VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Человек на Луне. Обеспечение безопасности. Проект «Шлюзовой отсек с дополнительной системой очистки от лунной пыли с помощью пылесоса и магнитов» на базе конструктора Lego Mindstorms EV3.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Размазин Р.О. 1Чистяков М.А. 1Шипачев П.С. 1Цаур С.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"

Попова Е.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"

Работа в формате PDF

4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Космическое пространство – это малопригодное для жизни место, большая часть пространства – это почти полный вакуум, а это означает, что нет воздуха, и ни одна из планет и их спутников в нашей солнечной системе не обладает атмосферой, подходящей для дыхания людей. Луна – самое близкое небесное тело от нашей планеты. Почему космонавты не отправляются на Луну, чтобы наблюдать за космосом, а все исследования проводят с МКС? Какие опсности подстерегают комонавта на Луне?

Цели проектной работы: Изучение проблемы воздействия лунной пыли на космонавта. Содействие ученым в поиске решений данной проблемы

Задачи проектной работы:

- Изучить литературные и электронные источники информации.

- Проанализировать проблемы, связанные с высадкой космонавтов на Луну.

- Предложить вариант решения одной из проблем - защита космонавтов от воздействия вредной лунной пыли.

- Собрать из конструктора LegoMindstorms модель, которая позволяет наглядно продемонстрировать наше изобретение.

- Узнать мнение эксперта по нашему проекту.

Работа над проектом была проведена в 7 этапов:

1. Изучение информации о Луне, как о небесном теле;

2. Посещение выставки «Космодрайв» в Тюмени в ноябре 2018 года;

3. Анализ существующих опасностей на поверхности Луны для космонавта;

4. Углубленное изучение проблемы воздействия лунной пыли на космонавта, предложение путей решения этой проблемы

5. Разработка эскиза дополнительного одноразового внешнего скафандра для защиты от лунной пыли, пошив изделия из прозрачной тонкой ткани для наглядной демонстрации;

6. Представление проектной работы на оценку эксперту, главному инженеру обсерватории «Старая башня», с.Червишево, Виталию Андреевичу Угренинову.

7. Создание из конструктора LegoMindstorms модели «Шлюзовой отсек с встроенным пылесосом с эффектом электризации», которая позволяет наглядно продемонстрировать наше изобретение

В качестве источников информации мы, в основном, использовали информационные сайты: ФБ.ру (http://fb.ru), Википедия (https://ru.wikipedia.org), Популярная механика (https://www.popmech.ru) и другие. При создании проекта мы руководствовались знаниями, полученными на занятиях «Основы робототехники», «Мир робототехники» и «Соревновательная робототехника» в школе интеллектуального развития «Мистер Брейн» в городе Тюмени. [1] При конструировании робота нам помогли наши предыдущие разработки и проекты по изучению зубчатых передач [2, 3], при создании программ мы использовали информацию из учебного пособия по соревновательной робототехнике [4].

Глава 1. Общие сведения о Луне

Луна – спутник или планета

Первое, с чем предстоит разобраться — чем же является наш спутник? Ответ неожиданный: хотя Луна и считается спутником, технически она является такой же полноценной планетой, как и земля. У нее большие размеры и масса Луна лишь немногим уступает Меркурию, самой маленькой планете Солнечной Системы. Более того, изнутри Луна устроена как полноценная планета (Приложение, Рисунок 1)

Луна не обращается вокруг самой Земли — у них есть общий центр массы. (Приложение, Рисунок 2) Близость к нам спутника порождает еще один интересный эффект, приливный захват. Из-за него Луна всегда повернута к Земле одной и той же стороной. Наш спутник служит естественным барьером против сотен метеоритов и астероидов, перехватывая их на подлете к Земле.

