IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
АВТОНОМНЫЕ БУИ ДАЛЬНЕГО КОСМИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
Цель данного проекта в рамках проблемы существования астероидно – кометной опасности для нашей планеты: предложить идею об автономных источниках питания для космических аппаратов (КА), предназначенных следить за межпланетным пространством в связи с необходимостью целенаправленного поиска потенциально опасных объектов.
Задача работы: изучив соответствующий теоретический материал по астрономии и физике, обосновать своё предложение по созданию комплекса из фото- и термоэлементов для питания КА, выполняющих функции слежения.
Задача работы: изучив соответствующий теоретический материал по физике (о термо- и фотоэлементах) и астрономии, обосновать своё предложение о создании комплекса из фото- и термоэлементов для питания автономных космических аппаратов, выполняющих функции слежения за малыми объектами, осуществляющими потенциально опасное сближение с Землёй. Следовательно, для лучшего изучения предмета исследования должны быть выполнены эксперименты с выбранными источниками тока, а также проведены необходимые расчёты физического и астрономического содержания.
Гипотеза – возможность создания автономных аппаратов дальнего космического обнаружения потенциально опасных космических объектов. Назовём их космические буи. Они будут автономны, так как источники их энергии – природные процессы. То есть будет использоваться излучение Солнца и охлаждение в межпланетное пространство. Объект исследования – источники тока для исследовательских космических аппаратов. Предмет исследования – возможности данных источников тока в условиях космоса и учёт специфики особых параметров орбит движения аппаратов, на которых будут установлены предлагаемые модели источников питания.
Методы исследования – изучение соответствующего теоретического материала по физике и астрономии, выполнение экспериментов с термо- и фотоэлементами, выполнение расчётов и чертежей, относящихся к изготовлению и применению авторской модели источника тока повышенной надёжности. В ходе работы использовалась учебная литература по физике и астрономии для высших учебных заведений, а также сведения из интернета, связанные астероидно - кометной опасностью.
Практическая значимостьи актуальность проекта состоит в следующем. С некоторых пор к жителям нашей планеты пришло осознание опасности, исходящей даже от достаточно небольших космических объектов способных своим падением не только вызвать катастрофу в отдельном регионе планеты, а даже просто уничтожить всю нашу цивилизацию. Следовательно, запуск космических аппаратов, осуществляющих поиск и слежение за приближающимися к земной орбите объектами, имеет большое практическое значение. Таким образом, разработки, предлагаемые для таких аппаратов, улучшающие качество работы всегда будут представлять интерес для разработчиков космических программ. Тем более что в данном проекте речь идёт об источнике питания повышенной надёжности.
Новизной проекта стало авторское предложение комбинированного источника тока на фото- и термоэлементах (являющихся защитными устройствами). Источник питания предназначен для автономных КА. При этом защитные устройства предохраняют его от сбоя в работе или отключения, в случае потери восполнения энергии при разориентировке аппарата по отношению к Солнцу, позволяющему снабжать энергией исследовательский объект сколь угодно долго.
2. Теоретическая часть.
2.1. Фотоэлементы
На пластину n-типа вносится присадка, дающая проводимость р- типа. На глубине 2,5 мкм формируется р-n-переход [1]. При поглощении света появляются избыточные носители заряда за счёт разрыва ковалентных связей. Потенциальный барьер приводит к разделению зарядов. Рис. 1.
2.2. Термоэлементы
Если привести в соприкосновение 2 проводника, то в результате теплового движения электроны переходят из одного проводника в другой. Возникает контактная разность потенциалов. Если в цепи, состоящей из последовательно соединённых двух металлов (или полупроводников) один контакт нагревать, а другой охлаждать, то в цепи появится электрический ток. Направление тока зависит от того, какой контакт нагревают, а какой охлаждают. Это термоэлектрическое явление Зеебека - рис. 2 [1, 2].
2. 3. Астероидно -кометная опасность
Словарь терминов МЧС: опасностикосмические — угроза вероятного падения на Землю (столкновения с Землей) малых космических тел (метеоритов, комет, астероидов и др.[3, 4]), обладающих огромной кинетической энергией. То есть, эта угроза реальна. Тем более что существует гипотеза о вымирании динозавров в результате резкого похолодания, вызванного эффектом «ядерной зимы», спровоцированным падением какого-то объекта из космоса 65 млн. лет назад. В результате погибло ¾ живых существ. Есть также сведения о резкой заморозке (в течение нескольких дней) мамонтёнка упавшего в болото. Страшным примером является Аризонский кратер (рис. 3). Его параметры: 1186х1265 м, глубина 175 м, вал 40- 48 м.
