thin layer of regolith, which the metering receiver feeds to the solid surface of the previous regolith layer laid in the body of the enclosing structures of the structure / shelter. The photothermal installation is made by any known methods from the known heat and heat resistant materials traditionally used in heat engineering. The design options for the installation are determined in accordance with specific requirements for productivity and weight and size characteristics and based on technological capabilities and other production circumstances.
В данном случае представление конструкции конкретного исполнения экскавационно-транспортной системы и/или фототермической установки является избыточным, поскольку не даёт недостающей в описании изобретения информации, необходимой для реализации изобретения, но приводит к сужению объёма защищаемой интеллектуальной собственности, ограниченной лишь принципиальными отличиями от известного уровня техники для выполнения строительных работ на лунной поверхности.In this case, the presentation of the design of a specific version of the excavation and transport system and / or photothermal installation is redundant, since it does not provide the information missing in the description of the invention necessary for the implementation of the invention, but leads to a narrowing of the scope of protected intellectual property, limited only by fundamental differences from the prior art. to carry out construction work on the lunar surface.
Пенетраторный ковш представляет собой выполненный из металла или износостойкого композитного материала прямоугольный или овальный в поперечном сечении короб со ступенеобразным рифлением на внутренних и наружных поверхностях его днища и стенок, приведённый от вибратора с возможностью внедрения в лунный реголит под углом к поверхности грунта и соединённый с первым вибротранспортным лотком так, чтобы при колебаниях короба под воздействием вибратора рифление на его стенках приводит реголит внутри короба в поступательное движение в направлении к вибротранспортному лотку. Внутренние поверхности днища и стенок вибротранспортных лотков также выполняют со ступенеобразным рифлением, приводящим реголит внутри лотка в направленное результирующее движение при вибрации лотка под действием приводного вибратора.The penetrating bucket is a rectangular or oval box made of metal or wear-resistant composite material in cross-section with a step-like corrugation on the inner and outer surfaces of its bottom and walls, brought from a vibrator with the possibility of insertion into the lunar regolith at an angle to the soil surface and connected to the first vibration transport a chute so that when the box vibrates under the influence of a vibrator, the corrugation on its walls causes the regolith inside the box to move in translational motion towards the vibratory transport chute. The inner surfaces of the bottom and walls of vibrating transport chutes are also made with a step-like corrugation, which brings the regolith inside the chute into a directional resulting movement when the chute vibrates under the action of a drive vibrator.
Вибротранспортная система имеет вид соединённых между собой шарнирами с возможностью относительных отклонений лотков, приведённых от вибраторов с возможностью продольных или круговых колебаний и установленные на штативах с обеспечением определённого угла наклона лотков к горизонту. Лотки и шарниры изготавливают из известных материалов известными способами.The vibratory transport system has the form of hinges connected to each other with the possibility of relative deviations of the trays, brought from vibrators with the possibility of longitudinal or circular vibrations and mounted on tripods with a certain angle of inclination of the trays to the horizon. Trays and hinges are made from known materials by known methods.
Электрическую энергию для приведения в действие экскавационно-транспортной системы и иных потребителей в составе прилуняемого комплекса поставляет по кабелям солнечная электростанция, размещённая на посадочной ступени транспортного космического корабля и автоматически раскрывающаяся после прилунения ступени и ориентирующаяся на Солнце. Также, солнечная электростанция может быть выполнена в виде отдельно расположенного на местности комплекта панелей фотоэлектронных преобразователей, установленных на штативах с устройством автоматической ориентации на Солнце. Зарядную станцию для перезарядки аккумуляторных батарей с автоматом переустановки располагают на посадочном модуле. Панели преобразователей, штативы, устройства ориентации панелей и автомат перезарядки изготавливают из традиционно применяемых в космонавтике материалов известными способами.Electric energy for driving the excavation and transport system and other consumers as part of the lunar complex is supplied via cables by a solar power plant located on the landing stage of the transport spacecraft and automatically opening after the landing stage and oriented towards the Sun. Also, the solar power plant can be made in the form of a set of panels of photoelectric converters located separately on the ground, installed on tripods with an automatic orientation to the Sun device. A charging station for recharging batteries with an automatic resetting device is located on the landing module. Transducer panels, tripods, panel orientation devices and automatic recharger are made from materials traditionally used in astronautics by known methods.