Луне приходится постоянно «догонять» нашу планету. Солнце притягивает Луну в несколько раз сильнее Земли! Поэтому траектория движения нашего спутника напоминает спираль, да еще и непростую. Ось лунной орбиты колеблется, сама Луна периодически приближается и отдаляется, а в глобальных масштабах и вовсе улетает от Земли. Луна движется вокруг Земли по вытянутой орбите, имеющей форму эллипса, делая один оборот за месяц. Соответственно, раз в месяц она приближается к нашей планете и проходит точку Перигея (362тыс.км), и один раз в месяц удаляется от Земли, тем самым проходя точку Апогея (406тыс.км). (Приложение, Рисунок 3) Ночь и день на Луне очень долгие — по половине земного месяца. [5]

Рельеф Луны

На Луну падали миллионы тонн метеоритов и астероидов, которые избороздили ее, оставив кратеры. (Приложение, Рисунок 4) Некоторые удары были настолько сильны, что прорвали ее кору вплоть до самой мантии. Котлованы от таких столкновений образовали лунные моря, темные пятна на Луне, которые легко различимы с Земли.

Основная форма рельефа Луны — это кратеры, производные от ударов метеоритов и астероидов. Лунные горы и цирки были построены громадными ударными волнами, которые изменили структуру поверхности Луны до неузнаваемости. Особенно сильна их роль была в начале истории Луны, когда та была еще жидкой — падения метеоритов поднимали целые волны расплавленного камня. Это же стало причиной образования лунных морей. Они являются следами ударов особенно тяжелых метеоритов, которые буквально сорвали со спутника его кору. В этих местах от мантии Луны поверхность отделяет лишь тонкий, полукилометровый слой застывшей лавы — базальта. Лунные моря охватывают около 17% всей Луны — в основном ее видимую сторону, которая почти на треть покрыта ими. (Приложение, Рисунок 5) Обращенная к Земле сторона была сильнее раскалена из-за концентрации в ней тяжелых веществ, из-за чего астероиды влияли на нее сильнее, чем на прохладную обратную сторону. Причиной такого неравномерного распределения вещества стало притяжение Земли, особенно сильное в начале истории Луны, когда та была ближе.

Кроме кратеров, гор и морей, в луне существуют пещеры и трещины — уцелевшие свидетели тех времен, когда недра Луны были также раскалены, как и земные, и на ней действовали вулканы. В этих пещерах часто присутствуют водные льды, как и у кратеров на полюсах, из-за чего их часто рассматривают как места для будущих лунных баз. [6]

Глава 2. Космическая гонка. Кто первый на Луну

Знаковый полет Юрия Гагарина 50 лет назад – это не только точка отсчета в покорении человеком космоса. Первый полет человека вокруг Земли положил начало грандиозной космической гонке двух держав – СССР и США. Чтобы ознакомиться с космическими аппаратами, произведенными в СССР и историей развития советской и российской космонавтики мы посетили Музей Космонавтики в г. Москва. (Приложение, Рисунок 6)

2.1Первый луноход

2 января 1959 года в Советском Союзе был осуществлен запуск ракеты, которая вывела на траекторию полета к Луне автоматическую межпланетную станцию "Луна-1". (Приложение, Рисунок 7) Это первое устройство, которое достигло второй космической скорости. 13 сентября 1959 стартовала автоматическая межпланетная станция "Луна-2". В отличие от первой, она достигла небесное тело, а также доставила туда вымпел с изображением герба СССР. Менее чем через месяц в космос была выпущена третья автоматическая межпланетная станция. Ее вес составлял более 200 килограммов. На ее корпусе располагались солнечные батареи. В течение получаса станция при помощи встроенной фотокамеры автоматически сделала более 20 снимков Луны. Благодаря этому человечество впервые увидело обратную сторону естественного спутника. Именно в октябре 1959 года люди узнали, какая Луна на самом деле. [7] Первым самоходным аппаратом на Луне стал советский "Луноход-1". Его запустили в 1970 году, управляли по радио, с Земли. Эта посудина, напоминавшая чугунную ванну с антенной и на колёсах, стала первым рукотворным объектом, передвигавшемся по Луне. (Приложение, Рисунок 8)

