IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Имитация марсохода из лего.
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ и ЦЕЛЬ РАБОТЫ
ВВЕДЕНИЕ
Я решил заниматься конструированием марсохода из лего MINDSTORMS, потому что я понял, что в космосе наше будущее, да и просто это интересная тема.
Задача лего MINDSTORMS обучать детей разного возраста физике и механике и развивать воображение.
Всего 3 вида: RCX, NXT и EV3. Свою имитацию марсохода я буду делать из EV3.
Ещё я сделаю 3 сравнения между марсоходом на Земле и на Марсе.
ЦЕЛЬ: изготовить марсохода из лего MINDSTORMS.
Задачи:
Изучить планету Марс и сравнить с Землёй
Изучить историю развития марсоходов
Сравнить силу тяжести марсохода на Земле и на Марсе и двух других.
Сравнить скорость передвижения марсохода на Земле и на Марсе.
Узнать, сколько времени надо антенне марсохода, чтобы передать сигнал с Земли на Марс и обратно.
Что нужно для лего марсохода, чтобы он мог существовать на Марсе.
Сравнительная характеристика планет Марса и Земли
Большинство из нас надеются, что возможно когда-нибудь в недалеком будущем ученые обнаружат жизнь за пределами Земли. Наверное, планета Марс - одна из самых важных претендентов. И для этого есть морфологических и документальных предпосылок, полученных в результате немалое число исследований.
И что все-таки общего между нашей Землей и Красной планетой?
Марс
Вода – это основа
2/3 из планеты Земли –вода, 1/3-суша. Сама жизнь на нашей планете возникла в воде, и она присутствует везде, включая человеческие тела. У нас такого химического соединения предостаточно. Что касается Марса, то там тоже есть вода, но она представлена лишь льдом?! Хотя…
Снежные дюны на Марсе
На обеих планетах на полюсах обнаружены ледяные шапки. Лед также присутствует и в других местах Марса. Раньше его не могли открыть из-за пыли на поверхности. Считалось, что вода в жидком виде на Красной планете нет. Из-за того, что давление на Марсе небольшое, лед сразу превращается в пар и улетучивается.
Справка! Запасы льда на Марсе оцениваются в 150 млрд. куб. м. Им можно обложить всю планету слоем в 1 метр.
Тающий лед на Марсе
Длительность суток
Наши сутки – это 24 часа, а марсианские – 24 часа 40 минут. Разница минимальная. Вероятно, многие опровергнуть нас, объяснив этим простым совпадением, но все же. Например, марсианский год существенно длиннее – 687 суток (земных).
Сезоны
За осенью идет зима и так далее. Привычный для нас порядок смены сезонов есть и на Марсе, но вот их длительность не такая однообразная как у нас: осень – 5,3 месяца; зима – 4 месяца; весна – 7 месяцев; лето – 6 месяцев.
Температура
На Земле существует благоприятный температурный фон для живых организмов. Марс критичен по температуре. В зависимости от полушария летом разбег составляет от -20 до +30 °C. Зафиксированный максимум температуры +35 °C. Зимой все хуже, ночью на экваторе слишком холодно – в районе -100 °C. А на полюсах – до -143 °C. При этом перепад температур может доходить до
80 °C в день.
Вывод
Как мы видим совпадений между Марсом и Землей есть, но они становятся не особо актуальными, так как есть основная проблема -на Красной планете нет магнитного поля. И не будет защита от радиации для людей там. И не надо забывать, что там не хватает солнечного света. По сравнению с Землей он составляет 50%.
Сравнение характеристик Земли и Марса с округлением
1. Расстояние от Солнца – 150 млн. км и 228 млн. км.
2. Диаметры – 12 755 км и 6 791 км.
3. Наклон оси – 23,5 градуса и 25 градусов.
4. Год – 365 и 687 дней.
5. Сутки – 23 часа 56 минут и 24 часа 37 минут.
