СПУСКОПОДЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО С ПОЛИСПАСТНОЙ СИСТЕМОЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОДЛЕДНИКОВОГО ОЗЕРА «ВОСТОК»

Васильев Н.И.¹, Большунов А.В.², Дмитриев А.Н.³, Подоляк А.В.⁴, Сербин Д.В.⁵

¹Профессор, доктор технических наук, ²Доцент, кандидат технических наук, ³Доцент, кандидат технических наук, ⁴Кандидат технических наук, ⁵Аспирант, Санкт-Петербургский горный университет

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант14-27-00030

СПУСКОПОДЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО С ПОЛИСПАСТНОЙ СИСТЕМОЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОДЛЕДНИКОВОГО ОЗЕРА «ВОСТОК»

Аннотация

В статье рассмотрены вопросы, связанные с техническим обеспечением дальнейших исследований подледникового озера Восток в Антарктиде. Указаны условия, без соблюдения которых невозможно проведение исследований озера с использованием скважины 5Г-2. Рассмотрена принципиальная конструкция доставочного снаряда. Поставлены задачи для проектирования спускоподъемного устройства доставочного снаряда. Подробно рассмотрен вариант спускоподъемного устройства на основе полиспастной системы. 

Ключевые слова: Антарктида, озеро Восток, спускоподъемное устройство  с полиспастной системой.

Vasilev N.I.¹, Bolshunov A.V.², Dmitriev A.N.³, Podoliak A.V.⁴, Serbin D.V.⁵

¹Professor, PhD in Engineering, ²Associate Professor, PhD in Engineering, ³Associate Professor, PhD in Engineering, ⁴PhD in Engineering, ⁵Postgraduate Student, Saint-Petersburg mining university

The work was financially supported by the Russian Science Foundation, grant 14-27-00030

PULLING-AND-RUNNING GEAR WITH REEVING SYSTEM FOR INVESTIGATIONS OF SUBGLACIAL LAKE VOSTOK

Abstract

The paper reviews challenges associated with technical support of further investigations of Subglacial Lake Vostok in Antarctica. It outlines prerequisites indispensable for further surveys of Subglacial Lake Vostok using Borehole 5G-2. A conceptual design of the delivery vehicle is proposed. The paper formulates goals for designing the pulling-and-running gear of the delivery vehicle. A design of a pulling-and-running gear based on the reeving system is studied in details. 

Keywords: Antarctica, Lake Vostok, Borehole 5G-2, pulling-and-running gear with reeving system.

В Антарктике насчитывается более двухсот подледниковых озер [1], которые определяются как скопление воды во впадине коренного ложа под ледником [2]. Озеро Восток является крупнейшим из них, и согласно проведенным российскими специалистами и учеными исследованиям [3, 4] имеет следующие характеристики:

• протяженность береговой черты озера Восток составляет 1030 км, включая 70 км, приходящиеся на острова;
• площадь водного зеркала равна 15,5 тыс. км², исключая 70 км² территории островов;
• водное зеркало располагается на абсолютных высотах, приблизительно от – 800 м в северной части и до –200 м в южной по отношению к уровню моря, его уклон составляет около 0,12°;
• средняя толщина водного слоя составляет около 410 м; объем водного тела – около 6343 км³.

Озеро Восток подразделяется на две неравные по размерам части [4]. Первая из них (южная) является наиболее глубоководной, но меньшей по размеру. Она занимает территорию приблизительно 70×30 км. Преимущественные толщины водного слоя здесь составляют около 800 м. Вторая часть (северная) является относительно мелководной. Она занимает территорию приблизительно 180×60 км. Средняя толщина водного слоя – около 300 м.

Подледниковое озеро Восток было вскрыто 5 февраля 2012 г. в 20.25 МСК [1]. Глубина скважины по длине ледяного керна составила 3769,3 м. Работы по вскрытию в озеро велись сотрудниками Санкт-Петербургского государственного горного университета и Арктического и антарктического НИИ.

Основными направлениями дальнейших исследований таких уникальных систем, как озеро Восток являются [1]:

• изучение биоразнообразия флоры и фауны, обитающих в подобных природных объектах;
• исследование законов эволюции живых организмов, которые на протяжении нескольких миллионов лет не имели контакта с атмосферой;
• исследование земной коры под ледяным щитом Антарктиды с целью познания ее состава и структуры до начала процесса оледенения южного полярного региона (30–40 млн лет назад);
• отработка технологий и инженерных решений в земных условиях для их последующего применения в космических исследованиях по поиску живых организмов на других объектах Солнечной системы.