2.2 Полет человека на Луну

Первым серьезным успехом американцев стал пилотируемый облет вокруг Луны на аппарате "Аполлон-8" в 1968г. 20 июля 1969 года, командир экипажа Нил Армстронг и пилот Баз Олдрин посадили лунный модуль корабля в юго-западном районе Моря Спокойствия. Они оставались на поверхности Луны в течение 21 часа 36 минут и 21 секунды. Всё это время пилот командного модуля Майкл Коллинз ожидал их на окололунной орбите. Астронавты совершили один выход на лунную поверхность, который продолжался 2 часа 31 минуту 40 секунд. Первым человеком, ступившим на Луну, стал Нил Армстронг (Приложение, Рисунок 9), через 15 минут к нему присоединился Олдрин. Астронавты установили в месте посадки флаг США (Приложение, Рисунок 10), разместили комплект научных приборов и собрали 21,55 кг образцов лунного грунта, которые были доставлены на Землю. [8]

Глава 3. Опасности для человека при высадке на Луну

Земля — уникальная колыбель всего живого. Защищенные ее атмосферой и магнитным полем, мы можем не думать о радиационных угрозах, кроме тех, что творим собственными руками. Однако все проекты освоения космоса — ближнего и дальнего — неизменно упираются в проблему радиационной безопасности. Космос враждебен жизни. Нас там не ждут. [9] Для того, чтобы узнать какие опасности ждут космонавта при высадке на Луну мы отправились на выставку «Космодрайв» в г. Тюмень. (Приложение, Рисунок 11), Пообщавшись с экскурсоводами (Приложение, Рисунок 12) мы выяснили, что главные опасности при высадке на Луну это: радиация, большие перепады температур, очень маленькое притяжение и лунная пыль. Давайте рассмотрим их более подробно.

3.1 Притяжение

Чем больше планета или звезда, тем сильнее притягивает она другие небесные тела. Масса Луны гораздо меньше массы Земли, и притяжение на Луне составляет всего лишь одну шестую часть земного; это означает, что человек на Луне весит в шесть раз меньше, чем на Земле. (Приложение, Рисунок 13) Когда астронавты впервые оказались на поверхности Луны, в условиях низкой гравитации им нужно было научиться ходить по-особенному. Именно поэтому они так смешно подпрыгивают, передвигаясь по лунной поверхности (Приложение, Рисунок 14). Если бы они пошли обычным "земным" шагом, они бы просто подлетели вверх или упали, что не раз случалось. [10]

3.2. Радиация

Одним из основных негативных биологических факторов космического пространства, наряду с невесомостью, является радиация. Но если ситуация с невесомостью на различных телах Солнечной системы (например, на Луне или Марсе) будет лучше, чем на МКС, то с радиацией дела обстоят сложнее.

По своему происхождению космическое излучение бывает двух типов. Оно состоит из галактических космических лучей и тяжелых положительно заряженных протонов, исходящих от Солнца. Эти два типа излучения взаимодействуют друг с другом

Наша планета защищена от солнечного ветра магнитным полем. (Приложение, Рисунок 15) Несмотря на это, часть заряженных частиц достигает атмосферы. В результате возникает явление, известное как полярное сияние. Высокоэнергетические галактические космические лучи почти не задерживаются магнитосферой, однако они не достигают поверхности Земли в опасном количестве благодаря ее плотной атмосфере. [11] На Луне нет атмосферы, поэтому космонавты будут подвержены обоим типам радиации.

3.3. Температура

Температура на Луне экстремальная: от кипящей жары до морозного холода, в зависимости от того, где светит Солнце. Луне нужно 27 дней, чтобы обернуться вокруг своей оси. Потому любое место на ее поверхности находится под Солнцем 13 дней, а затем остывает 13 дней во тьме. Когда солнечный свет попадает на поверхность Луны, температура может достигать 120- 127 °C. После захода солнца она может опуститься до минус 160- 173 °C (Приложение, Рисунок 16). На Луне есть кратеры вокруг Северного и Южного полюсов, внутрь которых никогда не попадет солнечный свет. Там всегда жуткий холод -153. Инструмент Diviner на зонде НАСА LRO определил, что температура в кратерах на южном полюсе Луны составляет минус 238 °C и минус 247 °C в кратере на северном полюсе. [12]

3.4. Лунный грунт

Всюду, где совершали посадки космические аппараты, Луна покрыта так называемым реголитом. Это разнозернистый обломочно-пылевой слой толщиной от нескольких метров до нескольких десятков метров. Он возник в результате дробления, перемешивания и спекания лунных пород при падениях метеоритов и микрометеоритов. Лунный грунт содержит в себе большое количество химических микроэлементов. Среди них кремний, кислород, железо, титан, алюминий, кальций и магний. (Приложение, Рисунок 17).