6. Сила тяжести на Земле в 2,66 раза больше по сравнению с Марсом.
7. Средняя температура –+13 °C и -62 °C.
8. Атмосфера у Земли азот и кислород и др., а на Марсе -более 95 % приходится на углекислый газ, небольшое количество водяного пара. Давление атмосферы Марса составляет в среднем1/170 от земного атмосферного давления, или равно земному на высоте почти 35 км от поверхности Земли.
9. Количество лун – 1 и 2, соответственно.
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МАРСОХОДОВ.
Первые запуски
Первый полноценный марсоход в мире был сконструирован в СССР в 1971 году. Его назвали сокращенно ПрОП-М «прибором оценки проходимости – Марс». Первая попытка запуска состоялась в ноябре 1971 года. Межпланетная станция Марс-2 должна была спустить марсоход на поверхность планеты. Из-за ошибки в работе аппаратуры плавная посадка не произошла. Угол спуска марсохода оказался слишком резким и парашютная система не выдержала. Аппарат разбился о поверхность планеты.
Совместно с Марс-2 была запущена межпланетная станция Марс-3, сблизившаяся с Красной планетой несколькими неделями позже. Марс-3 также должен был доставить марсоход ПрОП-М. В этот раз посадка получилась более удачной. Аппарат успешно приземлился на поверхность и успел передать на Землю изображение местности. Однако через 14 секунд связь с марсоходом была прервана навсегда. До сих пор не выявлено единодушного мнения насчет того, что с ним случилось. Наиболее популярные гипотезы говорят о попадании в пылевую бурю, повредившую систему аппарата.
ПрОП-М с Марса-3 стал первым в истории искусственным аппаратом, удачно приземлившимся на поверхность Марса. У этого марсохода также была уникальная система передвижения – лыж. Такой необычный выбор был сделан из-за слабо изученной поверхности Марса.
Успешные миссии на поверхности Марса
Соджорнер
Первая полностью успешная миссия на Красную планету состоялась только в 1997 году. Это была часть американской программы «Марс Патфайндер» (МаrsPathfinder). Целью программы стала доставка и спуск марсохода «Соджорнер» (Sojorner) на поверхность Марса. Посадка вышла не слишком удачной – после сильного столкновения с поверхностью, марсоход несколько раз отскакивал от нее, прежде чем остановиться на место. Была проблема со связью Патфайндера с космической сетью NASA. Но связь была налажена, и марсоход приступил к выполнению своих целей.
Соджорнер должен был выполнить следующие задачи:
• Провести анализ пород камней из поверхности Марса.
•Сделать фотоснимки по указанным координатам.
•Исследовать состав атмосферы.
Компьютер аппарата работал без операционной системы и имел весьма скромные характеристики, но этого хватало для выполнения всех поставленных задач. Антенна обеспечивала марсоходу связь с Землей. Она транслировала сигнал к орбитальной станцией, имевший прямую связь с научным центром NASA. Энергию для работы марсоход черпал из солнечных батарей, установленных на его поверхности. Вместительность батарей позволяла ему работать в течение нескольких часов даже ночью.
У марсохода Соджорнер были 3 камеры. Две из них использовались для создания широких панорамных снимков. Всего более 500 фотографий поверхности были сделанными аппарата. Анализ почвы, проведенный Соджорнером показал, что Марс содержит химический состав близкий к земному. Исследование камней подтвердило теорию ученых о высокой вулканической активности в далеком прошлом.
Миссия Соджорнера была рассчитана на 7 дней, с возможным продлением до 30 в случае успеха. Однако марсоход превзошел все ожидания, сохраняя себя в рабочем состоянии 83 дня. До выхода из строя он проехал по Марсу 100 метров.
