VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Моделирование посадки ракеты в ручном режиме на поверхность Луны в среде Pascal ABC.NET
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Современный мир нельзя представить без изучения космоса. Каждый день учёные изучают звёзды и совершают новые открытия. Актуальность темы. Одной из проблем, является посадка ракеты на поверхность планеты. Ни один полёт не совершается без моделирования полёта и посадки.
Постановка проблемы. Организация пилотируемого полета довольно сильно отличается от беспилотных миссий, но в любом случае все работы по проведению динамических операций в космосе можно разделить на два этапа: проектный и оперативный, только в случае пилотируемых миссий эти этапы, как правило, занимают значительно больше времени. Мы рассмотрим проектный этап, частью которого является изучение модели ручной посадки ракеты на планету.
Целью данной работы является создание программы, которая будет моделировать посадку ракеты на планету.
Основные задачи:
- проанализировать историю освоения Луны;
- изучить среду программирования Pascal ABC.NET;
- написать программу;
- протестировать, написанную программу;
- исправить ошибки в программе;
- наметить дальнейшие цели
Объект исследования – полет ракеты.
Предмет исследования - программа, моделирующая посадку ракеты на ровную площадку планеты.
В нашем исследовании мы использовали следующие методы:
- анализ литературы;
- метод опроса (опрос обучающихся о важности освоения космоса, важности затронутой темы);
- статистический метод (по результатам опроса в программе Exel построили диаграммы и сделали выводы);
- экспериментальный метод при написании и отладке программы.
- метод анализа (проанализировали несовершенство программы и наметили пути её модернизации)
Глава 1. Исторический обзор полетов на луну (теоретическое исследование)
Космическая гонка. История. Советский Союз на Луне. В день 45-летия приземления первых людей на Луне «Русская планета» вспоминает о советской лунной программе. Через месяц после полета в космос Гагарина президент США Джон Кеннеди дал НАСА четко определенную цель: «Если мы можем добраться на Луну до русских, то мы должны это сделать». Выступлению Кеннеди предшествовали несколько лет космических триумфов СССР, в том числе успешные полеты к Луне и съемка ее обратной стороны. Это был вызов. Спустя всего восемь лет, 21 июля 1969 года, Нил Армстронг и Базз Олдрин стали первыми из 12 американцев, посетивших спутник Земли. Еще через три года члены последней миссии «Аполлон-17» не просто сделали «маленький шаг», а уже во всю катались на лунном ровере по Морю Ясности.
Мечта о колонизации космоса. Те шесть экспедиций в неизвестность за 300 тысяч километров от родной планеты вдохновили поколения астронавтов, фантастов и мечтателей. Человечество на мгновение поверило в колонизацию космоса. Но практическая сторона лунной программы была не столь радужной: за миллиарды долларов на Землю привезли почти полтонны пыльного реголита с довольно сомнительной научной ценностью. В 1970-х годах американские власти навсегда отвернулись от идеи пилотируемых полетов на Луну. Политическая задача космической гонки была уже выполнена. В сентябре 1963 года американский президент вновь поднял эту тему на Генеральной Ассамблее ООН: «Почему первый полет человека на Луну должен быть делом межгосударственной конкуренции? Зачем нужно Соединенным Штатам и Советскому Союзу, готовя такие экспедиции, дублировать исследования, конструкторские усилия и расходы? Уверен, нам следует изучить, не могут ли ученые и астронавты наших двух стран, а по сути всего мира, работать вместе в покорении космоса, послав однажды на Луну в этом десятилетии не представителей какого-то одного государства, но представителей всех наших стран».
Советская и американская лунные программы.
Советская пилотируемая лунная программа, возможно, была обречена изначально — с самого старта в ней господствовала неразбериха. Никакого единого плана и графика не существовало. Над ракетами-носителями и самими лунными модулями в 1960-х годах секретно трудились сразу три конструкторских бюро знаменитых советских инженеров — Королева, Челомея и Янгеля.
Королев работал над сверхтяжелой ракетой Н-1, Челомей — над тяжелой УР-500 и сверхтяжелой УР-700, Янгель — над сверхтяжелой Р-56. Независимую оценку эскизов по поручению правительства провел академик Мозжорин. От проекта Янгеля в конце концов отказались, поручив строить Н-1 и УР-500. У Челомея в те годы трудился Сергей Хрущев, в том числе над разработкой УР-500.
Королев предлагал собирать тяжелый межпланетный корабль на орбите. Для этого предназначалась сверхтяжелая Н-1 с 30 двигателями, работу которых следовало тщательно скоординировать.
Е ще одна модификация Союза — 7К-ЛОК (Лунный Орбитальный Корабль). При достижении лунный орбиты от него должен был отсоединиться ЛК — Лунный Корабль, на котором один космонавт спустился бы вниз. Шансы на успех понижало и то, что СССР не организовал предварительную съемку участков Луны с близкого расстояния для выбора места посадки космонавтов. Поэтому наша программа, моделирующая ручную посадку ракеты (лунного корабля) представляет научный и практический интерес.
Американская лунная программа. В США для этого были совершены 13 успешных полетов.
