V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование систем стабилизации космического аппарата: создание модели электромагнитной стабилизации спутника
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Раньше космос был уделом больших корпораций, запуск космических аппаратов стоил больших ресурсов. Но время не стоит на месте, технологии развиваются, и сейчас на передовую позицию выходят частные космические организации, которые стремятся популяризировать космонавтику среди молодежи. Недавно я познакомился с OrbiCraft-Pro, формата CubeSat малых космических аппаратов. Его система позиционирования вдохновила меня на создание модели электромагнитной стабилизации в домашних условиях.
Цель: Создание модели электромагнитной стабилизации спутника.
Этапы:
Изучение принципов работы систем стабилизации космических аппаратов.
Создание прототипа и окончательного устройства для моделирования.
Решение первоначальных задач.
Создание прототипа:
Разработка и сборка электронного модуля
Сборка прототипа
Испытания прототипа
Выявление минусов
Создание опытного образца
Разработка и сборка электронного модуля
Сборка опытного образца
Испытания опытного образца
Определение оптимального алгоритма управления катушками для уменьшения энергозатрат.
Выявление преимуществ проекта
§1. Изучение принципов работы систем стабилизации космических аппаратов Для того чтобы создать опытный образец, сначала я решил разобраться в том, какие бывают системы стабилизации. Наиболее рациональной, для создания, я посчитал стабилизацию спутников с помощью магнитов. Электромагнитная стабилизация, как уже понятно из названия, основана на использовании электромагнитов и магнитного поля Земли. Именно с помощью него наноспутники типа CubeSat стабилизируют свое положение. Пример нано спутника формата CubeSat представлен в приложении 1 (рисунок 1). Принцип работы данной системы заключается в использовании электромагнитов на поверхности спутника: включая в нужный момент определенную пару электромагнитов можно добиться стабильного положения спутника. §2. Создание прототипа и окончательного устройства для моделирования
Решение первоначальных задач
Перед тем как приступить к реализации проекта, сначала нужно было решить первичные проблемы: среда, в которой будет находиться аппарат, его внешняя форма, проведение расчетов, изготовление электромагнитных катушек и выбор источника внешнего магнитного поля. В качестве среды для испытаний была выбрана вода, находящаяся в небольшой емкости. Выбор формы модели исходил из среды, в которой она будет находиться, поэтому, для уменьшения сопротивления воды, была выбрана форма шара. Ее оболочку было решено сделать из прозрачного подвесного шара. В качестве внешнего магнитного поля были выбраны неодимовые магниты. Для намотки катушек я сделал намоточный станок из LEGO Mindstorms. Фотографии намоточного станка и катушек представлены в приложении 2 (рисунок 1,2).
2.2. Создание прототипа
Сначала я решил собрать прототип, чтобы на нем посмотреть все недостатки нашего концепта. Для того чтобы аппаратом можно было управлять удаленно, в качестве контроллера был взят Wi-Fi модуль ESP-8266. Была разработана, а затем спаяна электронная схема. В качестве источника питания был выбран аккумулятор из портативной зарядки (Power Bank). Катушки управлялись попарно, то есть вдоль одной оси и имелась возможность менять полярность. Затем я приклеил все катушки на места и плату управления с аккумулятором на них. Фотографии схемы платы управления и самой платы управления представлены в приложении 3 (рисунок 1,2) Для упрощения программного кода, я использовал библиотеку Blynk для Arduino. Прототип был готов, оставалось его протестировать. Во время испытаний были выявлены недочеты: выбранный аккумулятор имел металлическую оболочку и притягивался к внешне-установленным магнитам, а также отсутствие центровки у прототипа не позволило проверить стабилизацию по вертикальным катушкам. Но основная концепция стабилизации на электромагнитах была успешно проверена. Фотография готового прототипа представлена в приложении 3 (рисунок 3).
