2411-3336 2541-9404 Записки Горного института Journal of Mining Institute Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины ΙΙ Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University 10.31897/PMI.2022.53 pmi-15768 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/15768 Геотехнология и инженерная геология Geotechnical Engineering and Engineering Geology Model of a walking sampler for research of the bottom surface in the subglacial lake Vostok Модель шагающего пробоотборника для исследования донной поверхности подледникового озера Восток Shishkin Evgenii V. Шишкин Е. В. Shishkin Evgenii V. shishkin_ev@pers.spmi.ru 0000-0002-9176-1248 Санкт-Петербургский горный университет (Россия) Saint Petersburg Mining University (Russia) Bolshunov Alexey V. Большунов А. В. Bolshunov Alexey V. Shishkin_EV@pers.spmi.ru 0000-0002-3879-7380 Санкт-Петербургский горный университет (Россия) Saint Petersburg Mining University (Russia) Timofeev Igor P. Тимофеев И. П. Timofeev Igor P. Shishkin_EV@pers.spmi.ru 0000-0001-9572-0542 Санкт-Петербургский горный университет (Россия) Saint Petersburg Mining University (Russia) Avdeev Alexey М. Авдеев А. М. Avdeev Alexey М. Shishkin_EV@pers.spmi.ru 0000-0002-8024-793X Санкт-Петербургский горный университет (Россия) Saint Petersburg Mining University (Russia) Rakitin Ilia V. Ракитин И. В. Rakitin Ilia V. Shishkin_EV@pers.spmi.ru 0000-0002-7874-1859 Санкт-Петербургский горный университет (Россия) Saint Petersburg Mining University (Russia) 07 11 2022 2022 257 853 864 14 03 2022 20 06 2022 10 11 2022 © 2022 Е. В. Шишкин, А. В. Большунов, И. П. Тимофеев, А. М. Авдеев, И. В. Ракитин © 2022 Evgenii V. Shishkin, Alexey V. Bolshunov, Igor P. Timofeev, Alexey М. Avdeev, Ilia V. Rakitin 2022 Е. В. Шишкин, А. В. Большунов, И. П. Тимофеев, А. М. Авдеев, И. В. Ракитин Evgenii V. Shishkin, Alexey V. Bolshunov, Igor P. Timofeev, Alexey М. Avdeev, Ilia V. Rakitin Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC BY 4.0) https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/15768

Технологии и технические средства исследования подледниковых озер Антарктиды – новое развивающееся научно-техническое направление, которое на сегодняшний день не имеет четко установленной методологии. На основании разрабатываемой технологии бурения новой скважины доступа к озеру Восток и его вскрытия, а также анализа существующих способов и устройств для отбора проб донных отложений, предложена принципиальная модель пробоотборника с движителем шагающего типа, обладающего способностью передвигаться по различным траекториям и позволяющего вести работы в широком технологическом диапазоне. В предложенной модели устройства предусмотрена его оснастка различными исполнительными органами для взятия проб донной поверхности с разными физико-механическими характеристиками. На основании представленной принципиальной модели шагающего пробоотборника разработана математическая модель устройства на основе методов теоретической механики. В результате выполненных исследований получены зависимости, позволяющие осуществить научно обоснованный выбор оптимальных значений геометрических и силовых параметров шагающего устройства. Разработан концептуальный дизайн шагающего пробоотборника, учитывающий взаимное расположение и сопряжение его основных компонентов, габаритные размеры доставочного снаряда, а также эстетическую составляющую устройства.

Technologies and technical means for investigation of subglacial lakes in Antarctic is a new developing scientific and technical direction, which today has no clearly established methodology. Based on the developed technology of drilling a new access well to lake Vostok and its penetration as well as analysis of existing methods and devices for bottom sediment sampling, a basic model of a sampler with a walking-type mover, capable of moving along different trajectories and operating in a wide technological range, is proposed. The proposed device model is equipped with different actuators for sampling the bottom surface with different physical and mechanical properties. Based on the presented basic model of the walking sampler, a mathematical model of the device was developed, which was based on the theoretical mechanics methods. As a result of conducted research the dependencies were obtained, which allow making a scientifically justified choice of optimal values for geometric and force parameters of the walking sampler. A conceptual design of the walking sampler has been developed, taking into account the mutual location and coupling of its main components, the overall dimensions of the delivery tool, as well as the esthetic component of the device.