Программа МЕRMarsExplorationRover
Новая космическая программа – Mars Exploration Rover (MER). Два новых марсохода были «Спирит» и «Оппортьюнити». В январе 2004 года оба марсохода были успешно доставлены на Красную планету. И это стало первым случаем, когда планетоходы приземлились абсолютно удачно.
|
Марсоход Оппортьюнити |
Марсоход Спирит на Марсе |
|
Масса марсохода на Земле - 185 кг, на Марсе - 69,7 кг. Размеры - 1,6*2,3*1,5м Последний успешный сеанс связи - 5250 дней Мощность -140 ватт Прошёл-45 км |
Масса на Земле 185 кг, а на Марсе 69,7 кг. Размеры - 1,6*2,3*1,5 м Последний успешный сеанс связи- 2270,78 дня Мощность-140 ватт |
Мягкая посадка была обеспечена новыми инженерными решениями:
• Увеличенный парашют
• Подушки безопасности из прочного синтетического материала
• Вспомогательные ракетные двигатели для замедления скорости приземления
Аппараты приземлились в разные районы Марса. Их главной задачей стало изучение осадочных пород в кратерах. На основании полученных результатов, ученые смогли сделать вывод о вероятность существования жизни на Марсе, которая оказалась неоднозначной. В каналах на поверхности планеты обнаружено наличие воды в прошлом, а анализ почвы был очень близкий к земному химическому составу. Химический анализ одного из камней стал первым полноценным доказательством о существовании воды на Марсе. Ссылаясь на этих открытий, самой популярной гипотезой стала теория о существовании жизни на Марсе миллионы лет назад, которая была уничтожена в результате высокой тектонической активности на планете.
Питание марсоходам обеспечивали солнечные батареи в ячейками. Если одна или несколько ячеек перестанут работать, то остальные продолжать работать. Емкость самих батарей была также увеличена для продолжительную работу в пасмурную погоду и ночью.
Камерам марсоходов программы MER удалось сделать самые качественные снимки Марса. Камеры способны делать стерео снимки с углом зрения в 360 градусов и создавать карты поверхности Красной планеты.
Новость стали камеры избегания опасности, получившие название Hazcam. С их помощью компьютер, не позволял марсоходов столкнуться с потенциально опасными зонами на планете.
Работать аппараты должны около 90 суток. Но «Spirit» проработал 6 лет. В 2009 году он застрял в песчаной дюне и через год уже не выходил на связь. «Opportunity» вовсе побил все рекорды. В 2007 году попав в пылевой шторм, он потерял связь с Землей, но вышел на связь уже через сутки. По состоянию на 2019г. он все еще функционировал.
Curiosity (Кьюриосити)
В 2011 году NASA запустили марсоход Curiosity. Спустя девять месяцев аппарат совершил успешную посадку на поверхность Красной планеты.
|
Марсоход «Кьюрио́сити» |
Масса - 899 кг (вес на Марсе эквивалентен 340 кг) Размеры - 3,1 × 2,7 × 2,1 м Мощность – 125 Вт электрической энергии, Источник питания – радиоактивный источник электричества (использует радиоактивный распад изотопа 238Pu). Движитель - 4 см/с = 14.4 км/ч |
Перед Кьюриосити стоял ряд задач:
• Подробное исследование климата Марса
• Детальный анализ поверхности
• Поиск следов возможного существования жизни на планете в прошлом
• Выполнение подготовки высадки человека на Марс
«Кьюрио́сити» оборудован двумя компьютерами с одинаковыми характеристиками: 256 кБ ПЗУ, 256 МБ DRAM, 2 ГБ перезаписываемой памяти, Процессор RAD750, Операционная система VxWorks.
У его процессора есть высокая устойчивость к радиации. Там два компьютера для подстраховки. Компьютер автоматически следит за состоянием марсохода. Он может регулировать температуру аппарата, в зависимости от времени суток. Так как ночью температура Марса значительно падает, Curiosity включает самообогревание. Также, компьютер постоянно отправляет на Землю отчет о своем техническом состоянии. Операторы NASA командуют, например взятия проб марсианских почв или фотографирования поверхности.
