VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Опасно ли жить на Луне? Очень опасно! «Ракета. База. Луноход» - проект для защиты космонавтов на Луне на базе конструктора Lego WeDo 1.0

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Пахаруков К.В. 1Цаур Р.Е. 1Зуев П.И. 1Мараков Н.М. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"

Попова Е.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"

Работа в формате PDF

3.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Космос всегда привлекал людей своей загадочной бесконечностью. Философы и ученые древности изучали движение планет и спутников и даже представить не могли, что в скором будущем человек сможет полететь к планетам и сделать первые шаги по поверхности далеких небесных тел. XX век считается эпохой стремительных открытий в освоении космоса человеком: 12 апреля 1961 года советский космонавт Юрий Гагарин совершил первый орбитальный полет вокруг Земли. 20 июля 1969 года американский астронавт Нил Армстронг впервые вышел на поверхность Луны и вернулся в космический корабль через 2 ч 21 мин 16 с. Луна – самое близкое небесное тело к нашей планете и возможностей полета на Луну гораздо больше, чем на любое другое небесное тело. Возникает вопрос: если космонавты смогли 50 лет назад высадиться на её поверхность, то почему до сих пор на Луне нет лунных баз, и земляне не стремятся отправиться на Луну, чтобы жить там продолжительное время? Какие опасности таит близкий спутник нашей планеты и как можно защитить человека от них?

Цели проектной работы:

- Получить новые знания о Луне, узнать о сложностях в её освоении;

- Построить модель с помощью конструктора LegoWeDo, демонстрирующую возможное безопасное проживание человека на Луне.

Задачи проектной работы:

- Изучить информацию о Луне, как о небесном теле;

- Изучить информацию о прилунении, исследовании поверхности спутника и о первом пребывании космонавтов на Луне;

- Побывать на выставке «Космодрайв» в городе Тюмени;

- Установить основные опасности для жизни космонавта на Луне;

- Рассмотреть современные способы защиты человека в открытом космосе;

- Предложить свой способ защиты космонавта при длительном проживании на поверхности Луны

- Сконструировать модель «Ракета-База-Луноход» на базе конструктора LegoWeDo

- Провести демонстрацию модели «Ракета-База-Луноход»

В качестве источников информации мы, в основном, использовали информационные сайты: электронная библиотека «Эпизоды космонавтики» (http://epizodyspace.ru/), Википедия (https://ru.wikipedia.org), «Объектив-N: предания, легенды, мифы» (http://objective-news.ru). При оформлении проекта мы использовали идеи из болшой книги «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей» [2], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [1, 3], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике. [4]

Глава 1. Ближе всех Луна!

Луна – естественный спутник нашей планеты и является самым близким к нам небесным телом. Она сияет на небе по ночам отраженным светом и будоражит воображение мечтателей и поэтов (Приложение, рисунок 1). Размеры Луны достаточно велики для спутника: ее радиус составляет 1737 километров, а масса равна 7,3477·1022 кг, что составляет 0,0123 земной массы. [5] На Луне есть атмосфера, но по сравнению с земной она очень разрежена, и дышать ею нельзя. Из-за отсутствия атмосферы поверхность Луны постоянно подвергается бомбардировкам крупных и мелких метеоритов, самые крупные из них оказывают существенное влияние на лунный рельеф, образуя достаточно глубокие кратеры и впадины. Разрежённость атмосферы приводит к высокому перепаду температур на поверхности Луны (от −173 °C ночью до +127 °C в подсолнечной точке) [6], в зависимости от освещённости; при этом температура пород, залегающих на глубине 1 м, постоянна и равна −35 °C.

С древних времён люди пытались описать и объяснить движение Луны. Со временем появлялись всё более точные теории. [6] Можно считать, что Луна движется по эллиптической орбите (Приложение, рисунок 2). Действительное движение Луны довольно сложное и при его расчёте необходимо учитывать множество факторов, например, сплюснутость Земли и сильное влияние Солнца, которое притягивает Луну в 2,2 раза сильнее, чем Земля.

Считается, что источником магнитного поля планет является тектоническая активность. Например, у Земли поле создаётся движением расплавленного металла в ядре. Отсутствие однородного магнитного поля на Луне установила в 1959 году Луноход «Луна-1». Однако на раннем этапе существования у Луны было аналогичное земному магнитное поле.