Концентрированный солнечный свет для фототермической установки поставляет солнечный концентратор, включающий автономные тарельчатые солнечные отражатели или плоские линейные отражатели Френеля, установленные на штативах с сервомеханизмами ориентации на Солнце и неподвижные и подвижный/подвижные вторичные отражатели и/или трубопроводный световод, выход которого соединяют с фототермической установкой. Автономные светоотражатели устанавливают на раскладных штативах с распределением на местности соответственно его рельефу и направлениям на Солнце и на участок строительства. Вторичные отражатели устанавливают на приведённых от серводвигателей штативах, управляемых системой слежения за положением фототермической установки или входного конденсора трубопроводного световода. Конструкция системы слежения не относится к объектам патентования. Светоотражатели, трубопроводный световод и штативы изготавливают известными способами из известных материалов и комплектующих, традиционно применяемых в космонавтике.Concentrated sunlight for a photothermal installation is supplied by a solar concentrator comprising self-contained dish-shaped solar reflectors or flat linear Fresnel reflectors mounted on tripods with servo-orientation to the sun and fixed and movable / movable secondary reflectors and / or a pipe light guide, the output of which is connected to the photothermal installation. Autonomous reflectors are installed on folding tripods with distribution on the terrain according to its relief and directions to the Sun and to the construction site. Secondary reflectors are mounted on tripods driven by servo motors, controlled by the tracking system for the position of the photothermal installation or the inlet condenser of the pipeline light guide. The design of the tracking system is not patentable. Reflectors, pipe light guide and tripods are made by known methods from known materials and components traditionally used in astronautics.
Для выполнения задач, связанных с перемещениями оборудования для определения топографических и геоминералогических характеристик местности, выбором участка строительства, перемещениями элементов экскавационно-транспортной системы и фототермической установки, сборкой экскавационно-транспортной системы, расстановкой панелей солнечной электростанции и отражателей солнечного концентратора и светопроводной системы со вторичными отражателями и трубопроводного световода применяют агрегатированного на высокоподвижном шасси и оснащённого сенсорной и навигационной системами автономного мобильного манипуляторного робота. В электронном устройстве управления мобильного робота устанавливают адаптивную самообучающуюся программу обработки данных сенсорной системы и выработки управляющих команд для рабочих органов робота. Программа вырабатывает управляющие команды на рабочие органы по циклограммам распаковки оборудования и доставки его на участок строительства, сборки солнечной электростанции, солнечного концентратора и светопроводной системы, сборки экскавационно-транспортной системы, перемещении фототермической установки при создании ограждающих конструкций строения/укрытия с корректировкой решения нештатных кинематических задач, возникающих в ходе выполнения работ. Выбор решений на корректировку циклограмм осуществляется программой в соответствии с архитектурным планом строения/укрытия, с рельефом местности, с особенностями грунта на участке строительства, с текущей ситуацией процесса создания строения/строений и историей её возникновения. Также программа учитывает данные сенсорной системы о техническом состоянии узлов и ключевых элементов робототехнического комплекса. Контроль над критериями выбора решений и оценку результатов выполнения действий по их осуществлению выполняет подпрограмма стратегического целеполагания и оперативного планирования на основе модифицированных биоинспирированных алгоритмов. Обмен информацией между элементами робототехнического комплекса осуществляется с помощью известных систем радиосвязи.To perform tasks related to the movement of equipment to determine the topographic and geomineralogical characteristics of the terrain, the choice of a construction site, the movement of elements of the excavation and transport system and a photothermal installation, the assembly of the excavation and transport system, the arrangement of solar power panels and reflectors of the solar concentrator and the light guide system with secondary reflectors and a pipeline light guide are used an autonomous mobile manipulator robot aggregated on a highly mobile chassis and equipped with a sensor and navigation system. An adaptive self-learning program for processing the data of the sensor system and generating control commands for the working parts of the robot is installed in the electronic control device of the mobile robot. The program generates control commands for the working bodies according to the cyclograms of equipment unpacking and delivery to the construction site, assembly of a solar power plant, solar concentrator and light-conductor system, assembly of an excavation-transport system, moving a photothermal installation when creating enclosing structures of a building / shelter with adjusting the solution of abnormal kinematic problems arising in the course of work. The choice of solutions for correcting the cyclograms is carried out by the program in accordance with the architectural plan of the structure / shelter, with the terrain, with the peculiarities of the soil at the construction site, with the current situation of the process of creating the structure / structures and the history of its occurrence. The program also takes into account the data of the sensor system on the technical condition of the nodes and key elements of the robotic complex. Control over the criteria for choosing decisions and evaluating the results of the implementation of actions for their implementation is carried out by the subprogram of strategic goal-setting and operational planning based on modified bioinspired algorithms. The exchange of information between the elements of the robotic complex is carried out using known radio communication systems.