Проведение данных исследований не возможно без соблюдения ряда важнейших условий:

• экологической безопасности работ;
• устойчивости стенок части скважины, заполненной озерной водой;
• надежности и безотказности работы всех механизмов и систем устройства доставки научно-исследовательской аппаратуры в озеро.

Экологическая безопасность работ состоит в исключении возможности  попадания в  воду озера современных микроорганизмов и опасных веществ (керосина и фреона, используемых в качестве заливочной жидкости), что достигается за счет монтажа всего оборудования, контактирующего с озерной водой, в «чистой» комнате, где возможна его дезинфекция, а также за счет поднятия уровня озерной воды в скважину на высоту до 10 метров.

Устойчивость стенок скважины, заключается в недопущении намерзания  воды,  поднявшаяся в скважину, на ее стенки. Намерзание воды приводит к уменьшению диаметра скважины и к заклиниванию в скважине доставочного снаряда, которого можно избежать путем нагрева воды нагревательными элементами, расположенными вдоль стенок доставочного снаряда.

Надежность и безотказность работы всех механизмов и систем доставочного снаряда могут быть обеспечены за счет использования в его конструкции проверенных узлов бурового снаряда и вновь спроектированных и испытанных в лабораторных и полевых условиях механизмов и систем, обеспечивающих доставку научно-исследовательской аппаратуры в озеро.

Доставочный снаряд [5] (рис. 1) состоит из четырех отсеков, обладающих различной степенью герметизации: кабельного замка 1, электрического отсека 2, моторного отсека 3 и лебедочного отсека 4.

Для крепления снаряда к грузонесущему кабелю  используется стандартный кабельный замок, входящий в используемые буровые снаряды. В электрическом отсеке выполняется соединение токоведущих жил грузонесущего кабеля  с энергопотребителями снаряда. Так же в нем закреплен герметичный электронный блок, через который осуществляется телеметрический контроль и управление работой снаряда.

Моторный и лебедочный отсеки изолированы от окружающей среды. В данных отсеках при проведении спускоподъемных операций в автоматическом режиме поддерживается давление равное давлению в затрубном пространстве, для чего используются стандартные сильфоны. Эти два отсека изолированы друг от друга, и заполнены разными жидкостями. Моторный отсек заполнен экологически чистой кремний органической жидкостью, а лебедочный – дистиллированной водой. В лебедочном отсеке располагается спускоподъемное устройство и научно-исследовательский модуль, посредством которого будет осуществляться проведение мониторинга озерной среды и поверхности дна подледного озера Восток.

Рис. 1 – Принципиальная схема доставочного снаряда (рисунок выполнен  без соблюдения масштаба)

Для перемещения научно-исследовательского модуля в толще озерной воды необходимо спроектировать спускоподъемное устройство, отвечающее следующим техническими параметрами:

• габаритные размеры – длина до 2000 мм, диаметр до 110 мм;
• канатоемкость до 700 м;
• масса спускаемого научно-исследовательского модуля до 20 кг;
• скорость перемещения научно-исследовательского модуля 0,25 м/с.

Проведенный анализ серийно выпускаемых спускоподъемных устройств  показал, что ни один из них не удовлетворяет заданным требованиям, и в первую очередь габаритным размерам. Специфика вскрытия подледникового озера определила необходимость разработки принципиально новой конструкции спускоподъемного устройства.

В данной статье подробно рассмотрено спускоподъемное устройство с полиспастной системой, кинематическая схема которой представлена на рисунке 2.

Рис. 2 – Кинематическая схема полиспастного спускоподъемного устройства

 

Полиспастное спускоподъемное устройство содержит подвижную 1 и неподвижную 2 обоймы с роликами 3. Подвижная обойма 1 выполнена с гайкой 4, жестко соединенной с осью вращения 5  роликов 3 и имеет направляющие стержни 6.

Винт 7 соединен с гайкой 4 и связан с электромеханическим приводом 8, который установлен на корпусе 9 спускоподъемного устройства. Само устройство выполнено в виде цилиндрической трубы и снабжено коническим днищем 10 с центральным отверстием 11 и неподвижными продольными направляющими 12, смонтированными на его внутренней поверхности. Перемещение подвижной обоймы 1 осуществляется парой винт 7 – гайка 4.

Стержни 6 взаимодействуют с продольными направляющими 12 корпуса 9, обеспечивая возвратно-поступательное перемещение подвижной обоймы 1 вдоль оси корпуса 9. Для обеспечения подъема и опускания научно-исследовательского модуля 13 на заданную глубину в корпусе 9 установлены верхние 14 и нижние 15 упоры с конечными выключателями.

