XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Космический ангар для починки спутников

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Нестеренко А.А. 1Перепелица Б.П. 1Зимнев Р.В. 1Притула Д.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуально развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

908.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность

В околоземном пространстве сейчас находится около 5 тыс. искусственных спутников. Около 2 тыс. из них работающие, остальные выведены из эксплуатации. Нефункционирующие спутники — космический мусор; они создают угрозу действующим спутникам.

Когда спутники ломаются, что происходит на удивление часто, с ними мало что можно поделать. Они становятся дорогими и опасными обломками, вращаясь вокруг Земли в течение многих лет или поколений, пока гравитация в конечном итоге не приведет их к огненной смерти в атмосфере.

Как правило, такие спутники вполне жизнеспособны и могли бы функционировать еще достаточно долгое время. Однако они вынуждены завершить свою работу, так как у них закончилось топливо или случилась поломка. Возникает вопрос: а что, если в космосе были бы орбитальные спутники технической помощи и заправочные станции? 

Цель: Создать модель, которая будет демонстрировать альтернативные способы ремонта и утилизации спутников.

Задачи:

• Изучить строение спутника

• Исследовать как утилизировать спутники.

• Узнать как происходит ремонт спутников

• Изучить как производиться утилизация

• Создать ангар из кубиков Soft

• Создать ракету для анализа спутника

• Создать программу для оператора ангара

• Глава 1. Спутник. Общая информация

Спутником называют небольшое тело, которое совершает вращательные движения вокруг планеты под воздействием силы притяжения. В настоящее время нам известно 44 таких небесных тела.

И спутник Земли (ИСЗ) — космический летательный аппарат, вращающийся вокруг Земли по геоцентрической орбите. (Рисунок1.1,Приложение) Информация

Для движения по орбите вокруг Земли аппарат должен иметь начальную скорость, равную или большую первой космической скорости. Полёты ИСЗ выполняются на высотах до нескольких сотен тысяч километров. Нижнюю границу высоты полёта ИСЗ обуславливает необходимость избегания процесса быстрого торможения в атмосфере. Период обращения спутника по орбите в зависимости от средней высоты полёта может составлять от полутора часов до нескольких лет. Особое значение имеют спутники на геостационарной орбите, период обращения которых строго равен суткам и поэтому для наземного наблюдателя они неподвижно «висят» на небосклоне, что позволяет избавиться от поворотных устройств в антеннах. Информация

В начале космической эры спутники запускались только посредством ракет-носителей, а к концу XX века широкое распространение получил также запуск спутников с борта других спутников — орбитальных станций и космических кораблей (в первую очередь, с МТКК-космоплана Спейс Шаттл). Возможен также воздушный старт спутников. Как средства выведения спутников теоретически возможны, но пока не реализованы также МТКК-космолёты, космические пушки, космические лифты. Уже через небольшое время после начала космической эры стало обычным выведение более одного спутника на одной ракете-носителе, а к концу 2013 года число выводимых одновременно спутников в некоторых запусках ракет-носителей превысило три десятка. В ходе некоторых запусков последние ступени ракет-носителей также выходят на орбиту и на какое-то время фактически становятся спутниками.

Искусственные – созданные людьми небесные тела, которые открывают возможность наблюдать и исследовать планету, а также другие астрономические объекты. Они необходимы для составления карт, прогноза погоды, радиотрансляции сигналов.

Первым в истории был запущен аппарат «Спутник-1». Это случилось в СССР в 1957 году. Последующие запуски были произведены:

США в 1958 году — аппарат «Эксплорер-1»;

Великобританией в 1962 году — «Ариель-1»;

Канадой в 1962 году — «Алуэтт-1»;

Италией в 1964 году — «Сан-Марко-1»;

Францией в 1965 году — «Астерикс».

Самый крупный рукотворный "попутчик" Земли - Международная космическая станция (МКС).

