Защита космонавта от лунной пыли. Окололунная база из конструктора Lego WeDo 1.0

VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Защита космонавта от лунной пыли. Окололунная база из конструктора Lego WeDo 1.0

Ярметов З.А. 1Бессонова Ю.А. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"
Попова Е.Е. 1Анисимова Д.В. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Вы бы хотели отправиться на Луну? Да, скажете вы, не задумываясь. Луна так близко… Но это нам кажется. Чтобы добраться до Луны нужно сначала преодолеть земное притяжение, а ещё позаботиться о своей защите.

Цель: получить новые знания о нашем спутнике Луне, научиться работать в одной команде со старшеклассниками в процессе изучения информации и постановки проблемы, самостоятельно создать проект «Окололунная база».

Задачи:

- самостоятельно изучить информацию о Луне, как о небесном теле;

- узнать об опасностях на поверхности Луны от старшеклассников при защите проекта «Человек на Луне. Обеспечение безопасности»;

- подробно изучить одну из опасностей на Луне – лунная пыль, совместно со старшеклассниками

- самостоятельно разработать макет окололунной базы и создать модель с помощью конструктора LegoWeDo;

- провести демонстрацию модели «Окололунная база»

Работа над проектом была проведена в 7 этапов:

1. Распределение общих тем про Луну среди участников команды с целью поиска информации;

2. 18 ноября 2018 года совместная экскурсия на выставку «Космодрайв» в г.Тюмень;

3. Обсуждение найденной информации и формулировка проблемы защиты от лунной пыли совместно со старшеклассниками;

4. Создание эскиза проекта «Окололунна база»;

5. Распределение составных частей проекта среди участников команды с целью поэтапного конструирования, отладки и запуска;

6. Соединение всех составных частей и создание модели в целом;

7. Отладка и демонстрация проекта «Защита космонавта от лунной пыли.

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 оформлении проекта мы использовали идеи из большой 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 учебным пособием по образовательной 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 1.1)

Луна не обращается вокруг самой Земли — у них есть общий центр массы. (Приложение, Рисунок 1.2) 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 1.3) 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 1.4) 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 1.5) 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. 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. [7] Для того, чтобы узнать какие опасности ждут космонавта при высадке на Луну мы отправились на выставку «Космодрайв» в г. Тюмень. (Приложение, Рисунок 2.1), Пообщавшись с экскурсоводами (Приложение, Рисунок 2.2) 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.

2.1 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 2.3) 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 2.4). Если бы они пошли обычным "земным" шагом, они бы просто подлетели вверх или упали, что не раз случалось. [8]

2.2. 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 2.5) 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. [9] На Луне нет атмосферы, поэтому космонавты будут подвержены обоим типам радиации.

2.3. 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 2.6). 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. [10]

2.4. 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 2.5).

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. [12]

Глава 3. 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 3.1). Современный космический скафандр представляет собой маленький автономный космический аппарат, в котором космонавт может проводить до 10 часов в сутки в открытом космосе. [12]

Глава 4. Защита космонавта и его скафандра от лунной пыли с помощью дополнительного скафандра

Для защиты космонавта от лунной пыли мы предлагаем два способа:

Первый способ. Разработать.

Дополнительный одноразовый скафандр 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. Команда старших ребят разработали эскиз дополнительного скафандра (Приложение, Рисунок 4.1). Этот скафандр будет надеваться в дополнительном шлюзовом отсеке на базе. (Приложение, Рисунок 4.2). Для наглядной демонстрации команда старших ребят сшили легкий верхний одноразовый скафандр и одели на Семёна. (Приложение, Рисунок 4.3)

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 4.3).. Как только мы выслушали идею с дополнительным внешнм скафандром, мы решили сконструировать базу с двумя шлюзовыми отсекам из конструктора LegoWeDo 1.0 (Приложение, Рисунок 4.4).

Глава 5. Создание проекта «Окололунная база с двумя шлюзовыми отсеками» из LegoWeDo 1.0

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 (эскизы частей базы представлены в Приложении, Рисунок 5.1:

1 Стыковка ракеты с базой.

Движение ракеты по направлению к базе должно быть медленным и ровным.

Мы сконструировали модель ракеты, установили её на рычаг. Таким образом, наша ракета получилась тяжелой. Для демонстрации пристыковки ракеты к базе, нам необходим сильный и медленный механизм, а также правильное распределение нагрузки. С такой задачей под силу справиться только червячной передаче! [1, 3] (Приложение, рисунок 5.2).

2. Жизнеобеспечивающая база.

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. База обеспечит полную защиту космонавту на протяжении долгого проживания на Луне, а также позволит производить наблюдения за поверхностью Луны в безопасные часы.

Шлюз базы открывается с помощью понижающей зубчатой передачи и реечной передачи, что обеспечивает более точное движение направо-налево (Приложение, рисунок 5.3). [1, 3]

3. Два шлюзовых отсека.

Космонавт из базы переходит по конвееру в первый шлюзовой отсек, где одевает основной скафандр (Приложение, рисунок 5.4). [1, 3] Потом идет во второй отсек и одевает дополнительный скафанлр.

4 Лифт на поверхность Луны.