Луна состоит из коры, верхней мантии (астеносферы), средней мантии, нижней мантии и ядра, что дает возможность считать её маленькой планетой. Поверхность Луны можно разделить на два типа: очень старая гористая местность (лунный материк) и относительно гладкие и более молодые лунные моря (темные пятна, Приложение, рисунок 3). Лунные «моря», которые составляют приблизительно 16 % всей поверхности Луны, — это огромные кратеры, возникшие в результате столкновений с небесными телами, которые были позже затоплены жидкой лавой. Большая часть поверхности покрыта реголитом.— смесью тонкой пыли и скалистых обломков, образующихся в результате столкновений метеоритов с лунной поверхностью. Ударно-взрывные процессы, сопровождающие метеоритную бомбардировку, способствуют взрыхлению и перемешиванию грунта, одновременно спекая и уплотняя частицы грунта. Толщина слоя реголита составляет от долей метра до десятков метров.

Глава 2. Полеты на Луну.

Доставка человека на Луну – это чрезвычайно сложная и чрезвычайно ответственная миссия. Ведь земной корабль так должен сесть на Луну, чтобы не получить никаких повреждений. [7] Это значит, что скорость посадки должна быть минимальной, надо за какое-то определенное время погасить стремительный бег космического аппарата, затормозить его. Вдумайтесь, как трудно сделать это, да еще в условиях, когда нет атмосферы, которая послужила бы естественным тормозом и позволила бы к тому же применить парашюты. Ведь незаторможенный корабль врежется в луну со скоростью порядка 2500 м/сек. А чтобы мягко прилуниться, ее надо снизить до нескольких метров в секунду! И только один путь — погасить скорость за счет работы реактивных двигателей, за счет дополнительных запасов горючего.

Прилунение — посадка космического аппарата на Луну. [8] Является частью миссии по исследованию Луны и может осуществляться в трёх вариантах:

Жёсткая посадка — попадание на лунную поверхность без средств уменьшения скорости;

Жёсткая посадка на Луну используется на ранних стадиях развития космической техники для отработки носителей, космических аппаратов и проверки расчётов, а также в качестве завершающего этапа некоторых миссий.

Мягкая посадка — прилунение с использованием средств уменьшения скорости для сохранения целостности аппарата и его приборов;

Мягкие посадки на Луну (всего 14) осуществлялись с целью панорамного фотографирования; проведения экспериментов на поверхности; извлечения, анализа, отправки на землю лунного грунта; для доставки передвижных автоматических аппаратов (луноходов).

Первая автоматическая межпланетная станция, которая успешно доставила первый луноход - это Луна-17. Она благополучно прилунилась 7 ноября 1970 года в Море Дождей и Луноход-1 (Приложение, рисунок 4, рисунок 5) съехал на лунный грунт. [9] Масса планетохода составила 756кг, длина с открытой солнечной батареей— 4,42м, ширина— 2,15м, высота— 1,92м. Диаметр колёс— 510мм, ширина— 200мм, колёсная база— 1700мм, ширина колеи— 1600мм. За время нахождения на поверхности Луны «Луноход-1» проехал 10 540 м, передал на Землю 211 лунных панорам и 25 тысяч фотографий. Более чем в 500 точках по трассе движения изучались физико-механические свойства поверхностного слоя грунта, а в 25 точках проведён анализ его химического состава. Луноход проработал на Луне в три раза больше своего первоначально рассчитанного ресурса.

Затем были доставлены на Луну Луноход 2 (1973 г.) и Луноход 3 (1977 г.). Каждый луноход имел свою колесную базу, солнечные батареи, комплект информационно-измерительной аппаратуры, видеокамеры, несколько антенн для связи и передачи информации.

Пилотируемая миссия — доставка на Луну человека.

Единственно возможная посадка для корабля с человеком на борту – это мягкая посадка! По состоянию на 1 декабря 2017 года единственной страной, осуществившей доставку человека на Луну, являются Соединённые Штаты Америки. В рамках программы « Аполлон» мягкую посадку осуществили шесть лунных модулей.