 Ключевые слова Антарктида озеро Восток пробоотборник отбор проб подледниковый водоем донная поверхность движитель с шагающим ходом Keywords Antarctic lake Vostok sampler sampling subglacial water body bottom surface walking mover Litvinenko V. Foreword: Sixty-year Russian history of Antarctic sub-glacial lake exploration and Arctic natural resource development // Chemie der Erde. 2020. Vol. 80. Iss. 3. № 125652. DOI: 10.1016/j.chemer.2020.125652 Litvinenko V. Foreword: Sixty-year Russian history of Antarctic sub-glacial lake exploration and Arctic natural resource development. Chemie der Erde. 2020. Vol. 80. Iss. 3. N 125652. DOI: 10.1016/j.chemer.2020.125652 Kapitsa A.P., Ridley J.K., de Q.Robin G. Large deep freshwater lake beneath the ice of central East Antarctica // Nature. 1996. Vol. 381. № 6584. Р. 684-686. DOI: 10.1038/381684a0 Kapitsa A.P., Ridley J.K., de Q.Robin G. Large deep freshwater lake beneath the ice of central East Antarctica. Nature. 1996. Vol. 381. N 6584, p. 684-686. DOI: 10.1038/381684a0 Попов С.В., Шереметьев А.Н., Масолов В.Н., Лукин В.В. Береговая черта подледникового озера Восток и прилегающие водоемы: интерпретация данных радиолокационного профилирования // Материалы гляциологических исследований. 2005. Вып. 98. С. 73-80. Popov S.V., Sheremetev A.N., Masolov V.N., Lukin V.V. The shoreline of subglacial lake Vostok and adjacent water bodies: interpretation of radio-location profiling data. Materialy glyatsiologicheskikh issledovanii. 2005. Iss. 98, p. 73-80 (in Russian). Попов С.В., Лунев П.И. Орография коренного рельефа района подледникового озера Восток (Восточная Антарктида) // Геоморфология. 2012. № 1. С. 81-91. DOI: 10.15356/0435-4281-2012-1-81-91 Popov S.V., Lunev P.I. Orography of the Bedrock Relief of Subglacial Lake Vostok and Its Vicinity (East Antarctic). Geomorfologiya. 2012. N 1, p. 81-91 (in Russian). DOI: 10.15356/0435-4281-2012-1-81-91 Масолов В.Н., Попов С.В., Лукин В.В., Попков А.М. Рельеф дна и водное тело подледникового озера Восток, Восточная Антарктида // Доклады Академии наук. 2010. Т. 433. № 5. С. 693-698. Masolov V.N., Popov S.V., Popkov A.M., Lukin V.V. The Bottom Topography and Subglacial Lake Vostok Water Body, East Antarctica. Doklady Earth Sciences. 2010. Vol. 433. N 2, p. 1092-1097. DOI: 10.1134/S1028334X10080222 Лейченков Г.Л., Беляцкий Б.В., Попков А.М., Попов С.В. Геологическая природа подледникового озера Восток в Восточной Антарктиде // Материалы гляциологических исследований. 2005. № 98. С. 81-91. Leichenkov G.L., Belyatskii B.V., Popkov A.M., Popov S.V. The geological nature of the subglacial lake Vostok in East Antarctic. Materialy glyatsiologicheskikh issledovanii. 2005. N 98, p. 81-91 (in Russian). Попов С.В., Масолов В.Н., Лукин В.В., Попков А.М. Отечественные сейсмические, радиолокационные и сейсмологические исследования подледникового озера Восток, Восточная Антарктида // Лед и снег. 2012. Т. 52. № 4. С. 31-38. DOI: 10.15356/2076-6734-2012-4-31-38 Popov S.V., Masolov V.N., Lukin V.V., Popkov A.M. National Seismic, Radar and Seismological Studies of Subglacial Lake Vostok. Ice and Snow. 2012. Vol. 52. N 4, p. 31-38 (in Russian). DOI: 10.15356/2076-6734-2012-4-31-38 Leitchenkov G.L., Antonov A.V., Luneov P.I., Lipenkov V.Y. Geology and environments of subglacial Lake Vostok // Philosophical Transactions of The Royal Society. A Mathematical Physical and Engineering Sciences. 2016. Vol. 374. Iss. 2059. № 0302. DOI: 10.1098/rsta.2014.0302 Leitchenkov G.L., Antonov A.V., Luneov P.I., Lipenkov V.Y. Geology and environments of subglacial Lake Vostok. Philosophical Transactions of the Royal Society. A Mathematical Physical and Engineering Sciences. 2016. Vol. 374. Iss. 2059. N 0302. DOI: 10.1098/rsta.2014.0302 Казко Г.В., Саватюгин Л.