После миссий «Аполлон» учёные узнали, что лунный грунт представляет угрозу для человека Известно, что так называемые пылевые бури активизируются раз в две недели. Ученые также доказали, что регулярное вдыхание лунной пыли может привести к серьезным заболеваниям. На поверхности легких существуют специальные волокна, на которых собирается вся пыль. В дальнейшем организм избавляется от нее при помощи кашля. Стоит отметить, что слишком маленькие частицы не прикрепляются к волокнам. Организм человека не адаптирован к негативному воздействию лунной пыли из-за ее небольшого размера.

Негативное воздействие пыли, которая создает бури на поверхности естественного спутника, подтвердила лунная экспедиция "Аполлон 17". Один из астронавтов, который входил в ее состав, спустя некоторое время, проведенное на Луне, начал жаловаться на плохое самочувствие и лихорадку. Было установлено, что ухудшение состояния здоровья было связано с вдыханием лунной пыли, которая оказалась на борту вместе со скафандрами. Из-за того, что лунный грунт наэлектризован, он прилипает почти ко всем посторонним поверхностям, включая посадочные модули. [13]

Глава 4. Скафандр – главная защита космонавта

Скафандр – это специальный костюм, который полностью закрывает тело человека, чтобы защитить его от вредного воздействия окружающей среды. Костюм скафандра способен защитить космонавта от очень высоких и очень низких температур. Как известно, в космосе температура может колебаться от – 130 до + 140 градусов по Цельсию. Поэтому костюмы изготовлены из специальных материалов, которые плохо проводят тепло и состоят из множества слоев. (Приложение, Рисунок 18). Современный космический скафандр представляет собой маленький автономный космический аппарат, в котором космонавт может проводить до 10 часов в сутки в открытом космосе. [14]

Глава 5. Наши идеи для защиты космонавта и его скафандра от лунной пыли

Для защиты космонавта от лунной пыли мы предлагаем два способа:

Первый способ. Разработать дополнительный одноразовый скафандр.

Он должен быть легким, недорогим, быстрым для одевания и для снятия. Этот скафандр защитит не только космонавта от возможного вдыхания вредной пыли, но и защитит основной скафандр, так как лунная пыль прилипает к скафандру и ее очень сложно убрать от пыли. Мы разработали эскиз дополнительного скафандра (Приложение, Рисунок 19). Этот скафандр будет надеваться в дополнительном шлюзовом отсеке на базе. (Приложение, Рисунок 20). Для наглядной демонстрации мы сшили легкий верхний одноразовый скафандр и одели на Семёна. (Приложение, Рисунок 21)

Материалы для одноразового скафандра могут быть следующие:

- кварцевая синтетика (защита от пыли, температурный щит),

- кремнеземный текстиль (защита от пыли, защита от радиации, температурный щит),

- старлит (металлический полимерный материал, температурный щит)

Базу мы предлагаем разместить в точке равновесия-точке Лагранжа, т.к. там проще всего осуществить стыковку ракеты с базой. С базы на поверхность Луны космонавт будет опускаться на лифте (Приложение, Рисунок 22).. Мы рассказали свою идею младшей команде и они сконструировали базу с двумя шлюзовыми отсекам из конструктора LegoWeDo 1.0 (Приложение, Рисунок 23).

Второй способ. Установить дополнительную систему очистки от лунной пыли в основном шлюзовом отсеке с помощью пылесоса и магнитов.

Мы предположили, если лунная пыль состоит из элементов металлов, которые имеют особенность электризоваться и примагничиваться, то можно с помощью магнитов и пылесоса эти частички пыли удалять. В этом случае не понадобится пошив дополнительного внешнего скафандра, основной скафандр пройдет очистку в шлюзовом отсеке.