Програ́мма «Аполло́н» — программа пилотируемых космических полётов космического агентства [10] США НАСА, принятая в 1961 году с целью осуществления первой пилотируемой высадки на Луну и завершённая в 1975 году. Всего по программе «Аполлон» были совершены 6 успешных высадок астронавтов на Луну (последняя — в 1972 году). Программа «Аполлон» и высадка на Луну часто упоминаются как одни из величайших достижений в истории человечества

16 июля 1969 года стартовал «Аполлон-11». 20 июля в 20 часов 17 минут 42 секунды по Гринвичу лунный модуль прилунился в Море Спокойствия. Нил Армстронг спустился на поверхность Луны 21 июля 1969 года в 02 часа 56 минут 20 секунд по Гринвичу, совершив первую в истории человечества высадку на Луну (Приложение, рисунок 6).

Все 6 успешных пилотируемых миссий на Луну включали в себя доставку человека на Луну, высадку на незначительное количество времени и возвращение на Землю. Почему космонавты не могут остаться жить на Луне и исследовать её поверхность, исследовать космос прямо со спутника, как на МКС, например? Опасно ли жить на Луне?

Глава 3. Опасности для человека на Луне

Мы узнали главные особенности нашего спутника Луны и посетили выставку «Космодрайв» в городе Тюмени 16 ноября 2018 года (Приложение, рисунок 7). На выставке мы узнали более подробно о главных опасностях на Луне для человека – это лунная пыль и радиация. О них нам рассказал экскурсовод – учитель физики и астрофизики Дмитрий Николаевич.

Таким образом, мы выделили следующие опасности для жизни человека на Луне:

Перепад температур

Днем очень холодно (−173 °C), а ночью очень жарко (+127 °C). На Земле критическими для жизни человека являются отметки : -40°С и +35°С. Комфортной температуры для человека на Луне практически нет.

Опасная лунная пыль – реголит (Приложение, рисунок 8).

Прежде всего, эта пыль, в значительной степени, состоит из необычайно мелких (несколько микрон) частиц, легко проникающих в мельчайшие поры легких. [11] При этом частицы эти обладают острыми гранями - так как на Луне нет ветра и воды, чтобы эрозией сгладить их. Кроме этой пыли в состав лунного грунта входят очень мелкие осколки стекол или, скажем, минерал агглютинат, маленькие частички которого имеют мельчайшие острые выступы и иногда даже "крючки. Их воздействие на человека пока не изучено.

Радиация.

На Луне отсутствует магнитное поле и практически отсутствует атмосфера, поэтому нет защиты от вредных невидимых солнечных и космических лучей. Эти лучи проникают глубоко в клетки тканей человека и ведут к серьезным заболеваниям кровеносной системы и нервной системы.

На сегодня единственная защита космонавта на Луне – это скафандр. Скафа́ндр — специальное снаряжение, предназначенное для изоляции человека от внешней среды (Приложение, рисунок 9) [12] Космические скафандры предназначены для осуществления безопасного пребывания и работы космонавта в космическом корабле и в открытом космосе. Скафандр защищает от перепада температур, от радиации.

Но такая защита временная – не более 10 часов. Даже в скафандре человек на защищен на 100%. Та же пыль, кстати, способна, при долгом воздействии, выводить из строя детали скафандров, царапать их стекла. [11] Пылевую коррозию своих костюмов заметили даже астронавты, которые провели на Луне всего-то несколько часов.

Глава 4. Создание проекта на базе конструктора Lego WeDo 1.0: формулировка задач и определение этапов сборки.

Перед началом конструирования нашего проекта, мы поставили перед собой следующие задачи;

Размер проекта ограничить размерами большой серой пластины Lego (38 см × 38 см);

Конструкцию ракеты сделать максимально округлой формы [2];

Учесть размер планетохода при конструировании нижнего отсека ракеты;

Разместить на планетоходе все необходимые элементы: видеокамера, антенна, солнечные батареи, манипулятор, колесный ход [2];

Учесть большой вес ракеты с планетоходом при выборе механизма для поднятия и опускания ракеты;

Использовать в проекте только детали Lego/

Для более точной и согласованной работы по созданию нашего проекта, мы распределили все этапы на каждого из нашей команды и конструировали одновременно, каждый раз проверяя размеры и совместимость всех элементов модели. Всего получилось 5 этапов сборки:

4.1 Прилунение. Иванов Максим

Согласно изученной ранее информации,единственно возможная посадка для корабля с человеком на борту – это мягкая посадка. Значит, движение ракеты по направлению к лунной поверхности (сверху вниз) должно быть медленным и ровным.