Оборудование экскавационно-транспортной системы комплекса собственными приводами для перемещения фототермической установки нецелесообразно, поскольку приводит к избыточности энергопотребляющего массивного оборудования комплекса из-за простаивания мобильного робота во время работы системы.Equipping the excavation-transport system of the complex with its own drives for moving the photothermal installation is impractical, since it leads to redundancy of the energy-consuming massive equipment of the complex due to the idleness of the mobile robot during the operation of the system.
Шасси мобильного робота обеспечивает ему глобальную и частично региональную подвижности. Эти подвижности составляют ключевую способность мобильного робота, определяющую возможность выполнения всего многообразия задач по сборке оборудования и возведению строительных объектов. Для работы в условиях лунной экспедиции шасси должно обладать высокими энергоэффективностью, маневренностью, проходимостью, управляемостью и наблюдаемостью управления. В наибольшей степени таким набором характеристик обладает статически уравновешенное двухколейное двухколёсное шасси – далее одноосное шасси с динамическим управлением остойчивостью. По компоновочным и массогабаритным характеристикам агрегаты на одноосных шасси существенно превосходят аналоги на традиционных многоколёсных и гусеничных шасси. Это обусловлено значительно меньшим коэффициентом концентрации нагрузок на движителях и меньшими динамическими нагрузками на них, а также практическим отсутствием избыточных связей, что позволяет снизить массу силовых элементов конструкции шасси. Высокие динамические характеристики одноосного шасси обеспечивают подавлением маятникового раскачивания корпуса за счёт дополнительной внутренней подвижности в виде возможности управляемого перемещения центра масс робота относительно движителей шасси. Величина смещения центра масс робота и его первая и вторая производные определяются динамическим режимом движения робота и динамикой внешних нагрузок на манипуляторах. Соответственно, сохранение остойчивости робота в динамических режимах работы за счёт относительного смещения центра масс называют динамическим управлением остойчивостью. Структурная схема конструкции статически уравновешенного одноосного шасси известна. Подетальную разработку конструкции шасси проводят в соответствии с техническим заданием на создание робототехнического комплекса. Детали конструкции мобильного робота изготавливают известными способами из известных в аэрокосмической отрасли материалов.The chassis of the mobile robot provides it with global and partially regional mobility. These mobility constitute a key ability of a mobile robot, which determines the ability to perform a variety of tasks for assembling equipment and erecting construction sites. To operate under the conditions of a lunar expedition, the landing gear must have high energy efficiency, maneuverability, maneuverability, controllability and observability of control. To the greatest extent, such a set of characteristics is possessed by a statically balanced two-track two-wheeled chassis - then a single-axle chassis with dynamic stability control. In terms of layout and weight and size characteristics, units on a single-axle chassis significantly surpass their counterparts on traditional multi-wheeled and tracked chassis. This is due to a significantly lower concentration ratio of loads on the propellers and lower dynamic loads on them, as well as the practical absence of redundant links, which allows to reduce the weight of the load-bearing elements of the chassis structure. High dynamic characteristics of a single-axle chassis provide suppression of pendulum swinging of the body due to additional internal mobility in the form of the possibility of controlled movement of the center of mass of the robot relative to the chassis propellers. The magnitude of the displacement of the center of mass of the robot and its first and second derivatives are determined by the dynamic mode of movement of the robot and the dynamics of external loads on the manipulators. Accordingly, maintaining the stability of the robot in dynamic modes of operation due to the relative displacement of the center of mass is called dynamic stability control. The structural block diagram of a statically balanced single-axle chassis is known in the art. The detailed development of the chassis structure is carried out in accordance with the terms of reference for the creation of a robotic complex. The structural parts of the mobile robot are manufactured by known methods from materials known in the aerospace industry.