М., Сократова И.Н. Моделирование циркуляции воды в антарктическом подледниковом озере Восток // Лед и снег. 2012. Т. 52. № 4. С 86-91. DOI: 10.15356/2076-6734-2012-4-86-91 Kazko G.V., Savatyugin L.M., Sokratova I.N. Modelling water circulation in the Antarctic subglacial lake Vostok. Ice and Snow. 2012. Vol. 52. N 4, p. 86-91 (in Russian). DOI: 10.15356/2076-6734-2012-4-86-91 Липенков В.Я., Екайкин А.А., Алехина И.А. и др. Эволюция климата, оледенения и подледниковой среды Антарктиды по данным исследований ледяных кернов и проб воды озера Восток (Основные итоги работ по проекту РНФ, 2014-2016 гг.) // Лед и снег. 2017. Т. 57. № 1. С. 133-141. DOI: 10.15356/2076-6734-2017-l-133-141 Lipenkov V.Y., Ekaykin A.A., Alekhina I.A. et al. Evolution of climate, glaciation and subglacial environments of Antarctica from the deep ice core and Lake Vostok water sample studies (Key results of implementation of the Russian Science Foundation project, 2014-2016). Ice and Snow. 2017. Vol. 57. N 1, p.133-141 (in Russian). DOI: 10.15356/2076-6734-2017-1-133-141 Лейченков Г.Л., Попков А.М. Прогнозный осадочный разрез подледникового озера Восток // Лед и снег. 2012. Т. 52. № 4. С. 21-30. DOI: 10.15356/2076-6734-2012-4-21-30 Leychenkov G.I., Popkov A.M. Predicted Sedimentary Section of Subglacial Lake Vostok. Ice and Snow. 2012. Vol. 52. N 4, p. 21-30 (in Russian). DOI: 10.15356/2076-6734-2012-4-21-30 Попов С.В., Масолов В.Н., Лукин В.В. Озеро Восток, Восточная Антарктида: мощность ледника, глубина озера, подледный и коренной рельеф // Лед и снег. 2011. № 1 (113). С. 25-35. Popov S.V., Masolov V.N., Lukin V.V. Lake Vostok, East Antarctic: glacier thickness, lake depth, subglacial and bedrock relief. Ice and Snow. 2011. N 1 (113), p. 25-35 (in Russian). Васильев Н.И., Липенков В.Я., Дмитриев А.Н. и др. Результаты и особенности бурения скважины 5Г и первого вскрытия озера Восток // Лед и cнег. 2012. Т. 52. № 4. С. 12-20. DOI: 10.15356/2076-6734-2012-4-12-20 Vasilev N.I., Lipenkov V.Y., Dmitriev A.N.et al. Results and Characteristics of 5g Hole Drilling and the First Tapping of Lake Vostok. Ice and Snow. 2012. Vol. 52. N 4, p. 12-20. DOI: 10.15356/2076-6734-2012-4-12-20 Васильев Н.И., Лейченков Г.Л., Загривный Э.А. Перспективы получения образцов донных отложений подледникового озера Восток // Записки Горного института. 2017. Т. 224. С. 199-208. DOI: 10.18454/PMI.2017.2.199 Vasilev N.I., Leichenkov G.L., Zagrivnyi E.A. Prospects of obtaining samples of bottom sediments from subglacial lake Vostok. Journal of Mining Institute. 2017. Vol. 224, p. 199-208. DOI: 10.18454/PMI.2017.2.199 Васильев Н.И., Дмитриев А.Н., Липенков В.Я. Результаты бурения скважины 5Г на российской станции «Восток» и исследования кернов льда // Записки Горного института. 2016. Т. 218. С. 161-171. Vasilev N.I., Dmitriev A.N., Lipenkov V.Y. Results of the 5G borehole drilling at russian antarctic station «Vostok» and researches of ice cores. Journal of Mining Institute. 2016. Vol. 218, p. 161-171 (in Russian). Лукин В.В. Путь к изучению вод озера Восток // Проблемы Арктики и Антарктики. 2012. № 1 (91). С. 5-19. Lukin V.V. Path to exploring the waters of Lake Vostok. Problemy Arktiki i Antarktiki. 2012. N 1 (91), p. 5-19 (in Russian). Булат С.А., MarieD., PetitJ. Перспективы поиска жизни в подледниковом озере Восток // Лед и снег. 2012. Т.52. №4. С. 92-96. DOI: 10.15356/2076-6734-2012-4-92-96 Bulat S.A., Marie D., Petit J.-R. Prospects for life in the subglacial lake Vostok, East Antarctica. Ice and Snow. 2015. Vol. 52, p. 92-96 (in Russian). DOI: 10.15356/2076-6734-2012-4-92-96 Siegert M. Proposed Exploration of Subglacial Lake Ellsworth. Antarctica Final Comprehensive Environmental Evaluation. British Antarctic Survey. Technical report. Lake Ellsworth Antarctica, 2012. 