XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Стыковка модулей Международной космической станции
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Идея работы возникла в результате изучения на уроках окружающего мира в школе темы, посвященной покорению космоса.
Международная космическая станция – пример того, как люди, объединив свои усилия, занимаются научной деятельностью и изучают новую среду для человека – космос.
Макетов Международной Космической Станции существует большое множество, они есть в музеях, обсерваториях и прочих местах, которые хранят память о культурном наследии людей.
АКТУАЛЬНОСТЬ
Полагаю, что моя работа будет актуальна в сфере космонавтики, так как данный сектор жизнедеятельности является довольно закрытым и меньше всего изучен людьми. Кроме того, страны, занимающиеся разработками в данной отрасли, стараются удешевить производство поскольку выход на орбиту требует больших вложений бюджета. Разработанный макет иллюстрирует возможный вариант стыковки модулей Международной космической станции и может быть рассмотрен при поисках нового технологического решения в целях снижения затрат на производство.
Помимо этого, изделие является альтернативой детским игрушкам и возможно сможет заинтересовать подрастающее поколение в изучении космонавтики.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: разработка макета МКС с новым способом стыковки ее модулей.
Вдохновившись различными космическими летательными аппаратами, я решил создать свой макет, который состоял бы из нескольких сборочных единиц, способных присоединяться друг к другу новым способом стыковки и при этом соблюдались бы одновременно два условия:
модули стыкуются прочно;
при стыковке не используются дополнительные скрепляющие средства (клей, скотч и т.д.).
ЗАДАЧИ РАБОТЫ:
1. Изучение 3D-моделирования, как технологии для создания сборочных деталей.
2. Совершенствование навыков в сфере аддитивных технологий и FDM-3D-печати.
3. Привлечение внимания к сфере космонавтики у подрастающего поколения.
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАБОТЫ:
1. Изучение истории создания орбитальных станций, в том числе МКС, а также особенностей способов стыковки их модулей.
2. Проектирование макета МКС с новым способом стыковки его модулей.
3. Распечатывание макета МКС.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАБОТЫ
Орбитальная станция — космический аппарат, предназначенный для долговременного пребывания людей на околопланетной орбите с целью проведения научных исследований в условиях космического пространства, разведки, наблюдений за поверхностью и атмосферой планеты, астрономических наблюдений и т.д.
На орбитальных станциях имеется комплекс технических систем, обеспечивающих коррекцию орбиты станции, ее ориентацию, стабилизацию, стыковку с транспортными кораблями, снабжение электроэнергией (солнечные батареи), жизнедеятельность и безопасность экипажа, связь с центром управления полётами, и выполнение поставленных задач.
В настоящее время орбитальные станции имеют модульную архитектуру, т.е. состоят из модулей — секций, доставляемых на орбиту по отдельности, и собираемых в единое целое уже на орбите. Такая технология позволяет построить станцию с массой, многократно превышающей массу корабля, который доставляет модуль на орбиту.
Ярким примером современной орбитальной станции является Международная космическая станция.
Стыковка — процесс и способ соединения космических аппаратов с помощью стыковочного механизма, допускающего в дальнейшем рассоединение (расстыковку) таких космических аппаратов и продолжение их полётов по отдельности. При этом осуществляется механическое соединение, достаточно прочное для управления полётом одного аппарата с помощью состыкованного с ним другого. Стыковочный механизм может соединять (и не соединять) электрические схемы и гидравлические системы аппаратов; он может также содержать люк для перехода космонавтов из аппарата в аппарат, иметь возможность для перекачки между стыкующимися аппаратами воды и горючего.
Проблема стыковки остро встала перед создателями космических аппаратов в связи с полетами на Луну с высадкой на ней. Первые технически реализуемые предложения по стыковке датируются 1962 году.
Так, 12 августа 1962 года состоялся первый групповой полет пилотируемых кораблей «Восток-3» и «Восток-4» на Луну. Он стал первым шагом на пути решения задачи сближения и стыковки космических аппаратов на орбите. Максимальное сближение кораблей тогда составило порядка 6,5 км.
С этого периода предпринимались попытки стыковки различных вариантов космических аппаратов (беспилотных и пилотируемых), имели место различные способы перехода экипажей из одного корабля в другой (с выходом в открытый космос и без такового). В марте 1969 года была осуществленапервая в мире стыковка космических кораблей с переходом экипажа через стыковочный узел. Основные разработки и эксперименты по данному направлению предпринимались учеными и космонавтами СССР и США.
В настоящее время процесс стыковки происходит по следующему алгоритму: дальнее сближение; ближнее сближение; стыковка, которая начинается с причаливания.
В процессе стыковки специальные выступающие элементы стыковочных агрегатов входят в механическое зацепление, после чего начинается стягивание объектов, по окончании которого происходит сцепка замков. Далее проверяется герметичность стыка, после чего можно открыть люки и переходить из объекта в объект. При стыковке объектов большой массы стык дополнительно усиливается изнутри съёмными стяжками.
Стыковочные агрегаты делятся на два больших класса — активно-пассивные и универсальные.
Активно-пассивные стыковочные агрегаты различаются по конструкции и устройству на двух стыкующихся космических аппаратах. Как правило, это активный щуп и пассивный конус. При этом активный корабль не может состыковаться с другим активным, а пассивный — с другим пассивным.Однако данный способ стыковки обладает преимуществом по возможности стыковки кораблей большой массы. Ярким примером такого класса стыковочных агрегатов является российская Система стыковки и внутреннего перехода, которая применялась на всех космических кораблях типа «Союз» (за рядом исключений), «Прогресс» и ряде других советских и российских космических аппаратах.