Марсоход Curiosity имеет много камер.
• MastCam. Оптическая система состоит из двух камер. Из возможностей – съемка фотографий в разрешении 1600 х 1200 и съемка видео с разрешением 720р. Все красивые пейзажи Марса сделаны именно с нее.
• MAHLI расположена на так называемой руке-роботе аппарата. Используется для получения микроскопических фотографий грунта.
• камера MARDI снимала поверхность Марса во время спуска аппарата на поверхность.
• Инфракрасная камера ChemCam. Она с помощью излучаемого лазера анализирует свет, исходящий с горных пород.
• APXS система, при помощи которой можно сделать рентгеновские снимки. Они необходимы для более детального исследования состава пород.
Уже через месяц после посадки на Марс, Кьюриосити сделал открытие, были найдены следы древнего ручья. Анализ показал, что вода в нем текла примерно со скоростью 1 метр в час. Давно существовали гипотезы о наличии запасов льда под поверхностью Марса. Но открытие Curiosity окончательно доказывает, что раньше здесь была и жидкая вода на поверхности.
Кроме множества камер, Curiosity оснащен буром. После бурения поверхности планеты, частицы почвы подвергаются анализу. Подробное исследование образцов почвы позволило начать активную подготовку к отправке человека на Марс. Необходимость такого исследования заключается в измерение радиации и нахождении вредных испарений.
Неудачные миссии
Советский Союз принимал несколько попыток запуска своего марсохода на Красную планету в начале семидесятых. В 1970 году были разработаны два проекта под кодовыми названиями «Марс-4НМ» и «Марс-5НМ». Это были тяжелые советские марсоходы, которые должны были быть доставлены на Марс ракетой H-1. Проекты были закрыты, так как ракета не прошла тестовые запуски. Всего было произведено 4 пуска, каждый из которых закончился пожаром и разрушением обшивки.
В 1998 NASA начали очередную разработку программы по исследованию Марса под названием «Mars Surveyor 98». В 1999 году состоялся запуск межпланетной станции и марсохода «Mars Climate Orbiter». Войдя в атмосферу Красной планеты, оба аппарата перестали функционировать. В неудаче проекта винят слабое финансирование и маленькие сроки.
Еще одной неудачей в исследовании Марса стал российский проект «Фобос-Грунт». Задача аппарата была - собирание образцы грунта с Марса и его спутника Фобоса. Запуск состоялся в ноябре 2011 года. Из-за неполадок в двигательной системе, аппарату не хватило мощности покинуть земную орбиту, где он и остался. Через несколько месяцев «Фобос-Грунт» сгорел в плотных слоях атмосферы.
Новые миссии
В мае 2018 года к Марсу был запущен новый аппарат – InSight. Он стал частью программы Discovery. Цель миссии направлена на изучение внутреннего строения Марса. За разработку программы отвечали те же люди, которые подготавливали операции Спирит, Оппортьюнити и Кьюриосити. В ноябре аппарат удачно сел на планируемое место посадки и приступил к выполнению задач.
Летом 2020 года Роскосмос планирует запуск аппарата «Экзомарс». Ракетный модуль должен доставить новый марсоход к 2021 году. Цель проекта – поиск следов существования жизни на Марсе.
В 2020 году НАСА планируют запустить очередной планетоход на Марс. Проект назван «Марс-2020» и включает несколько революционных разработок. К марсоходу будет прикреплен небольшой дрон. Он сможет передвигаться по воздуху и получать доступ в места недоступные марсоходу. Также на дроне будут установлены микрофоны, что позволит впервые записать звук на Марсе.