Мы сконструировали модель ракеты, установили на верху ракеты базу с иллюминаторами, в нижней части ракеты - разместили планетоход. Таким образом, наша ракета получилась очень тяжелой. Для демонстрации «прилунения», т.е медленного и ровного опускания ракеты на поверхность, нам необходим сильный и медленный механизм, а также правильное распределение нагрузки. С такой задачей под силу справиться только червячной передаче! [1, 3] Для поднятия и опускания ракеты мы построили дополнительные 4 стойки, на каждой из которых установили лебедки. Каждая пара лебедок приводится в движение мотором через червячную передачу. Прилунение тяжелой ракеты нам удалось выполнить с помощью четырех лебедок, двух червячных передач и двух моторов (Приложение, рисунок 10).

4.2. База и иллюминаторы. Зуев Павел

Космонавт должен быть всегда под защитой при длительном пребывании на Луне. Так как скафандр – это единственная разработанная защита для космонавта на сегодняшний день, и он защищает не на 100% и не долго (не более 10 часов), то мы разработали специальную базу наверху ракеты. База обеспечит полную защиту космонавту на протяжении долгого проживания на Луне, а также позволит производить наблюдения за поверхностью Луны в безопасные часы.

На базе установлены иллюминаторы, которые опускаются когда очень холодно или очень жарко и поднимаются в промежуточное время: при восходе и закате Солнца на Луне. Всего на нашей базе установлено двое иллюминаторов. Они поворачиваются вверх (открываются) и вниз (закрываются) от одного мотора с помощью понижающей зубчатой передачи, что обеспечивает более точное движение (Приложение, рисунок 11). [1, 3]

4.3 Люк ракеты. Мараков Никита

Космонавту нежелательно покидать базу, поэтому всю работу по исследованию поверхности Луны может проводить высокоточный роботизированный луноход. Для его транспортировки с Земли был определен нижний отсек ракеты. Чтобы Луноход выехал на поверхность Луны, мы сконструировали высокий откидной люк. Именно по поверхности люка луноход проезжает первые несколько метров и затем продолжает движение по Луне.

Люк тяжелый и высокий, поэтому, для более точного опускания и поднимания люка мы установили понижающую зубчатую передачу (Приложение, рисунок 12). [1, 3] Мотор встроили в дно ракеты.

4.4 Ходовая часть лунохода. Цаур Роман

Конструкция лунохода ограничена размерами ракеты. Поэтому, мы постарались сделать луноход максимально компактным (Приложение, рисунок 13). Обычно у лунохода 8 колес (4 пары), у нашего лунохода 6 колос (3 пары). Движение на передние колеса передается от мотора через зубчатую передачу под углом 90°, для этого мы использовали коронную шестерню. [1, 3] Мотор встроен в нижнюю часть (дно) лунохода.

4.5 Главные составные части Лунохода. Пахаруков Константин

Мы изучили комплектацию нескольких луноходов и решили установить на нашем луноходе самое основное:

Солнечные батареи

Они необходимы как источник энергии. Для компактной транспортировки солнечные батареи внутри ракеты находятся в сложенном состоянии. После выезда лунохода на поверхность Луны, солнечные батареи раскрываются и обеспечивают энергией луноход. Открытие солнечных батарей осуществляется с помощью мотора через понижающую передачу (Приложение, рисунок 14). [1, 3]

Манипулятор

Его установка обеспечит забор лунного грунта для проведения исследований на базе, а также манипулятор может понадобиться для возможных установок, перемещений и других задач на поверхности Луны.

Антенна

Она необходима для связи лунохода с базой в ракете и с базой на Земле и передачи фото и видео съемки.

Видеокамера

Космонавт находится в базе на Луне и может в любой момент наблюдать за поверхностью Луны по фото и видео изображениям, полученным с лунохода.

Чертежи основных элементов проекта «Ракета! База! Луноход!» представлены на рисунке 15 Приложения.