Основную часть региональной подвижности и локальную подвижность мобильного робота осуществляет/осуществляют манипулятор/манипуляторы. Их конструкцию и силомоментные и динамические характеристики и устройство схватов определяют соответственно массогабаритным характеристикам и особенностям конструкции элементов экскавационно-транспортной системы и элементов конструкций солнечной электростанции и солнечного концентратора, конструкций соединительных разъёмов и муфт кабелей. При разработке конструкций элементов робототехнического комплекса обеспечивают взаимное соответствие между ними и схватами манипуляторов робота, что, в свою очередь, обеспечивает возможность применения простых и надёжных схватов известных конструкций.The main part of the regional mobility and local mobility of the mobile robot is carried out / carried out by the manipulator / manipulators. Their design and the force-moment and dynamic characteristics and the device of the grippers are determined according to the weight and size characteristics and design features of the elements of the excavation-transport system and structural elements of the solar power plant and solar concentrator, the designs of connectors and cable sleeves. When developing structures of elements of a robotic complex, mutual correspondence between them and the grips of the robot manipulators is ensured, which, in turn, provides the possibility of using simple and reliable grips of known structures.
Применяют робототехнический комплекс следующим образом.The robotic complex is used as follows.
Элементы комплекса загружают в транспортный отсек/отсеки посадочного модуля космического корабля для доставки на Луну соответственно массогабаритным характеристикам элементов и центровочным требованиям посадочного модуля и с учётом последовательности выгрузки комплекса после прилунения. После посадки модуля на поверхность Луны в устройстве управления мобильного робота запускаются программы выполнения циклограмм выхода на поверхность Луны, обследования местности в районе посадки, создания цифровой модели рельефа местности с картой распределения мощности и химико-гранулометрического состава слоя реголита, разработки цифрового проекта расположения на местности солнечной электростанции, солнечного концентратора, экскавационно-транспортной системы и конструкции строения/укрытия, согласования проекта с наземным центром управления программой экспедиции. После одобрения центром проекта на роботе запускаются программы выполнения циклограмм выгрузки элементов комплекса и строительных конструкций и их распределения на местности с последующим переходом к сборке систем.The elements of the complex are loaded into the transport compartment / compartments of the lander of the spacecraft for delivery to the Moon in accordance with the mass and size characteristics of the elements and the alignment requirements of the lander and taking into account the sequence of unloading of the complex after lunar landing. After landing the module on the lunar surface, the control device of the mobile robot launches programs for performing the cyclograms of reaching the lunar surface, surveying the terrain in the landing area, creating a digital terrain model with a map of the power distribution and chemical-particle size distribution of the regolith layer, developing a digital project for the location on the solar terrain. power plant, solar concentrator, excavation and transport system and structure / shelter, project coordination with the ground control center of the expedition program. After approval by the project center on the robot, programs are launched to execute the cyclograms of unloading the elements of the complex and building structures and their distribution on the ground, followed by the transition to the assembly of systems.
Для снижения уровня загрязнения элементов конструкций комплекса налипающими частицами реголита может быть использована укладка дорожек и грузовых площадок из доставленной с Земли в рулоне прочной плёнки, предотвращающей контакт движителей мобильного робота и элементов конструкций комплекса с реголитом. Также, может быть использовано закрепление поверхности реголита связыванием её высокоадгезионным пенным материалом из вещества с низким давлением паров насыщения, доставляемого на Луну в баллоне высокого давления. Для этого в программу выработки управляющих сигналов для рабочих органов робота включают циклограммы выполнения укладки плёнки из рулона и/или связывания верхнего слоя реголита пенным материалом из баллона высокого давления.To reduce the level of contamination of the structural elements of the complex with adhering particles of regolith, the laying of tracks and cargo platforms from a strong film delivered from the Earth in a roll can be used, which prevents the contact of the propellers of the mobile robot and the structural elements of the complex with the regolith. Also, the surface of the regolith can be fixed by binding it with a highly adhesive foam material from a substance with a low saturation vapor pressure, delivered to the Moon in a high-pressure cylinder. To do this, the program for generating control signals for the working bodies of the robot includes cyclograms of laying the film from a roll and / or binding the upper regolith layer with foam material from a high-pressure cylinder.