Беспилотные спутники имеют массу от нескольких килограммов до двух десятков тонн и размер от нескольких сантиметров до (в частности, при использовании солнечных батарей и выдвижных антенн) нескольких десятков метров. Являющиеся спутниками космические корабли и космопланы достигают нескольких десятков тонн и метров, а сборные орбитальные станции — сотен тонн и метров. В XXI веке с развитием микроминиатюризации и нано-технологий массовым явлением стало создание сверхмалых спутников форматов кубсат (от одного до несколько кг и от нескольких до нескольких десятков см), а также появился новый формат покеткуб (буквально карманный куб) в несколько сотен или десятков граммов и несколько сантиметров.(Рисунок 1.2, Приложение)

Глава 2. Ремонт спутников

Причины поломки

Некоторые возможные причины поломок спутника в космосе могут включать: Механические повреждения: повреждения структуры и оборудования спутника, вызванные космическим мусором, метеоритами или другими объектами в космосе. Электрические сбои: ошибки в электрических цепях, возникающие из-за радиационных возмущений или других электромагнитных помех. Термальное напряжение: изменения температуры в космосе могут вызвать растяжения. Непредвиденные солнечные вспышки или космические лучи, которые могут повредить электронику на борту спутника. Коррозия компонентов, вызванная экспозицией космической среды, включая солнечное излучение, микрометеориты и другие внешние факторы. Ошибки в процессе проектирования или изготовления спутника, которые могут привести к поломке компонентов или электроприборов

Как правило, чинят спутники в космосе с помощью космических роботов или космонавтов, совершающих выходы в открытый космос из космических кораблей или космических станций. В процессе ремонта могут осуществляться различные работы, такие как замена вышедших из строя компонентов, настройка и регулировка систем, проверка и исправление протечек или повреждений. Важно отметить, что ремонт спутников является очень сложным и опасным процессом, требующим большой квалификации.

Как правило, ремонт космических спутников проводят на Земле в специализированных центрах. Ремонт может включать в себя замену или восстановление оборудования, проведение диагностики и тестирования. Восстановление спутника может включать также запуск новых программ, настройку систем связи и пересчет орбитальных параметров. Кроме того, для проведения ремонтных работ могут использоваться роботы и специализированные инструменты для работы в космосе.

Утилизация спутников в космосе является актуальной темой в настоящее время, так как количество космических объектов, находящихся в орбите Земли, постоянно увеличивается. Один из Способ утилизации спутников называется контролируемым снижением орбиты (Controlled Descent Orbit), который предполагает изменение параметров орбиты, например, путем использования двигателей, чтобы спутник начал падать на Землю с заданной скоростью. При достижении плотных слоев атмосферы спутник сгорает, превращаясь в мелкие частицы, которые не представляют угрозы для поверхности Земли. Этот метод считается одним из самых безопасных и экологически чистых способов утилизации. Другой способ - это использование роботов, специальных устройств и систем, которые могут захватывать, разбирать и утилизировать отдельно. решения этой проблемы проводятся исследования и разработки систем и устройств, которые позволяют захватывать, разбирать и утилизировать старые спутники. Роботы и автоматические системы играют ключевую роль в этом процессе, так как они могут работать в космической среде безопасно и эффективнее.

Глава 3. Практическая часть

3.1. Создание модели

Для демонстрации решения проблемы диагностики и ремонта спутника мы создали ракету и ангар.

Ангар ракеты создан при помощи кубиков soft и в нем находится первый программируемый блок EV3 который играет роль оператора.

Ракета роботизирована и создана на базе конструктора legomindstors в ней используется второй программируемый блок EV3 и 4 мотора.

Ракета передвигается за счет двух больших моторов. Способ перемещения - колесный. (Рисунок 4.1.1, Приложения)

Также у ракеты есть крылья изготовленные из изогнутых балок . (Рисунок 4.1.2, Приложения)

Датчик, который расположен спереди робота, сканирует состояние спутника. Цвета отвечают за состояние спутника: зеленый, спутник не имеет повреждений; желтый, спутник нуждается в ремонте; красный, спутник забирается и утилизируется. (Рисунок 4.1.3, Приложения)

Для этого мы создали спутники из LEGODuplo. (Рисунок 4.1.4, Приложение)

Большой мотор отвечает за передвижение клешней которое осуществляется при помощи реечной передачи.(рисунок 4.1.5, Приложения)

Средний мотор отвечает за захват спутника клешнями при помощи червячной передачи. Также червячная передача позволяет осуществлять плавный и точный захваты (рисунок 4.1.6, Приложения)

