W IEEE/ASME Transactions on Mechatronics (Volume: 21, Issue: 5, Oct. 2016) opublikowano pracę na temat: Nowa koncepcja urządzenia do pobierania próbek regolitu w warunkach mikrograwitacji. W pracy zaprezentowano koncepcję urządzenia nazwanego PACKMOON, przeznaczonego do pracy w warunkach planetarnych o obniżonej lub zerowej grawitacji.

Główna zasada działania urządzenia wykorzystuje dwa kluczowe założenia: (i) wbijanie pół - sferycznych elementów w regolit wykorzystując mechanizm młotkujący, oraz (ii) minimalizację interakcji z lądownikiem poprzez podwojenie systemu (młotek, obudowa, masa wspomagająca) w ten sposób, że każdy z nich działa w tym samym kierunku rotacyjnym, ale o przeciwnym zwrocie.

Przedstawiono model matematyczny urządzenia podczas pojedynczej fazy działania wraz z prezentacją przepływu energii i momentu pędu pomiędzy podsystemami i estymacją ruchu sferycznych szczęk. Potwierdzono poprawę efektywności urządzenia w stosunku do poprzednich rozwiązań penetrometrów opracowanych w CBK PAN (rycina po lewej stronie).

Symulacje numeryczne zostały potwierdzone na drodze eksperymentalnej i w efekcie pozwoliły na optymalizacje parametrów systemu. Uzyskano model laboratoryjny urządzenia mechatronicznego PACKMOON (rycina po lewej stronie), który efektywnie wykorzystuje dostępną moc do pobierania próbek regolitu z relatywnie twardych powierzchni (do około 5-7 MPa), jednocześnie minimalizując interakcje mechaniczne z lądownikiem. Dodatkowo, proces pobierania próbki regolitu nieznacznie wpływa w sensie termicznym i mechanicznym na pobieraną próbkę, co nadaje urządzeniu nowej naukowej jakości. Kwestia ta była jednym z kluczowych problemów dla planowanej misji kosmicznej ESA Phobos Sample Return.

Bardzo istotne było eksperymentalne potwierdzenie zasady działania PACKMOONa. Testy zostały przeprowadzone z wykorzystaniem dwóch funkcjonalnych makiet urządzenia, które posiadały nominalne rozmiary szczęk sferycznych, nominalne wartości inercji młotków, natomiast ich energia kinetyczna mogła być zmieniana. Makiety były zbudowane w ten sposób, aby mieć łatwy dostęp do wszystkich elementów mechanizmu, łatwo zmieniać poszczególne elementy mechaniczne, a co się z tym wiąże -  zdobyć eksperymentalne doświadczenie związane z omawianym urządzeniem. Uzyskane rezultaty były zarówno ilościowe – tj. masa pobranej próbki, określona liczba uderzeń potrzebnych do pobrania próbki, określony wpływ energii młotka na ruch sferycznych szczęk, jak również jakościowe – tj. przede wszystkim obserwacja sił i momentów sił działających na lądownik.

Karol Seweryn

Edycja: Joanna Pietrzak