Наш лунный корабль состоял из герметичной кабины, в которой мог поместиться только один космонавт, отсека с двигателями ориентации с пассивным агрегатом стыковки, приборного отсека, лунного посадочного агрегата и ракетного блока. Солнечных панелей на нем установлено не было — электроснабжение осуществлялось химическими аккумуляторами. ЛК трижды запускали пустым на околоземную орбиту, где проводили имитацию полета к Луне — последний раз в 1971-м. По результатам тестов было решено, что лунный модуль полностью готов к пребыванию на земном спутнике. Однако в начале семидесятых толку от запоздалого успеха было мало — американцы успели уже несколько раз побывать на спутнике.
С запусками Н1, на которую возлагали наибольшие надежды по доставке к Луне ЛОК и ЛК, не заладилось. Смерть в 1966 году академика Королева, возглавлявшего большую часть работ, поставила проект под вопрос. Труд продолжил его соратник Василий Мишин.
Сбои автоматической системы управления.
Первый пуск весной 1969 года закончился падением в 50 километрах от космодрома: автоматическая система управления, перегревшись, отключила все двигатели. Значит важность моделирования ситуации, когда посадку нужно осуществлять в ручном режиме, подтверждена исторически и дорого оплачена. Во время второго, за две недели до полета «Аполлона-11», загорелся один из двигателей, из-за чего автоматика отключила остальные 29. Ракета упала прямо на стартовую площадку Байконура, разрушив всю инфраструктуру. Что привело к проигрышу в космической гонке: спустя 11 дней американцы высадились на Луну, а нашу пусковую площадку только-только начинали отстраивать заново. Ремонт занял два года.
Принципиально иной вариант пилотируемого полета предлагал академик Челомей — отправить на сверхтяжелой УР-700 корабль его же производства ЛК-700 напрямую к Луне без сборки на околоземной орбите. Полезный груз ракеты на низкой околоземной орбите должен был быть около 150 тонн — на 60 тонн больше, чем у королевской Н-1. В спускаемом аппарате Челомея могли поместиться два космонавта.
УР-700-ЛК-700 предназначался не только для пилотируемых полетов туда и обратно, но и создания на Луне стационарных баз. Однако экспертная комиссия разрешила лишь проведение эскизного проектирования комплекса. В результате именно челомеевская средне-тяжелая УР-500 стала главной советской космической ракетой. В начале шестидесятых ее разрабатывали одновременно и как межконтинентальную баллистическую ракету с боеголовкой, и как ракету-носитель для космических аппаратов массой 12-13 тонн. В работе осталась только ракета-носитель космических аппаратов, и уже в 1965 году провели серию успешных пусков.
Успехи роботизированного исследования космоса.
Советский Союз не смог отправить к Луне ни одного человека, но делал огромные успехи в роботизированном исследовании космоса, на которое сделают ставку Соединенные Штаты после последнего «Аполлона». Отправленная УР-500 Луна-17 приземлилась в районе Моря Дождей. Через два с половиной часа после посадки по трапу с посадочной платформы съехал Луноход-1 — первый в мире движущийся аппарат для работы на инопланетной поверхности. Он проработал 10 месяцев или 11 лунных дней, проехал 10 километров и выполнил исследования грунта в 500 точках. Ездил, в основном, по равнине южнее Залива Радуги в Море Дождей.Через год после последнего посещения Луны американцами на нее приземлится Луноход-2. Его высадили в кратере Лемонье на восточном берегу Моря Ясности. В отличие от своего старшего брата, он передвигался гораздо быстрее и за четыре месяца проехал почти 40 километров. Пройдет еще несколько лет и СССР с США окончательно свернут свои лунные программы — на этот раз уже роботизированные. Последней станет Луна-24 в 1976 году. Лишь только в 1990-м Япония запустит свой первый лунный зонд «Хитен», став третьим государством, устремившемся к спутнику Земли.
Вывод. Наша страна за многие годы освоения космоса так и не смогла высадить на поверхность Луны наших космонавтов. Причин этому достаточно. Одна из них сбои автоматики. Поэтому моделирование посадки ракеты в ручном режиме на поверхность Луны является актуальной, важной и экономически необходимой. Проблема колонизации Луны осталась не решенной. Пока она не будет решена, многие люди будут работать над её решением и надеемся наша работа внесет небольшой вклад в её решение.
Глава 2. Моделирование посадки ракеты в ручном режиме на поверхность Луны в среде Pascal ABC.NET . Практическое исследование
Опрос.
Перед началом решения наших главных задач мы провели опрос обучающихся параллели девятых классов (9-А,9-Б, 9-В) в количестве 58 человек. Вопросы и ответы были такие:
Считаете ли Вы важным вопрос колонизации космоса? Да – 58%;
Считаете ли Вы, что космонавты России должны высадиться на Луне? Да – 44% ;
Считаете ли Вы важным вопрос о посадке на Луну в ручном режиме? Да – 82% ;
Представляете ли Вы себя в роли космонавта, высадившимся на Луну? Да – 15% ;
Выполнение проекта.