Завершив отработку циклограмм сборки, соединения кабелями и тестирования систем комплекса, мобильный робот переходит к выполнению циклограмм приведения в готовность к работе фототермической установки, активирует солнечный концентратор и запускает экскавационно-транспортную систему. Пенетраторный ков/ковши системы погружаются в реголит и подают реголит на лотки вибротранспортной системы. Поток реголита в виде тонкого слоя перемещается по вибрирующим лоткам и поступает в приёмник-дозатор фототермической установки, затем в термическую камеру или на место спекания в теле ограждающих конструкций строения/укрытия, где подвергается экспонированию высококонцентрированным солнечным светом и превращается в массу симинала и экструдируется в тело ограждающих конструкций возводимого строения, или спекается в слой материала в ограждающей конструкции.Having finished working out the cyclograms for assembling, connecting cables and testing the systems of the complex, the mobile robot proceeds to perform the cyclograms for making the photothermal installation ready for operation, activates the solar concentrator and starts the excavation and transport system. Penetration buckets / buckets of the system are immersed in the regolith and feed the regolith to the trays of the vibratory transport system. The regolith flow in the form of a thin layer moves along vibrating trays and enters the receiver-dispenser of the photothermal installation, then to the thermal chamber or to the place of sintering in the body of the building / shelter enclosing structures, where it is exposed to highly concentrated sunlight and turns into a siminal mass and extruded into the body enclosing structures of the building being erected, or sintered into a layer of material in the enclosing structure.
В ходе возведения твердотельных несущих конструкций строений/укрытий мобильный робот в соответствии с архитектурным планом строения закладывает в тело ограждающих конструкций муфты и разъёмы герметичных вводов кабелей и трубопроводов, а также комингсы люков и иллюминаторов.During the erection of the solid-state supporting structures of buildings / shelters, the mobile robot, in accordance with the architectural plan of the building, lays in the body of the enclosing structures couplings and connectors of sealed cable and pipe entries, as well as coamings of hatches and windows.
Наращивание поглощающей массы ограждающих конструкций строений/укрытий после завершения возведения твёрдотельных несущих конструкций может быть выполнено различными способами и не является предметом данного изобретения.The increase in the absorbing mass of the enclosing structures of buildings / shelters after the completion of the erection of the solid-state supporting structures can be performed in various ways and is not the subject of this invention.
Конкретные численные значения мощности солнечной электростанции и солнечного концентратора, мощности и рабочей частоты виброприводов и т.п. характеристики систем комплекса определяют соответственно техническому заданию на возведение строений/укрытий на Луне, требованиям к полезной нагрузке космической транспортной системы и свойствам реголита на участке строительства.Specific numerical values of the power of a solar power plant and a solar concentrator, power and operating frequency of vibration drives, etc. the characteristics of the systems of the complex are determined in accordance with the terms of reference for the construction of structures / shelters on the Moon, the requirements for the payload of the space transport system and the properties of the regolith at the construction site.
Для сохранения работоспособности комплекса в период лунной ночи используют запасаемую в зарядной станции энергию. Техническое решение задачи обеспечения работоспособности комплекса после лунной ночи может быть реализовано различными способами и не является предметом данного изобретения.To preserve the efficiency of the complex during the moonlit night, the energy stored in the charging station is used. The technical solution to the problem of ensuring the operability of the complex after a moonlit night can be implemented in various ways and is not the subject of this invention.
Технический результат от применения робототехнического комплекса заключается в достижении выполнимости задачи безлюдного создания на Луне строений/укрытий для личного состава лунных экспедиций, систем жизнеобеспечения, научного и/или производственного оборудования посредством, во-первых, снижения номенклатуры, общей массы и габаритов элементов строительного комплекса до уровня, позволяющего доставить весь комплект оборудования для безлюдного возведения строений/укрытий на Луне одним стартом космической транспортной системы. Во-вторых – в радикальном снижении количества перемещающихся по поверхности Луны технических устройств с соответствующим снижением уровня сложности осуществления проекта с доставкой на Луну, приведения в рабочее состояние и эксплуатации строительного оборудования, а также снижения вероятности отказов и аварийных ситуаций.The technical result from the use of a robotic complex is to achieve the feasibility of the task of uninhabited creation on the Moon of buildings / shelters for personnel of lunar expeditions, life support systems, scientific and / or production equipment by, firstly, reducing the nomenclature, total weight and dimensions of the elements of the building complex to a level that allows you to deliver the entire set of equipment for the unmanned erection of structures / shelters on the Moon with one start of the space transport system. Secondly, in a radical decrease in the number of technical devices moving on the lunar surface with a corresponding decrease in the level of complexity of the project with delivery to the moon, bringing into working order and operation of construction equipment, as well as reducing the likelihood of failures and emergencies.