Универсальные стыковочные агрегаты или андрогинно-периферийные агрегаты стыковки (АПАС), напротив, уступают по возможности стыковки массивных космических аппаратов, при этом могут стыковаться с любым космическим аппаратом, также имеющим универсальное соединение, что является их преимуществом. Примером универсальных стыковочных агрегатов является АПАС-75, АПАС-89, АПАС-92 и другие.
На международной космической станции используются оба класса стыковки: активно-пассивные стыковочные агрегаты — для стыковки модулей «Звезда», «Рассвет», «Поиск», а АПАС — для стыковки челноков Шаттл и для присоединения функционально-грузового блока «Заря».
ПРАКТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАБОТЫ.
При решении задач, которые я поставил перед собой при создании макета, я остановил свой выбор на разработке активно-пассивного стыковочного агрегата. При этом пару активный щуп – пассивный конус я заменил парой активный винт – пассивная гайка, соединение данных деталей будет происходить посредством винтового скручивания.
Разработка макета началась с изготовления чертежей (приложение 1), которые мне помогал делать мой руководитель.
Далее, я создавал свой макет в браузерной программе «Tinker-CAD». Моделирование представляло собой процесс создания сложных форм из простых стереометрических фигур (параллелепипед, сфера, конус и т.п.).
Вначале я наращивал формы, добиваясь правильной геометрии, а затем при помощи булевой операции делал необходимые отверстия. Таким образом, получилось создать основу макета, к которой предстояло добавить винтовое соединение. Для его реализации я использовал готовый примитив винтовой резьбы.
Для тех сборочных единиц, в которые будет вкручиваться резьба, я произвел булевую операцию, а к вкручиваемым элементам присоединил винтовую часть, сделав зазор в 2 мм для улучшения вкручивания.
Для изготовления модели посредством 3-Д принтера мы с руководителем настроили программу-слайсер (Ultimaker cura). Мы начали с позиционирования объекта в программе, а именно выбрали положение, в котором модель имела меньше всего поддержек, и приступили к настройкам печати. Были внесены следующие настраиваемые параметры:
Диаметр сопла - 0.4 мм;
Диаметр прутка – 1.75 мм;
Высота слоя – 0.3 мм;
Ширина линии – 1.2 мм;
Материал – PETG серого и черного цветов;
Заполнение – 10 %;
Форма заполнения – треугольник;
Поддержки включены – плотность 10%, зазор по X, Y, Z – 0.1, 0.1, 0.2 соответственно;
Температура стола – 75 градусов;
Температура сопла - 230 градусов;
Охлаждение – 50 %, со второго слоя;
Скорость печати – 45 мм/c.
В итоге расчетное время печати составило 5 ч. 45 мин. Печать производилась на принтере FLYING BEAR GHOST 5.
После этого я записал управляющий G-code на носитель Micro-SD, и вставил в принтер. Руководитель показал мне, как калибруется стол станка для равномерной выкладки слоев, затем мы покрыли стол адгезивным 3D-клеем и запустили печать.
По окончанию печати я снял модели со стола с помощью шпателя и отделил поддержки ручными инструментами (плоскогубцы, пинцет, пассатижи). Слои разных пластиков хорошо спеклись, ничего не сломалось и после отделения поддержек, используя наждачную бумагу P80, я ошлифовал поверхности, на которых были поддержки.
Также руководитель показал мне вариант химической обработки пластика дихлорметаном. Данный химикат является растворителем и сглаживает неровные места. Им мы обработали отшлифованные поверхности.
Далее я нанес машинную смазку на винтовые соединения, после чего смог легко соединить сборочные единицы в итоговую модель (фото макета – приложение 2).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе работы я изучил литературу, посвященную покорению космоса, в которой можно почерпнуть теоретические знания, необходимые для создания макета. Также я посетил Государственный музей истории космонавтики имени Циолковского в г. Калуге и музей Первого полета в г. Гагарине Смоленской области (ранее – Гжатск, родина Юрия Алексеевича Гагарина).
Полагаю, что идея разработки нового способа стыковки модулей Международной космической станции реализована в получившемся макете. На практике удалось запрограммировать и изготовить отдельные модули, которые соединяются между собой посредством винтового скручивания. При этом оба условия, которые я планировал реализовать в макете, соблюдены: модули стыкуются между собой плотно, для их соединения не используются дополнительные скрепляющие средства (клей, скотч и т.д.).
В дальнейшем я планирую создать еще макеты космических летательных аппаратов, которые могу предоставить для изучения своей школе. Также я собираюсь создать прототип ракеты-носителя с реактивным двигателем, взяв за основу каркас, который изготовлю при помощи 3D-печати.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ:
«Союз» и «Апполон», рассказывают советские ученые, инженеры и космонавты – участники совместных работ с американскими специалистами. Москва, издательство политической литературы, 1976
Д. Фарндон, А. Миронов. Детская энциклопедия космоса. Москва, Эксмо, 2011
Советский энциклопедический словарь. Издание четвертое. Москва, «Советская энциклопедия», 1987
https://gagarin.energia.ru/news/6-2011-02-21-05-50-42/93-2012-07-26-09-01-52.html
https://www.roscosmos.ru/25932/
https://gmik.ru/otdely/muzey-kosmonavtiki/
https://astronaut.ru/bookcase/books/stan_mir/text/07.htm
https://rg.ru/2019/01/15/pervaia-stykovka-korablej-na-orbite-mogla-zakonchitsia-tragicheski.html
https://chaltlib.ru/articles/resurs/jubilei_goda/god_rossijjskojj_kosmonavtik/ubileinie_dati_2014_goda/pervaya_stikovka_dvux_pilotiruemix_apparatov/
Приложение 1
Приложение 2
На данных фотографиях можно увидеть, что детализация объектов сохранилась, сборка удалась, модель получилась двухцветной.