Создание опытного образца
Создание опытного образца мы начали с решения минусов, выявленных в ходе испытаний прототипа, а именно: было решено заменить аккумулятор и уделить повышенное внимание центровке. Работу я начал с чертежа схемы и ее сборки. В качестве контроллера выбрал более мощный вариант предыдущего, а именно Wi-Fi модуль ESP – WROOM – 32. Его мощностей хватило на обработку данных с гироскопа MPU 6050 и осуществление ПИД-регулирования уровнем напряжения на электромагнитах. График регулирования стабилизации опытного образца представлен в приложении 4 (рисунки 1-3). Для удаленного управления образцом на Wi-Fi модуле был развернут веб-сервер. Управление катушками было выбрано раздельным, позволяющее управлять напряженностью и полярностью для каждого электромагнита отдельно. Затем я собрал опытный образец. Фотографии схемы платы управления и самой платы управления представлены в приложении 4 (рисунок 4,5). Примененный аккумулятор на 900mA/h не позволял проводить продолжительные испытания. Поэтому я заменил его на более емкий, что привело к увеличению массы образца, вследствие чего магнитного момента электромагнитных катушек стало не хватать на вращение шара в воде. В связи с этим было решено изготовить станину и проводить испытания на ней, и ограничиться двумя осями регулирования. Фотография готового опытного образца и станину представлены в приложении 4 (рисунок 6, 7).
§3Преимущества проекта
Преимуществами моего проекта являются следующие моменты:
Перспективность: с помощью моей модели можно увидеть, как ведет себя спутник с электромагнитной стабилизацией, и смоделировать поведение спутника в трехмерном пространстве.
Особенность: мой образец позволяет модернизировать алгоритм управления без перепрограммирования устройства, так как веб-сервер выдает информацию о положении образца в пространстве и принимает команды на управление электромагнитами. Таким образом, алгоритм управления можно реализовать на JavaScript в веб-странице, загрузив ее «по воздуху» на устройство.
Простота: на моём опыте вы можете убедиться, что собрать такой образец может и школьник, ведь для этого не нужны какие-то глубокие познания в проектировании космических аппаратов.
Дешевизна: в наше время вопрос финансирования какого-либо проекта стоит если не на первом, то на втором месте это точно. И часто именно из-за нехватки денежных ресурсов, некоторые амбициозные проекты откладывают в долгий ящик, что не скажешь о нашей модели.
Заключение
Итогом моей работы стала работоспособная модель электромагнитной стабилизации спутника. Во время изготовления этой модели я познакомился:
с теоритической и практической сторонами электромагнетизма,
с основными принципами написания программ для Wi-Fi модуля ESP-32 на платформе Arduino,
с особенностями разработки и изготовления электронных устройств,
с программированием Web-приложений.
В ходе работы были выявлены и исправлены недостатки:
ошибочный расчет размеров электромагнитных катушек,
наличие только одного гироскопа создало ограничение для определения положения устройства в любых плоскостях трехмерного пространства.
В будущем планируется:
изготовление внешних электромагнитных катушек для создания однородного магнитного поля и уменьшения колебаний модели.
Литература
Буй Ван Шань - Диссертация на соискание академической степени магистра. Тема: Разработка системы ориентации и стабилизации малых космических аппаратов. http://tm.spbstu.ru/
В.Н. Гущин - Основы устройства космических аппаратов, 2003 .
Интернет-ресурс Geektimes — статья “ Как опереться на пустоту?”. https://geektimes.ru/post/250872/
П.Фортескью, Д.Старк, Г.Суинерд - Разработка систем космических аппаратов, 2017.
А.П. Коваленко - Магнитные системы управления космическими летательными аппаратами, 1975.
Приложение 1
Нано спутник SiriusSat формата CubeSat
Приложение 2
Рис. 1. Намоточный станок
Рис. 2. Электромагнитная катушка
Приложение 3
Рис. 1. Плата управления прототипа
Рис. 2. Схема платы управления прототипа
Рис. 3. Прототип модели
Приложение 4
Рис. 1-3. Графики регулирования стабилизации опытного образца.
Синяя линия – установленная позиция
Оранжевая линия – текущая позиция
Серая линия – значения на ШИМ
Рис. 4. Плата управления опытного образца
Рис. 5. Схема платы управления опытного образца
Рис. 6. Готовый опытный образец.
Рис. 7. Станина с готовым опытным образцом