Исследователи насчитали уже 15 000 астероидов, которые представляют потенциальную угрозу для Земли. В неделю обнаруживают до 30 новых околоземных объектов. Стоит вспомнить болид, пролетевший над Челябинском 15 февраля 2013 года (рис. 4). Он вызвал разрушения в сотнях зданий. Пострадало около 1000 человек. Выбитые ударной волной стёкла причинили немалый ущерб. Согласно расчётам до вхождения в атмосферу Земли метеорит имел диаметр 17 метров.
Последний из пролетевших в опасной близости от Земли (16. 10. 16 г.) астероидов имел диаметр 16 - 36 метров. Его обнаружили за 5 дней до сближения. Одним из наиболее опасных считается астероид Апофис, открытый в 2004 году. Его сближения произойдут в 2029 и 2036 году. Эта проблема на стадии проектов. Если взорвать, куда полетят осколки? Покрасить, изменив отражательную способность и дальнейшую траекторию движения? Пока решения нет. Как сказал Д. Рогозин, возможно скоро задача разработки мер по противодействию космической угрозе займёт свое место в космической программе России.
Резюме: Результаты столкновения зависят от величины объектов. Объекты диаметром 20 - 30 м сгорают в атмосфере частично; 30-100 м могут вызвать локальную катастрофу (Тунгусский метеорит был 50 -75 м); 100-500 м - региональную катастрофу; более 1 км - глобальную катастрофу; 10 км – гибель цивилизации.
Падение крупного тела в океан вызовет цунами. Падение на материк – взрыв. Взрывная волна обойдёт вокруг планеты несколько раз, вызывая разрушения. Также произойдёт образование пепла, закрывающего солнце (эффект «ядерной зимы»). Будет спровоцирована тектоническая активность и вулканическая деятельность. Темнота и холод приведут к вымиранию экосистем [5].
При одинаковых размерах метеорита и кометы, она опаснее, так как взрывается на высоте. Для борьбы предлагается ракетно –ядерная технология. Но эксперимент 4.07.05 г. провалился. В комету Темпеле (d=6 км) выстрели с американского КА снарядом 4,5 т в тротиловом эквиваленте. Образовался кратер глубиной с многоэтажный дом и площадью с футбольное поле. Но траектория кометы практически почти не изменилась.
3. Проведение экспериментов.
3.1. Использование фотоэлементов
Эксперименты с фотоэлементами (ФЭ), использующими коротковолновую часть спектра:
а) Освещённость 2 лк, U= 192 мВ, I= 0,05 A. Рис. 5 а.
б) Солнечная батарея - рис. 5 б. U=1 В.
Эксперимент с ФЭ на длинноволновой части спектра – рис. 5в.
3.2. Использование термоэлементов
Термопара (из железа и константана). Прибор состоит из двух проводников, спаянных на одном конце. Проводники закреплены в колодке с двумя клеммами. Диаметр проводников 1,5 мм. Допустимая температура нагрева спая не более 2000С.
Измерения проводились аналоговым миллиамперметром и мультиметром. Таблица 1. В результате хорошей теплопроводности металлов холодный спай прогревается, разность температур уменьшается, термоэдс уменьшается. Сопротивление металла с повышением температуры также увеличивается.
Термостолбик – батарея из 50 металлических термопар (рис. 6). В авторской конструкции также предполагается использование большого количества термопар.
Процесс генерирования электрического тока стабилизируется в результате принудительного охлаждения. Если спаи, горячий и холодный, сделать, наоборот, холодным и горячим, то направление тока меняется на противоположное. Рис. 7 а, б.
Термоэлемент школьный. Состоит из двух полупроводниковых элементов с отрицательной (электронной) и положительной (дырочной) проводимостью.
Для изучения зависимости термоэдс от температуры использовались: тепловизор FLUKE английского производства, пирометр - инфракрасный термометр DT – 811 (Китай), мультиметр Sanwa, производство - Япония. Рис.8. Снимки, полученные тепловизором при работе в режиме 25% инфракрасное излучение и 75 % - видимое, приведены на рис. 9 а,б Температура холодного спая 22 0С, а температура горячего была: 95 0С.
Элемент Зеебека (рис. 10). Это более эффективный термогенераторный модуль. Он вырабатывает термоэдс даже от тепла руки.
Результаты серии экспериментов с элементом Зеебека показали, что его работа наиболее эффективна, если применить дополнительное охлаждение, например, от вентилятора, запитанного от самого же термоэлемента. Работа элемента при этих условиях стабильна (таблица 2.). Но с другой стороны практика показала, что полупроводниковые термоэлементы плохо выдерживают перегрев. Их КПД в этом случае резко уменьшается. Поэтому в предлагаемой конструкции будет рассмотрено применение металлических термопар, хотя они дают меньшую ЭДС.