87 p. Siegert M. Proposed Exploration of Subglacial Lake Ellsworth. Antarctica Final Comprehensive Environmental Evaluation. British Antarctic Survey. Technical report. Lake Ellsworth Antarctica, 2012, p. 87. Fricker H., Powell R., Priscu J. et al. Siple Coast Subglacial Aquatic Environments: The Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling Project // Antarctic Subglacial Aquatic Environments (Geophysical Monograph Series). 2011. Vol. 192. P. 199-219. DOI: 10.1002/9781118670354.ch12 Fricker H., Powell R., Priscu J. et al. Siple Coast Subglacial Aquatic Environments: The Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling Project. Antarctic Subglacial Aquatic Environments (Geophysical Monograph Series). 2011. Vol. 192, p. 199-219. DOI: 10.1002/9781118670354.ch12 Priscu J., Kalin J., Winans J. et al. Scientific access into Mercer Subglacial Lake: Scientific objectives, drilling operations and initial observations // Annals of Glaciology. 2021. Vol. 62. Iss. 85-86. Р. 340-352. DOI: 10.1017/aog.2021.10 Bolshunov A.V., Vasiliev N.I., Timofeev I.P. et al. Potential technological solution for sampling the bottom sediments of the subglacial lake Vostok: relevance and formulation of investigation goals. Journal of Mining Institute. 2021. Vol. 252, p. 779-787. DOI: 10.31897/PMI.2021.6.1 Siegert M., Clarke R., Mowlem M. Clean access, measurement, and sampling of Ellsworth Subglacial Lake: A method for exploring deep Antarctic subglacial lake environments // Reviews of Geophysics. 2012. Vol. 50. Iss. 1. RG000361. DOI: 10.1029/2011RG000361 Siegert M., Clarke R., Mowlem M. Clean access, measurement, and sampling of Ellsworth Subglacial Lake: A method for exploring deep Antarctic subglacial lake environments. Reviews of Geophysics. 2012. Vol. 50. Iss. 1. RG000361. DOI: 10.1029/2011RG000361 Tulaczyk S., Mikucki J., Siegfried M. et al. WISSARD at Subglacial Lake Whillans, West Antarctica: Scientific operations and initial observations // Annals of Glaciology. 2014. Vol. 55. Iss. 65. P. 51-58. DOI: 10.3189/2014AoG65A009 Tulaczyk S., Mikucki J., Siegfried M. et al. WISSARD at Subglacial Lake Whillans, West Antarctica: Scientific operations and initial observations. Annals of Glaciology. 2014. Vol. 55. Iss. 65, p. 51-58. DOI: 10.3189/2014AoG65A009 Васильев Н.И., Дмитриев А.Н., Блинов П.А. Бурение глубокой скважины на российской антарктической станции «Восток» // Вестник ОНЗ РАН. 2012. Т. 4. № NZ2001. DOI: 10.2205/2012NZ000111 Vasiliev N.I., Dmitriev A.N., Blinov P.A. Drilling of a deep bore-hole at Vostok station (East Antarctica). Vestnik Otdtltnia nauk o Zemle. 2012. Vol. 4. NZ2001 (in Russian). DOI: 10.2205/2012NZ000111 Литвиненко В.С. Уникальная техника и технологии бурения скважин во льдах Антарктиды // Записки Горного института. 2014. Т. 210. С. 5-10. Litvinenko V.S. Unique technics and technology for well drilling in Antarctic ice. Journal of Mining Institute. 2014. Vol. 210, p. 5-10 (in Russian). Litvinenko V.S., Vasiliev N.I., Lipenkov V.Ya. et al. Special aspects of ice drilling and results of 5G hole drilling at Vostok station, Antarctica // Annals of Glaciology. 2014. Vol. 55. Iss. 68. P. 173-178. DOI: 10.3189/2014AoG68A040 Litvinenko V.S., Vasiliev N.I., Lipenkov V.Ya. et al. Special aspects of ice drilling and results of 5G hole drilling at Vostok station, Antarctica. Annals of Glaciology. 2014. Vol. 55. Iss. 68, p. 173-178. DOI: 10.3189/2014AoG68A040 БольшуновА.В., ВасильевН.И., ТимофеевИ.П. идр. Перспективное технологическое решение по отбору проб донных отложений подледникового озера Восток: актуальность и постановка задач исследований // Записки Горного института. 