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020122348A RU2751836C1 (en) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | Robotic complex for unmanned erection of structures/shelters on the moon |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020122348A RU2751836C1 (en) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | Robotic complex for unmanned erection of structures/shelters on the moon |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2751836C1 true RU2751836C1 (en) | 2021-07-19 |
Family
ID=77019901
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020122348A RU2751836C1 (en) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | Robotic complex for unmanned erection of structures/shelters on the moon |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2751836C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5086999A (en) * | 1986-08-25 | 1992-02-11 | Mullen Charles F | Modular space structure |
| CN103803100A (en) * | 2012-11-11 | 2014-05-21 | 上海市闵行区知识产权保护协会 | Binary star eight-wheel lunar vehicle |
| RU180696U1 (en) * | 2017-04-17 | 2018-06-21 | Федеральное государственное автономное научное учреждение "Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики" (ЦНИИ РТК) | Geological exploration mobile robotic planet rover |
| RU2670836C2 (en) * | 2017-03-28 | 2018-10-25 | Эдуард Владимирович Рахов | Robotic complex for creating building elements on a space object |
| RU2018129132A (en) * | 2018-08-09 | 2020-02-10 | Владимир Дмитриевич Денисов | Interplanetary expedition method and reusable space mission complex |
-
2020
- 2020-07-06 RU RU2020122348A patent/RU2751836C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5086999A (en) * | 1986-08-25 | 1992-02-11 | Mullen Charles F | Modular space structure |
| CN103803100A (en) * | 2012-11-11 | 2014-05-21 | 上海市闵行区知识产权保护协会 | Binary star eight-wheel lunar vehicle |
| RU2670836C2 (en) * | 2017-03-28 | 2018-10-25 | Эдуард Владимирович Рахов | Robotic complex for creating building elements on a space object |
| RU180696U1 (en) * | 2017-04-17 | 2018-06-21 | Федеральное государственное автономное научное учреждение "Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики" (ЦНИИ РТК) | Geological exploration mobile robotic planet rover |
| RU2018129132A (en) * | 2018-08-09 | 2020-02-10 | Владимир Дмитриевич Денисов | Interplanetary expedition method and reusable space mission complex |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Раков А.П. Концепция обитаемого космоса и перспектива колонизации лунной поверхности // Innovative project. 2016. Т.1. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sherwood | Principles for a practical Moon base | |
| Benaroya et al. | Engineering, design and construction of lunar bases | |
| Zhou et al. | In-situ construction method for lunar habitation: Chinese Super Mason | |
| US11383436B2 (en) | System and method for deploying, harvesting, and in-situ three-dimensional printing of structures in an extraterrestrial, environment | |
| Khoshnevis et al. | Contour crafting simulation plan for lunar settlement infrastructure buildup | |
| Howe et al. | Faxing structures to the moon: Freeform additive construction system (FACS) | |
| Leach et al. | Robotic construction by contour crafting: The case of lunar construction | |
| Ulubeyli | Lunar shelter construction issues: The state-of-the-art towards 3D printing technologies | |
| Kelso et al. | Planetary basalt field project: Construction of a lunar launch/landing pad, PISCES and NASA Kennedy space center project update | |
| Mueller et al. | Additive construction with mobile emplacement (ACME) | |
| Sanders et al. | NASA in-situ resource utilization (ISRU) project: Development and implementation | |
| RU2751836C1 (en) | Robotic complex for unmanned erection of structures/shelters on the moon | |
| Mueller | Construction with regolith | |
| CN114876204B (en) | Printing building system for constructing parts and building base under microgravity environment | |
| US20210310353A1 (en) | Nuclear power heavy construction, mining and processing apparatus to make Exo-planetary infrastructures operational for enmasse strategic minerals and water mining production | |
| Linne et al. | Oxygen Production System for Refueling Human Landing System Elements | |
| Boucher et al. | Development and testing of an autonomous regolith excavation and delivery system | |
| Palii | State of the art in the development of orbital industrial platforms | |
| Woodcock | Robotic lunar surface operations: Engineering analysis for the design, emplacement, checkout and performance of robotic lunar surface systems | |
| Lordos et al. | WORMS: A Reconfigurable Robotic Mobility System for Extreme Lunar Terrain | |
| Howe et al. | High-capacity ATHLETE Offloader Mobility Constructor Concept for Human Planetary Surface Exploration | |
| Russo | Multi-functional SElf reconfigurable robotic arm (RAMSEs) and adjoined solar panel preliminary design for lunar entry approach platform for research on ground | |
| von Ehrenfried et al. | Artemis influence on Mars planning | |
| Ventre et al. | Phase-A Design of a Mars South Pole Exploration Mission: MARS PENGUIN | |
| Mission et al. | Human Spaceflight Project-Team Blue-Mission and Logistics Report |