Глава 6. Встреча с экспертом и оценка проекта

Наши исследования, теории и изобретения мы рассказали специалисту Угренинову Виталию Андреевичу, который является главным инженером обсерватории «Старая башня», с.Червишево. (Приложение, Рисунок 23).

Он внимательно нас выслушал и сделал следующие замечания и корректировки.

Наша теория по поводу вреда лунной пыли по его мнению правдива.

Расположение базы в точке равновесия (Лагранжа) не рационально, так как это очень далеко от поверхности луны 60 тысяч километров.

Лунная пыль не столько наносит вред здоровью человека, сколько дорогому скафандру (в момент переодевания скафандра), она очень прилипчивая, от неё трудно избавиться

Идея о дополнительном внешнем скафандре хорошая, но нужно найти более дешевый материал.

Внешний скафандр может быть, но не обязателен

Идею с поляризацией скафандра, отталкиванием пыли от него и притягиванием её спомощю магнита эксперт посчитал наилучшей.

Лучший вариант для избавления от лунной пыли – это установка дополнительной системы очистки в основном шлюзовом отсеке с помощью пылесоса и магнитов.

Глава 7. Создание проекта «Шлюзовой отсек с дополнительной системой очистки от лунной пыли с помощью пылесоса и магнитов» из LegoMindstormsEV3

После одобрения экспертом наших идей, мы решили сконструировать наглядную модель из Lego Mindstorms EV3, которая продемонстрирует второй способ защиты от лунной пыли: дополнительная система очистки в основном шлюзовом отсеке с помощью пылесоса и магнитов.

Наш проект в целом состоит из 3 частей: лифт, шлюзовой отсек и база (Приложение, Рисунок 24). Лифт необходим для подъема и спуска космонавта с Луны на базу и обратно. Шлюзовой отсек и база будет расположена на орбите вокруг Луны или в точке равновесия, поэтому в нашем проекте мы использовали стойки для подъема и установки шлюзового отсека и базы над поверхностью лего пластины.

Система очистки основного скафандра от лунной пыли внутри шлюзового отсека включает 3 составляющие

пылесос и магниты,

вентиляторы

вращающаяся платформа для космонавта

Когда космонавт поднимается на лифте с поверхности Луны и заходит в шлюзовой отсек, он становится на вращающуюся платформу, включаются вентиляторы и пылесос. Лунная пыль, под действием воздушных потоков от вентиляторов с одной стороны и магнитного поля от магнитов с другой стороны, отлепляется от скафандра и втягивается пылесосом, входные отверстия которого расположены рядом с магнитами (схема представлена на рисунке 25 Приложения).

Наш проект работает от 4 моторов:

мотор №1 – средний мотор, порт D, отвечает за подъем и спуск лифта, передает движение через червячную передачу;

мотор №2 – большой мотор, порт В, отвечает за открытие и закрытие шлюзового отсека;

мотор №3 – большой мотор, порт С, отвечает за 2 системы: вентиляторы -вращение передается через повышающие зубчатую и ременную передачи, пылесос - вращение передается через повышающую зубчатую передачу;

мотор №4 – большой мотор, порт А, отвечает за вращение платформы.

Также в нашей модели установлен датчик ультразвука. Этот датчик расположен над лифтом и определяет приближение лифта к шлюзовому отсеку.

Механические передачи, моторы и датчик представлены в приближении на Рисунке 26 Приложения. Программа проекта представлена на Рисунке 27 Приложения.

Демонстрация работы проекта «Шлюзовой отсек с дополнительной системой очистки от лунной пыли с помощью пылесоса и магнитов»:

Лифт поднимается с поверхности Луны вверх на базу. Это происходит медленно в нашей модели, чтобы создать впечатление далекого подъема, так как база находится очень высоко над Луной. При приближении лифта к базе, ультразвуковой датчик подает сигнал для открытия входа. Как только космонавт защел в шлюзовой отсек, вход закрылся, и начинает работать система очистки скафандра от лунной пыли: включаются пылесос, вентиляторы, и вращается платформа. Система очистки в шлюзовом отсеке работает 10 секунд, затем космонавт снимает скафандр и проходит в жизнеобеспечивающий модуль. Там он выполняет необходимую работу и отдыхает. Затем вновь в шлюзовом отсеке одевает свой скафандр, открывается вход, и космонавт на лифте спускается вниз на Луну для новых исследований.