3.3. Модель термогенератора на элементе Зеебека
В данном случае рассмотрена одна из разработанных авторских моделей термогенераторов. В этой установке элемент Зеебека находится между двумя радиаторами, соединёнными с холодными и горячими спаями элемента. К нему подключена полезная нагрузка и вентилятор, необходимый для повышения КПД. Использование вентилятора для охлаждения холодных спаев и потребляющего часть энергии, производимой элементом Зеебека, поддерживает стабильную работу установки, так как увеличивает разность температур спаев. При нагревании одного из радиаторов в течение 15 с происходит повышение температуры до 6000С. Это приводит к появлению электрического тока, достаточного для работы передатчика радиосигнала. В данной модели в комплект входит также приёмник, подающий при срабатывании уже звуковой сигнал. Работа элемента Зеебека прекращается после окончания нагревания через 35 - 40 с. Напряжение данного источника тока до 4 В.
Таким образом, установка представляет собой модель автономного устройства, предающего радиосигналы. Это модель автономного передатчика, устанавливаемого на космическом аппарате слежения или же на самом астероиде, являющемся потенциально опасным для Земли. Питание приёмника происходит от гальванических элементов, так как он представляет собой аналог приёмного устройства, которое будет располагаться или на поверхности Земли, или на космическом аппарате, выполняющем функцию ретранслятора.
Блок - схема устройства (прототипа маяка или космического буя) и фотография установки представлены на рис. 11 а, б.
4. Автономный комбинированный источник тока повышенной надёжности, использующий солнечную энергию
Предлагаемый проект автономного комбинированного источника тока повышенной надёжности, использующий солнечную энергию, предназначен для космических буев (сигнальных поплавков), передающих данные о перемещении малых тел Солнечной системы, представляющих потенциальную угрозу для нашей планеты.
Источник тока комбинированный, так как в него должны входить и фотоэлементы и термоэлементы. У каждого из них есть свои плюсы и минусы. Так КПД фотоэлементов выше, чем у термоэлементов из металла, а полупроводниковые термогенераторы не смогут выдержать суровые условия космической радиации. При этом работы по использованию карбида кремния всё ещё в стадии разработки. Хотя, видимо, он тоже всё равно не сможет соответствовать требуемым параметрам.
Солнечные батареи (тоже полупроводниковые) в условиях космоса заметно теряют свою эффективность. Кроме того, для фотоэлементов важно их расположение по отношению к Солнцу. Бывали случаи потери связи с космическими аппаратами (КА), так как на солнечные батареи переставал попадать свет.
Необходимость дополнительной установки термогенераторов
Для термогенератора потеря ориентации КА не существенна, так как инверсия холодных и горячих спаев приведёт только к тому, что появится ток противоположного направления. Значит, нужен выпрямитель – рис. 12. Тогда аккумуляторная батарея КА всё равно получит электроэнергию при переворачивании аппарата по отношению к Солнцу. Т. е. в таком аварийном случае у КА всегда будет энергия, чтобы включить электродвигатели и восстановить положение солнечных батарей. Устройство термогенератора на рис.13 а –в. Таким образом, мы получаем источник тока для КА повышенной надёжности. Для его работы требуется солнечный свет, нагревающий одни концы термопар, а охлаждение других концов должно происходить путём излучения в вакуум космического пространства. То есть эти концы находятся в тени специальной пластины (см. рис. 13).
Внешний вид КА с комбинированным источником тока показан на рисунке 14. Аппарат имеет обычные солнечные панели и резервно- аварийные термогенераторы, которые можно поворачивать с помощью электродвигателей. Конструкцией предусмотрено, чтобы термогенераторы изначально были расположены перпендикулярно друг другу. Тогда они смогут обеспечить аварийное питание, так как их работоспособность не зависит от положения в пространстве. Кроме того, их можно использовать как резервный источник питания, если требуется включение дополнительной мощности. Рис. 15.
Дополнительные плюсы термоэлементов
Термоэлементы нагреваются от любых видов излучения, начиная с инфракрасного (λ≈800 нм). Фотоэлемент ( на базе Ge, Se) работает за счёт явления внутреннего фотоэффекта. Необходимая длина волны в этом случае должна быть менее, чем с 300 нм. И хотя качество солнечных батарей непрерывно улучшается, их применение ограничено определённым расстоянием от Солнца. За орбитой Марса солнечной энергии не хватает. На орбите же Венеры их мощность возрастает вдвое, а на орбите Меркурия в 6 раз.
Обычно, если нельзя использовать фотоэлементы (далеко до источника света, пыль на планете) применяют радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ). На КА «Пионер - 10», «Пионер - 11», «Вояджер - 1» и «Вояджер - 2», ушедших к планетам-гигантам и за пределы Солнечной системы, на Марсе для Curiositi стоят РИТЭГи.