Определившись с тем, что наша тема интересна ровесникам, мы приступили к решению намеченных задач.
Составили план. Работа над программой продолжалась в течение двух месяцев. Начали с генерации ландшафта, что заняло большую часть времени. Позже мы занялись полётом ракеты. Это было довольно сложным, поскольку нужно было дать физические свойства картинке и одновременно управлять ею с помощью клавиатуры.
Краткое описание алгоритма программы.
Запуск программы. Садится ракета на поверхность планеты. На неё действует сила гравитации планеты. Ракета под силой гравитации опускается вниз. При нажатии кнопки вверх, включаются двигатели. Ракета, набирая скорость, летит вверх, тем самым преодолевает силу гравитации. Скорость ракеты нелинейная. Главной целью является посадить ракету на ровный участок планеты. Для её достижения в программе есть кнопки влево или вправо. Нажимая на них, ракета включает соответствующие двигатели и смещается в указанном направлении. Когда ракета садится на острую скалу планеты, она должна взорваться. В программе эта функция не доделана, ракета просто опускается вниз.
Перспективы дальнейшего исследования
Мы ещё работаем над программой. Следующим шагом будет добавление физических свойств ландшафту. Затем планируем написать скрипты для повреждения ракеты в случае прикосновении к острым скалам и сделать полёт более реалистичным. Это позволит исследовать расход топлива ракеты.
Выводы. Выяснилось, что часть молодежи интересуется освоением космоса и хочет связать свою профессию с его исследованием. Профессия программист востребована и в данном направлении. Программа, написанная нами, работает. Она является информационной моделью посадки ракеты в ручном режиме на поверхность планеты. Эта модель недостаточно совершенна. Она требует детальной проработки. Видя недостатки программы, мы наметили дорожную карту дальнейшей работы над ней.
Заключение
Наша тема очень актуальна и востребована. Нами достигнута цель нашей работы: создана программа моделирующая посадку ракеты в ручном режиме на поверхность планеты. Достигнуты задачи, которые мы ставили перед собой: проанализирована история освоения Луны; изучена среда программирования Pascal ABC.NET; написана, протестирована программа; найдены и исправлены ошибки в программе; намечены дальнейшие цели.
Список используемых источников
Я родом из [Электронный ресурс] . URL: https://yarodom.livejournal.com/1314956.html (дата обращения: 08.11.2018).
Военная литература [Электронный ресурс] . URL: http://militera.lib.ru/explo/chertok_be/22.html (Дата обращения: 18.09.2018).
Современное программирование на языке паскаль [Электронный ресурс] . URL: http://pascalabc.net/ (дата обращения: 08.09.2018).
Основы программирования в среде PascalABC.NET: учебное пособие /Л. И. Долинер. – Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2014. –128с. ISBN 978-5-7996-1260-3
Приложения
Приложение 1.
Программа
uses ABCObjects,graphABC;
var
gor:array[0..40] of integer;
go:array of point;
var p,q: PictureABC;
xg,vg:integer;
c:real;
fin:boolean;
procedure Peizazh;
begin
line (0,600,800,600);
gor[0]:=0;
gor[40]:=0;
xg:=random(40);
for var i:=1 to 39 do
begin
gor[i]:=random(0,340);
end;
for var i:=1 to 39 do
begin
if i=xg then
begin
for var j:=1 to 3 do
begin
gor[i+j]:=gor[i];
end;
end;
line ((i-1)*20,400-gor[i-1],i*20,400-gor[i]);
end;
vg:=400-gor[xg+2]-54;
line (780,400-gor[39],800,400-gor[40]);
SetLength(go, 41);
Polygon(go);
end;
procedure Keydown(Key: integer);
begin
if key=vk_Left then
begin
p.Left:=p.Left-1;
end;
if key=vk_Right then
begin
p.Left:=p.Left+1;
end;
if key=vk_up then
begin
p.top:=p.top-25;
q.Left:=p.left+3;
q.Top:=p.top+40;
q.Visible:=true;
c:=c-5;
end;
end;
procedure dvizh;
begin
c:=c+0.1;
p.Top:=p.Top+round(c);
q.Visible:=false;
OnKeydown:=Keydown;
if ((p.top>vg+1) and (p.left>xg*20) and (p.left<(xg+3)*20)) then
begin
end;
if ((p.top>vg+1) and (p.left>xg*20) and (p.left<(xg+3)*20)) then
begin
TextOut(20,20,'YOU WIN!!!');
fin:=false;
end;
end;
begin
fin:=true;
Setwindowsize(800,600);
randomize;
Peizazh;
Window.Title := 'ракета';
p:= PictureABC.Create(1,1,'E:\рокета.bmp');
p.ScaleX:=0.2;
p.Scaley:=0.2;
q:= PictureABC.Create(p.left+3,p.top+42,'E:\огонь.bmp');
q.ScaleX:=0.1;
q.Scaley:=0.1;
c:=1;
while fin do
begin
dvizh;
sleep(100);
end;
end.
Приложение 2.
Наши ракеты
Изображение ракеты в программе
Изображение огня из двигателя ракеты