2021. Т. 252. С. 779-787. DOI: 10.31897/PMI.2021.6.1 Bolshunov A.V., Vasilev N.I., Timofeev I.P. et al. Potential technological solution for sampling the bottom sediments of the subglacial lake Vostok: relevance and formulation of investigation goals. Journal of Mining Institute. 2021. Vol. 252, p. 779-787. DOI: 10.31897/PMI.2021.6.1 Litvinenko V.S., Leitchenkov G.L., Vasiliev N.I. Anticipated sub-bottom geology of Lake Vostok and technological approaches considered for sampling // Geochemistry. 2020. Vol. 80. Iss. 3. № 125556. DOI: 10.1016/j.chemer.2019.125556 Litvinenko V.S., Leitchenkov G.L., Vasiliev N.I. Anticipated sub-bottom geology of Lake Vostok and technological approaches considered for sampling. Geochemistry. 2020. Vol. 80. Iss. 3. N 125556. DOI: 10.1016/j.chemer.2019.125556 Масолов В.Н., Лукин В.В., Шереметьев А.Н., Попов С.В. Геофизические исследования подледникового озера Восток в Восточной Антарктиде // Доклады Академии наук. 2001. Т. 379. № 5. C. 680-685. Masolov V.N., Lukin V.V., Sheremetev A.N., Popov S.V. Geophysical Investigation of the Subice Lake Vostok in East Antarctica. Doklady Akademii nauk. 2001. Vol. 379. N 5, p. 680-685 (in Russian). Ласточкин А.Н., Попов С.В., Попков А.М. Рельеф подледниковой котловины оз. Восток (Восточная Антарктида) // Вестник Санкт-Петербургского университета. 2003. № 3. С. 38-50. Lastochkin A.N., Popov S.V., Popkov A.M. Relief of the subglacial basin of Lake Vostok (East Antarctic). Vestnik Sankt-Peterburgskogo universiteta. 2003. N 3, p. 38-50 (in Russian). Попов С.В., Черноглазов У.Б. Подледниковое озеро Восток, Восточная Антарктида: береговая линия и окружающие водоемы // Лед и снег. 2011. № 1. С. 13-24. Popov S.V., Chernoglazov U.B. Subglacial lake Vostok, East Antarctic: Shoreline and surrounding bodies of water. Ice and Snow. 2011. N 1, p. 13-24 (in Russian). Калинин И.С., Бутов И.И., Журавлев А.С., Буянов М.И. Обоснование выбора подводного колонкового пробоотборника для опробования морских россыпей // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015. № 11. С. 250-256. Kalinin I.S., Butov I.I., Zhuravlev A.S., Buyanov M.I. Validation of Choice of an Underwater Core Sampler for Seafloor Placers. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2015. N 11, p. 250-256 (in Russian). Смолов Ю.С. Техника для отбора проб донных осадков. Опыт работ и перспективы // Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2015. № 1 (39). С. 80-90. Smolov Yu.S. Techniks for sampling understurbed underwater sediments is represented. Perspectives of its complety are considered. Geology and Mineral Resources of World Ocean. 2015. N 1 (39), p. 80-90 (in Russian). Da Gong, Xiaopeng Fan, Yazhou Li et al. Coring of Antarctic Subglacial Sediments // Journal of Marine Science and Engineering. 2019. Vol. 7. Iss. 6. № 194. DOI: 10.3390/jmse7060194 Da Gong, Xiaopeng Fan, Yazhou Li et al. Coring of Antarctic Subglacial Sediments. Journal of Marine Science and Engineering. 2019. Vol. 7. Iss. 6. N 194. DOI: 10.3390/jmse7060194 Тимофеев И.П. Шагающие машины для освоения ресурсов морского дна. Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1987. 176 с. Timofeev I.P. Walking machines for seabed resource development. Leningrad: Izd-vo Leningradskogo universiteta, 1987, p. 176 (in Russian). Патент № 2601880 РФ. Шагающее устройство для подводной добычи полезных ископаемых / И.П.Тимофеев, Г.В.Соколова, И.А.Королев и др. Опубл. 10.11.2016. Бюл. № 31. Timofeev I.P., Sokolova G.V., Korolev I.A. et al. Patent N 2601880 RF. Walking device for underwater mining. Publ. 10.11.2016. Bul. N 31 (in Russian). Патент № 166446 РФ. Шагающая буровая установка / И.П.Тимофеев, Г.В.Соколова, Г.А.Колтон и др. Опубл. 27.11.2016. Бюл. № 33. Timofeev I.P., Sokolova G.V., Kolton G.A. et al. Patent N 166446 RF. Walking drilling rig. Publ. 27.11.2016. Bul. N 33 (in Russian).