Но лучшим топливом является уран -232. Это изотоп с длинной цепью распада и с энерговыделением на порядок большим, чем у большинства других изотопов. Только процесс его получения является дорогим и опасным. Поэтому используют плутоний -238. На «Вояджерах» на трёх РИТЭГах в момент старта мощность КА составляла 470 Вт при 30 В постоянного тока.
Период полураспада плутония-238 примерно 87,74 года, и генераторы, использующие Pu-238, теряют 0,78 % своей мощности в год.
Проект рассматривает фактически возобновляемый источник энергии.
При этом для того, чтобы данные аппараты космического слежения за потенциально опасными объектами ближнего космоса могли охватить больше пространство и обнаруживать эти объекты, пока они ещё далеки от Земли, можно предложить для КА орбиты сходные с орбитой астероида Икар. Рис. 16.
Вдали от Солнца радиопередатчики КА будут работать от аккумуляторных батарей. А приблизившись к центральному светилу, начнут давать ток фото- и термоэлементы.
5. Заключение
Человечество всё больше осваивает космическое пространство, попутно пытаясь решить для себя важную задачу – защиту от падения космических объектов, так как подобные падения уже вызывали на Земле катастрофы, уничтожавшие частично жизнь на планете. Таким образом, запуск КА (космических буев, разбросанных в пространстве), осуществляющих поиск потенциально опасных объектов и слежение за ними, имеет большое практическое значение. И новые инженерные решения для таких аппаратов, улучшающие качество их работы всегда будут востребованы. Тем более, если речь идёт об источнике питания повышенной надёжности. Поэтому предлагаемый для КА комбинированный источника тока с защитными устройствами (термогенераторами) должен найти своё место среди других разработок, тем более, что используя энергию Солнца, он становится возобновляемым источником питания для космического сигнального буя.
6. Литература1. Калашников С. Г. Электричество. − М.: Наука, 1970.
2. Прохоров А.М. Физический энциклопедический словарь. − М.: Советская энциклопедия, 1984.
3. Левитан Е. П. Астрономия. – М.: Просвещение, 1994.
4. Воронцов-Вельяминов Б. А. Астрономия. – М.: Дрофа, 2017.
5. www.mchsmedia.ru/folder/50708/item/5652331 Астероидная опасность
6. studopedia.ru/15_51596_atmosfernie-opasnosti.htmlКосмическиеопасности7. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика – 11. – М.: Просвещение, 2014.
7. Приложение
Рис. 1 – Фотоэлемент Рис. 2 - Термоэлемент
Рис. 3- Аризонский кратер Рис. 4 – Челябинский метеорит
Рис. 5 а, б, в - Эксперименты с фотоэлементами
Таблица 1. Зависимость термоэдс от времени нагревания
|
Время,с |
1 |
2 |
3 |
5 |
8 |
10 |
15 |
20 |
|
Термоэдс ε т, мВ |
0,5 |
1,0 |
1,2 |
1,1 |
0,9 |
0,7 |
0,5 |
0,4 |
С течением времени ЭДС уменьшается, т. к. 2-ой спай тоже прогревается.
Рис. 6 - Термостолбик из 50 термопар
Рис. 7 а, б. - Изменение направления тока при перемене холодного и горячего спаев
Рис. 8 – Тепловизор и пирометрРис. 9 - Съёмка тепловизором
Рис. 10 – Элемент Зеебека -полупроводниковый(rusecoeng.ru)
Таблица. 2. ЭДС элемента Зеебека с охлаждением от вентилятора
|
Время, с |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
80 |
120 |
3 мин |
4 мин |
5 мин |
|
ε Т, В |
0 |
2,5 |
4 |
4 |
4 |
4 |
4 |
4 |
4 |
4 |
Рис. 11а, б - Блок-схема установки и сама установка . ЭЗ - элемент Зеебека , 1 – передатчик, 2 - шифратор, 3 – приёмник, 4 – дешифратор,
5 – источник тока
Рис. 12 – Принципиальная схема использования термогенераторов
резервно - аварийного назначения в космических аппаратах
Рис. 13 а - в – Отдельный модуль термогенератора (вид сбоку,
с двух сторон и изнутри)
Рис. 14 - Космический аппарат с комбинированным источником тока.
1. Космический аппарат
2. Солнечные батареи
3. Электродвигатель для возможного поворота термогенератора
4. Термогенераторы
Рис.15 - Полет КА с комбинированными источниками тока
Рис.16 – Предлагаемые орбиты движения для аппаратов, исследующих ближний космос