Лифт двигается внутри шахты с помощью лебедки (Приложение, рисуно 5.5). [1, 3]

5 Путь космонавта по Луне. Бессонова Юля

Мы установили космонавта на длинный рычаг. После прохождения двух шлюзовых отсека космонавт одет в двойной скафандр и он под защищенный выходит на поверхность. Рычаг установлен на понижающей передачи с применением коронной щестерни (Приложение, рисунок 5.6). [1, 3].

Наш проект работает от 6 моторов, трех коммутаторов. Программа построена с использованием писем и представлена на Рисунке 5.7, Приложения.

Демонстрация.

Демонстрация проекта: Ракета медленно стыкуется с жизнеобеспечивающим модулем, открывается шлюз и космонавт проходит на базу. (Приложение, Рисунок 5.8) После небольшого отдыха космонавт направляется в первый шлюзовой отсек, где одевает основной скафандр, затем в дополнительный шлюзовой отсек, где одевает дополнительный скафандр, после чего на лифте спускается вниз на поверхность Луны, подходит к луноходу, выполняет исследования поверхности Луны. По окончании совей работы, космонавт возвращается в лифт, поднимается вверх, во втором шлюзовом отсеке снимает дополнительный скафандр и выбрасывает его, проходит в первый шлюзовой отсек и снимает основной скафандр, возвращается в модуль жизнеобеспечения. Через некоторое время садится в ракету и улетает.

Заключение

В процессе изучения информации мы узнали много нового и интересного о Луне, о главных опасностях на Луне: днем очень жарко, а ночью очень холодно, невидимые опасные лучи (радиация), к Луне человек притягивается намного слабее, чем к Земле, вредная лунная пыль. Мы также узнали, что скафандр защищает человека всего на 10 часов. Для защиты космонавта от радиации нужна база. Для защиты космонавта от лунной пыли нужен дополнительный скафандр и дополнительный шлюзовый отсек.

Таким образом, мы сконструировали окололунную базу, которая включает в себя жизнеобеспечивающий модуль, основной (первый) шлюзовый отсек, дополнительный (второй) шлюзовый отсек, лифт на поверхность Луны. Также в проекте демонстрируется движение ракеты и движение космонавта по поверхности Луны.

Для успешной демонстрации проекта мы использовали 6 моторов, которые подключены к одному компьютеру посредством 3 коммутаторов. Для осуществления движения космонавта мы использовали следующие механические передачи: червячная передача, реечная передача, рычаг, зубчатая передача, лебедка, конвеер.

Мы успешно выполнили наш проект. Совместная со старшеклассниками постановка проблемы и нахождение путей её решения помогла нам выделить главную задачу для нашей окололунной базы – наличие двух шлюзовых отсеков для поэтапного снятия двух скафандров, это и поможет космонавту обезопасить себя от вдыхания вредной лунной пыли.

Скоро планируют построить реальную базу около Луны. Мы думаем, что наши идеи могут быть при этом полезны. А вдруг на эту базу через 20 лет мы полетим тоже?

Наш проект можно использовать на уроках робототехники, астрономии и внеклассных мероприятиях.

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://spacegid.com/luna.html

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

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

Рисунок 1.1 Луна – естественный спутник Земли

Рисунок 1.2 Схема движения системы Земля-Луна

Рисунок 1.3 Схема орбиты Луны

Рисунок 1.4 Лунные кратеры

Рисунок 1 5 Рельеф Луны

Рисунок 2.1 Экскурсия на выставку «Космодрайв» в г. Тюмень

Рисунок 2.2 Общение с экскурсоводом на выставке «Космодрайв» в г. Тюмень

Рисунок 2.3 Разница притяжений на Земле и на Луне

Рисунок 2.4 Передвижение космонавтов по лунной поверхности

Рисунок 2.5 Магнитное поле Земли, защищающее ее от космической радиации

Рисунок 2.6 Температура на поверхности Луны

Рисунок 2.7 Поверхность Луны и лунный грунт

Рисунок 3.1 – Скафандр «Беркут» в музее космонавтики на ВДНХ

Рисунок 4.1Схемы космонавта в одном основном и двух (основном и дополнительном) скафандрах.

Рисунок 4.2 Демонстрационный вариант дополнительного скафандра из тонкой ткани

Рисунок 4.3Шлюзовой отсек Квест и схема двух шлюзовых отсеков.

Рисунок 4.4 Схема стыковки ракеты с базой и лифт до поверхности Луны.

Рисунок 5.1 Чертежи окололунной базы

Рисунок 5.2 Механизм червячной передачи для движения ракеты

Рисунок 5.3 Механизм реечной передачи для закрытия/открытия двери шлюза

Рисунок 5.4 Механизм крнвеер для движения космонавта между шлюзовыми отсеками

Рисунок 5.5 Расположение лифта. Механизм - лебедка

 

Рисунок 5.6 Механизмы движения космонавта по поверхности Луны: рычаг, понижающая зубчатая передача.

Рисунок 5.7 Программа для запуска проекта «Окололунная база»

Рисунок 5.8 Модель лунной базы, собранная из конструктора LegoWeDo 1.0

Просмотров работы: 22