Моя имитация марсохода из ЛЕГО.
|
Масса - 0,85 кг Скорость -102 м/ч Мощность -2 ватт Марсоход ЛЕГО снабжен лазером, фонариком и детектором радиоактивности. |
Атомная (радионуклидная) батарея
Как известно последний марсоход Кьюриосити использовал атомную батарею и поэтому он такой мощный. Давайте представим, что мой прототип марсохода взяли NASA, осталось бы только добавить атомную батарею и среднюю по длине антенну. Чтобы марсоход имел связь с Землёй нужен искусственный спутник, находящийся на орбите Марса. И самое главное нужно приспособление, которое бы помогало марсоходу возвращаться в исходное положение, если перевернется.
СРАВНИЕ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ МАРСОХОДОВ НА ЗЕМЛЕ И МАРСЕ
Fтяж = mg, где m-масса, g-ускорение свободного падения.
m=0,85 кг, gземля=10 иgмарс=4 следовательно:
Fтяж = 0,85*10= 8,5H - на Земле
Fтяж=0,85*4=3,4H-на Марсе
Так мы сравнили силу тяжести имитации ЛЕГО-марсохода
на Земле и на Марсе.
Для Спирит и Оппортьюнити:
Fтяж = mg, где m-масса, g-ускорение свободного падения.
m=185 кг, gземля=10Н/кги gмарс=4Н/кг следовательно:
Fтяж = 1850 H - на Земле.
Fтяж = 185*4 = 740 H -на Марсе
Так мы сравнили силу тяжести марсохода Оппортьюнити на Земле и Марсе.
Сравнение скорости лего марсохода и обычного марсохода
И так сделаем отношение мощности к массе для каждого марсохода и получаем, что у обычного марсохода мы делим 140 ватт на 185 кг, получим приблизительно 0,76 ватт/кг.
Теперь для Лего марсохода делим 2 ватт на 0,85 кг, приблизительно получаем 2,33 ватт/кг. Делим отношения 2,33 на 0,76, получаем отношение приблизительно в 3 раза выше для лего марсохода.
Можно предположить, что Лего марсоход быстрее обычного в 3 раза при абсолютно гладкой поверхности. Посмотрев в википедии чему равна скорость обычного марсохода, я узнал, что она равна 34м/ч (с учётом проскальзывания колёс) следовательно, скорость Лего марсохода будет равна 102 м/ч на Марсе
И так чтобы узнать скорость Лего марсохода на Земле я отправил его на 6 метровую неровную поверхность, и он там ехал 36 секунд. Мы разделили расстояние на время и получили скорость 1/6 м/с. Умножили на 3600 с получили скорость 600 м/ч на Земле.
Сколько времени нужно, чтобы передать сигналс Земли на Марс и обратно.
Скорость света: c = 300000 км/сек
Мин. расстояние Земля-Марс = 54 млн. км.
Макс. расстояние - 400 млн.км.
Время если макс. расстояние туда и обратно
приблизительно за 45 мин.
Время если мин. расстояние туда и обратно
приблизительно за 10 мин.
Выводы
Итак, давайте подводить итоги:
Хоть планеты Марс и Земля в чём-то похожи, но основная проблема - на Красной планете слабое магнитное поле, потому не будет защиты от радиации для людей. Еще там примерно в два раза меньше солнечного света, так что будет не хватать солнечного света.
Мы сравнили лего марсоход и два других марсохода, получилось, что мощность больше в 3 раза и выше скорость.
Узнали, в чём лего марсоход превосходит оригиналы, а в чём проигрывает.
Узнали сколько примерно времени нужно, чтобы передать сигнал между Землёй и Марсом туда и обратно.
Узнали, какое современное оборудование нужно лего марсоходу, чтобы жить и работать на Марсе.
Список литературы:
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D1%80%D1%81%D0%BE%D1%85%D0%BE%D0%B4 - Марсоходы
В.Н. Комаров - „Новая занимательная астрономия – Марс и Земля, www.astro-cabinet.ru/library/knza/novaya-zanimatelnaya-astronomiya9.htm
Детская энциклопедия ”МАХАОН”, Тайны вселенной.