Глава 5. Демонстрация проекта «Ракета. База. Луноход»

Проект запускается с помощью программы LegoWeDo. Все механические передачи приводятся в движение шестью моторами, которые подключены к 3 коммутаторам. Программа запускается от нажатия одной кнопки «0» на клавиатуре (Приложение, рисунок 16). Постепенное выполнение команд каждым мотором осуществляется с помощью передачи писем: как только ракета прилунится (сработают моторы №5 и №6), письмо №1 отправится второй программе, она запустит мотор №1, отвечающий за движения ставень. После открытия иллюминаторов, письмо №2 отправляется третьей программе и открывается люк, затем по письму №3 включается 3 мотор – ходовая часть лунохода. Как только луноход выедет, отправляется письмо №4 и поступает команда мотору №4 открыть солнечные батареи. [4] Для возврата в исходное положение мы создали дополнительные подпрограммы для каждого элемента нашей модели: ракета вверх, ставни вниз, люк поднять, солнечные батареи закрыть.

Демонстрация

Исходное положение ракеты: над поверхностью Луны на расстоянии примерно 5-7 см. «Поехали!» - говорит капитан команды и ракета начинает прилунение – включаются два мотора, которые медленно отпускают трос 4 лебедок с помощью червячной передачи. Как только ракета установилась на поверхность Луны, открываются иллюминаторы на базе, затем опускается люк. По люку выезжает луноход, после остановки луноход открывает солнечные батареи (Приложение, рисунок 17). Таким образом, космонавт, находясь на базе в полной безопасности, готов к проведению исследований лунной поверхности с помощью лунохода и наблюдениям через иллюминаторы.

Заключение

В ходе решения задач мы узнали о вращения Луны вокруг Земли по своей орбите, изучили информацию о Луне как о маленькой планете, у которой практически нет атмосферы и нет магнитного поля – главного защитника от радиации. Узнали о вредной лунной пыли (реголит) и её опасном влиянии на здоровье человека. Таким образом, выделили главные опасности для человека на Луне: ночью очень холодно (до -173°С), днём очень жарко (до +127°С), сильная радиация, вредная лунная пыль, скафандр защищает не более чем на 10 часов.

Кроме этого мы узнали, что луноходы первыми исследовали поверхность Луны, каждый из которых обязательно был оснащен солнечными батареями, видеокамерой, манипулятором, антенной для передачи информации, все луноходы – это вездеходы на колесном ходу, конструкция колес позволяла двигаться по любой поверхности: твердой, рыхлой, песчаной. Луноходы доставлялись на поверхность Луны с орбиты на специальных станциях. Прилунение космических кораблей очень сложный и точный процесс, который происходит поэтапно с постепенным снижением скорости.

На Луне жить опасно, космонавт всегда нуждается в защите. Мы нашли решение «Ракета-База-Луноход» позволяет космонавту не выходить на поверхность Луны, а исследования проводить с помощью высокоточного роботизированного планетохода, все наблюдения проводить непосредственно с базы на ракете. Изучив особенности прилунения ракеты и строение лунохода, мы сконструировали наш проект и успешно его продемонстрировали: ракета прилуняется, открываются иллюминаторы на базе, затем опускается люк, по люку выезжает луноход, после остановки луноход открывает солнечные батареи. Таким образом начинается безопасное для космонавта изучение лунной поверхности и космоса непосредственно на Луне на базе.

На изучение космоса человечество тратит огромное количество и времени и денег. Для экономии этих ресурсов и более быстрого освоения космического пространства, космонавту нужно жить в космосе, для этого лучше всего подходит наш близкий спутник Луна. Мы разработали проект для длительного проживания космонавта на Луне и изучения поверхности спутника в полной безопасности для своего здоровья.

Список используемой литературы:

Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

LEGO Книга идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;

Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

Корягин А.В, Образовательная робототехника Lego WeDo. Сборник методических рекомендаций и практикумов – ДМК-Пресс, 2016. – 252 с.;

Интернет источники:

http://www.vseznaika.org/kosmos/samaya-blizkaya-planeta-k-zemle/;

https://ru.wikipedia.org/wiki/Луна

http://epizodyspace.ru/bibl/g-t-d-d/1969/2/posadka.html;

https://ru.wikipedia.org/wiki/Список_прилунений;

http://objective-news.ru/lunnaya-missiya/lunohod-1.html

https://ru.wikipedia.org/wiki/Аполлон_(космическая_программа)

http://absite.ru/txt/science/654.html;

https://ru.wikipedia.org/wiki/Скафандр.

Приложение