3. Программа для оператора ангара

Первым блоком стоит блок “Начало” он нужен для запуска самой программы. Далее идет блок “Цикл” нужен для повторения программы. “Переключатель” нужен для для того, чтобы в зависимости от заданных условий – выполнить один программный блок, вложенных в один из своих контейнеров, который настроен на кнопки управления модулем. В разнице от нажатия кнопок одна переменная

“Переменная” позволяет сохранять информацию настроенная на запись числового значения. Далее ставится еще одна переменная настроенная на считывание и числовое значение. ”Блок обмена сообщениями” используется для отправки “ сообщения” между модулями EV3 по Bluetooth и настроен на отправить и числовое значение. И в конце “цикл” кончается.

3.2 Программа для ракеты

Первый блок “Начало”. Далее усатнаовлен блок «Цикл» - это контейнер, содержащий последовательность программных блоков. Обмен сообщениями настроен на получить и числовое значение.

Переключатель нужен для для того ,чтобы в зависимости от заданных условий – выполнить одну последовательность программных блоков, вложенных в один из своих контейнеров настроен числовое значение. Внешний переключатель запрограммирован на движение ракеты, следуя полученному числовому значению, то есть нажатой кнопки на блоке оператора.

Далее идет еще один внутренний переключатель, который запускается, если получит значение «3». Он настроен на датчик цвета в режиме измерение-цвет. В зависимости от увиденного цвета: зеленого, красного, желтого, запускается одна из программных последовательностей, отвечающая за уничтожение или ремонт спутников.

Если обнаружен желтый цвет, значит спутник можно починить. Включается большой мотор на один оборот, это необходимо для того чтобы клешня выехала. Далее средний мотор выполняет роль клешни и захватывает спутник, запрограммирован на один оборот. Далее большой мотор забирает суптник и клешня открывается.

В случае обнаружения красного цвета происходит уничтожение спутника. В этом случае воспроизводится анимация на экране блока и проигрывается звуковой сигнал «Lazer».

В случае, обнаружения зеленого цвета – спутник исправен, программа работает дальше. (Рисунок 3.2.1, Приложения)

Заключение

В рамках создания проекта наша команда узнала, что батарейки выбрасываются, не выдав энергию до конца, так как остаточной энергии не хватает для работы электроприборов.

Мы изучили устройство, и принцип работы батарейки, после чего создали фонарик, который забирает остаточную энергию у батарейки.

В ходе исследования мы узнали, что батарейки можно соединять последовательно и параллельно, исходя из этого нам пришла идея - создать портативное зарядное устройство из разряженных батареек.

В нашей модели используется отсек на 8 батареек, учитывая, что для заряда телефона требуется 5 вольт, наша модель позволяет разрядить батарейку до 0,6. Для вывода энергии мы использовали модуль понижающего преобразователя с USB разъемом. Для удобства использования мы доработали нашу модель - распечатали кейс для хранения на 3D принтере.

Также нами был разработан макет для использования установки в общественных местах.Принцип работы: люди сдают батарейки в специальные боксы, откуда могут получить в дальнейшем заряд.

Мы создали опрос, в котором 49 процентов ответили, что утилизируют батарейки, а 51 процент хранит дома, а то и вообще выбрасывает. Установка подобных систем, является отличной мотивацией правильной утилизации батареек.

Установка выкачивания остаточного ресурса из использованных батареек является выгодным решением в области:

1. Энергосбережения. Повышает эффективность использования энергии и экономное расходование ресурсов.

2. Экологии. Снижает общее количество выбрасываемых батареек.

Список используемых источников

1. Ремонт на орбите – Наука – Коммерсантъ (kommersant.ru)

2. Умные аппараты будут ремонтировать и заправлять спутники в космосе (econet.ru)

3. Ремонт на орбите – Наука – Коммерсантъ (kommersant.ru)

4. https://asteropa.ru/iskusstvennye-sputniki-zemli/

5. https://fb.ru/article/223141/chto-takoe-sputnik-vidyi-sputnikov

6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Искусственный_спутник_Земли

7. https://studfile.net/preview/3651845/page:8/

8. https://dzen.ru/a/XjnY1NhkaSGP1jwV

9. https://dzen.ru/a/XWyukuz7gACuyOnS

10. Приложения