Заключение

Мы подробно изучили информацию о нашем спутнике Луне и посетили выставку «Космодрайв». При общении с экскурсоводами мы выяснили, что главные опасности при высадке космонавта на Луну это: радиация, большие перепады температур, очень маленькое притяжение и лунная пыль. Более подробно мы рассмотрели проблему лунной пыли, которая называется реголит. Это разнозернистый обломочно-пылевой слой толщиной от нескольких метров до нескольких десятков метров. содержит в себе большое количество химических микроэлементов: кремний, кислород, железо, титан, алюминий, кальций и магний. Ученые доказали, что регулярное вдыхание лунной пыли может привести к серьезным заболеваниям. Организм человека не адаптирован к негативному воздействию лунной пыли из-за ее небольшого размера. Лунный грунт наэлектризован, он прилипает почти ко всем посторонним поверхностям, включая посадочные модули.

При высадке космонавтов на Луну, лунная пыль прилипает к скафандру и ее очень сложно убрать. В результате пыль может попасть в легкие человека при последующем использовании скафандра. Мы предлагаем решить эту проблему, во-первых, с помощью дополнительного недорогого одноразового скафандра, который защитит основной скафандр от пыли. Этот скафандр будет надеваться в дополнительном шлюзовом отсеке на базе. Мы разработали эскиз дополнительного скафандра и сшили демонстрационный скафандр из прозрачной ткани. Реальные материалы для одноразового скафандра мы предложили следующие: кварцевая синтетика, кремнеземный текстиль, старлит. Однако, по мнению эксперта, это очень дорогие материалы для одноразового использования.

Эксперт определил второй способ защиты космонавта и основного скафандра от лунной пыли как наиболее эффективный и недорогой – это «Шлюзовой отсек с дополнительной системой очистки от лунной пыли с помощью пылесоса и магнитов». Мы сконструировали модель такого шлюзового отсека с помощью конструктора LegoMindstorms и успешно провели демонстрацию нашей проектной работы.

Космонавт на Луне нуждается в дополнительной защите, и ученые всего мира находятся в активном поиске способов защиты. Мы надеемся, что наш первый космический проект сможет вдохновить ученых на новые открытия.

Список используемой литературы:

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

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 конференции 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

Богданова С.М Механические передачи: От игры к реальности / С.М. Богданова // XIX Всероссийский детский конкурс научн.-иссл. и творческих работ "Первые шаги в науке" : сборник тезисов.- М.: НС Интеграция, Государственная Дума ФС РФ, Минобрнауки России.- 2017.- С. 726-727.Режим доступа:

http://integraciya.org/sborniki/pshn/PShN-2017-1.pdf

Вязов С.М., Калягина О.Ю., Слезин К.А. Соревновательная робототехника: приемы программирования в среде EV3: учебно-практическое пособие. – Москва: Издательство «Перо», 2014. – 132 с.;

Интернет источники:

http://spacegid.com/luna.html

https://zen.yandex.ru/media/spacegid/nash-estestvennyi-sputnik-luna-5ad73c7bdd2484b2fc6edf1b

http://fb.ru/article/254605/poslednie-issledovaniya-lunyi-kak-nazyivaetsya-lunnyiy-grunt

https://ru.wikipedia.org/wiki/Аполлон-11

https://www.popmech.ru/technologies/385422-kosmicheskaya-radiaciya-chto-eto-takoe-i-opasno-li-dlya-cheloveka/

https://www.e-reading.club/chapter.php/129838/16/Koreiivo_-_Na_kosmicheskom_korable.html

http://kosmolenta.com/index.php/683-2015-08-05-space-radiation

http://o-kosmose.net/luna-estestvennyiy-sputnik-zemli/temperatura/

http://fb.ru/article/254605/poslednie-issledovaniya-lunyi-kak-nazyivaetsya-lunnyiy-grunt

https://rostec.ru/analytics/10/

Приложение