При этом расстояние между упорами h обратно пропорционально кратности полиспаста  n  и составляет h = H/n, где H – глубина спуска.

Электромеханический привод спускоподъемного устройства обеспечивается электроэнергией через кабель 16. Для фиксации и центрирования корпуса 9  относительно стенок доставочного снаряда 17 предусмотрена упругая манжета 18, охватывающая корпус 9 с внешней стороны. Соединение спускоподъемного устройства с доставочным снарядом может быть выполнено и через жесткое соединение.

Грузонесущий трос 19 одним концом закреплен на оси 20 неподвижной обоймы 2 и запасован в ручьях роликов 3 подвижной 1 и неподвижной 2 обойм. Свободный конец троса 19 пропущен через отверстие 11 днища 10 и связан с научно-исследовательским модулем 13.

Работа полиспастного спускоподъемного устройства осуществляется следующим образом. В исходном положении подвижная обойма 1 с роликами 3 находится в крайнем нижнем положении. При этом длина грузонесущего троса 19, находящаяся внутри устройства, максимальна.

При включении двигателя привода 8 приводится во вращение винт 7, взаимодействующий с гайкой 4 подвижной обоймы 1 и начинается перемещение подвижной обоймы вверх. Длина ветвей грузонесущего троса 19, находящаяся внутри устройства уменьшается, и научно-исследовательский модуль 13 движется вниз.  В момент, когда верхние концы стержней 6 войдут в контакт с верхними упорами 14 корпуса 9, конечные выключатели отключат двигатель привода 8. Научно-исследовательский модуль 13 опускается на заданную глубину H=h*n. Подъем груза 13 осуществляется реверсированием привода 8, при этом подвижная обойма 1 опускается вниз.

Полиспастная система устройства смонтирована в корпусе, выполненном в виде цилиндрической трубы, диаметр которой составляет 0,9 внутреннего диаметра доставочного снаряда.

На данную кинематическую схему получен патент RU № 2565848.

Основными достоинствами спускоподъемного устройства с полиспастной системой являются:

• простота и надежность конструкции, позволяющая эффективно эксплуатировать устройство в сложных климатических условиях Антарктиды;
• постоянные скорости спуска и подъема научно-исследовательского модуля, позволяющие наиболее эффективно вести различные наблюдения и измерения.

Однако, спускоподъемное устройство с полиспастной системой имеет ограниченную область применения. Стесненные условия расположения блоков в трубе малого диаметра, не позволяют создавать полиспастную систему с большой кратностью и канатоемкостью. Поэтому предполагается использовать спускоподъемное устройство с полиспастной системой при исследовании верхних водных слоев подледникового озера Восток.

Литература

1. Лукин В.В.Путь к изучению вод озера Восток открыт // Проблемы Арктики и Антарктики. 2012. № 1(91). С. 5–19.
2. Котляков В.М., Комарова А.И. География. Понятия и термины: Пятиязычный академический словарь. М.: Наука, 2007. 859 с.
3. Антарктика. Геоморфологический атлас. СПб.: Изд-во «Карта», 2011. 255 с.
4. Масолов В.Н., Попов С.В., Лукин В.В., Попков А.М. Рельеф дна и водное тело подледникового озера Восток, Восточная Антарктида // ДАН. 2010. Т. 433. № 5. С. 693–698.
5. Lukin, V.V. and N.I. Vasiliev, Technological aspects of the final phase of drilling borehole 5G and unsealing Vostok Subglacial Lake, East Antarctica. Annal. Glaciol., 55(65). 83 –89.

 References

1. Lukin V.V. Put` k izucheniju vod ozera Vostok otkryt  // Issues of Arctic and Antarctic. 2012. № 1(91). S. 5–19.
2. Kotlyakov V.M., Komarova A.I. Geographia. Ponyatia i terminy: Piatiyazychiy academicheskiy slovar'. Moscow: Nauka, 2007. 859 s.
3. Antarktika. Geomorfologicheskiy Atlas. St. Petersburg: "Karta" Publishing House, 2011. 255 s.
4. Masolov V.N., Popov S.V., Lukin V.V., Popkov A.M. Rel`ef dna i vodnoe telo podlednikovogo ozera Vostok, Vostochnaia Antarktida // DAN. 2010. P. 433. № 5. S. 693-698.
5. Lukin, V.V. and N.I. Vasiliev, Technological aspects of the final phase of drilling borehole 5G and unsealing Vostok Subglacial Lake, East Antarctica. Annal. Glaciol., 55(65). 83 –89.