Автоматическая система наведения и стыковки космических аппаратов «Соберись»

Опубликовано Савельева Елена Михайловна вкл 17.04.2019 - 1:40

Автор:

Галактионов Константин

В современной космонавтике существует тенденция минимизации космических аппаратов, которая поддерживается развитием электронных средств, технологий, новых материалов. Для этого создаются малые космические аппараты, вывод на орбиту которых обеспечивается относительно дешёвыми ракетами-носителями. Но из-за уменьшения космических кораблей с целью удешевления их запусков уменьшается количество груза, которое можно с помощью них доставить. Поэтому мы решили создать систему стыковки, которой будут оснащены модули, для доставки и сборки их на орбите.

Скачать:

Вложение	Размер
konferentsiya_2019_galaktionov.docx	960.86 КБ

Предварительный просмотр:

Министерства образования и науки РБ.

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение г. Улан-Удэ

«Средняя общеобразовательная школа №35»

Автоматическая система наведения и стыковки

космических аппаратов «Соберись»

Исполнитель: Галактионов Константин, учащийся 9 А

МАОУ г. Улан-Удэ «СОШ №35»

Научные руководители: Кормильцев Александр Сергеевич,

преподаватель центра развития детского технического творчества

НПО автоматики имени академика Н.А. Семихатова;

Савельева Елена Михайловна, учитель физики

МАОУ г. Улан-Удэ «СОШ № 35»

2019 г.

Оглавление:

1. Введение

1.1. Стыковка в Космосе – что это такое?

1.2. Виды систем стыковки

1.3. Поиск аналогов

1.4. Сравнительная таблица аналогов

1.5. Метод мозгового штурма

1.6. Анализ усовершенствованного технического объекта

1.7. Выявление критериев патентоспособности

1.8. Формула изобретения

2. Основная часть

2.1. Функциональная схема модуля

2.2. Выбор микроконтроллера и программирование

2.3. Выбор корпуса

2.4. Эскиз изделия

2.5. Чертёж изделия

3. Технологический этап

3.1. Технологическая карта изделия

3.2. Внешний вид изделия

4. Оценочный этап

4.1. Экономический расчёт

4.2. Экологическое обоснование

4.3. Прогноз развития системы

5. Заключение

6. Список литературы

Введение

В связи с чем предлагается гипотеза решения этой проблемы - возможно ли создание такой системы стыковки, которая позволила бы компактно оснастить модули робота, доставляемые в Космос за минимальные экономические затраты.

Цель проекта: создать рабочий прототип модуля, оснащённого компактной системой стыковки.

Задачи проекта:

1. Изучить материалы по этой теме и существующим разработкам;

2. Проанализировать возможные решения проблемы;

3. Выявить аналоги и прототип;

4. Разработать конструкцию модуля с системой стыковки;

5. Собрать модуль с системой стыковки на основе Arduino Uno;

6. Написать управляющую программу в Arduino.exe;

7. Представить результаты проектной деятельности.

Объект исследования: процесс создания систем стыковок для сборки модулей на орбите.

Предмет исследования: методы совершенствования конструирования системы стыковки.

В процессе исследования были использованы следующие методы:

· литературный поиск и теоретический анализ конструкторских идей;

· изучение проектной документации;

· обработка результатов исследования.

В поисково – исследовательской части работы будут рассмотрены некоторые методы решения творческих задач, а также описаны результаты их применения. Направления и первые результаты проектирования будут освещены в конструкторской части данной работы.

Основная часть I

1.1. Стыковка в Космосе – что это такое?

Стыковка — процесс (или способ) соединения космических аппаратов с помощью стыковочного механизма (агрегата стыковки), допускающего в дальнейшем рассоединение (расстыковку) космических аппаратов и продолжение их полётов по отдельности. При этом осуществляется механическое соединение, достаточно прочное для управления полётом одного аппарата с помощью состыкованного с ним другого. Стыковочный механизм может соединять (и не соединять) электрические схемы и гидравлические системы аппаратов; он может также содержать люк для перехода космонавтов из аппарата в аппарат.

Процессу стыковки предшествует дальнее сближение, затем ближнее, затем с причаливания начинается собственно стыковка. Специальные выступающие элементы стыковочных агрегатов входят в механическое зацепление, после чего начинается стягивание объектов, по окончании которого происходит сцепка замков. В этот момент электро- и гидроразъёмы уже соединены. Далее проверяется герметичность стыка, после чего можно открыть люки и переходить из объекта в объект.

При стыковке объектов большой массы (более массы транспортного корабля класса «Союз» или «Прогресс», близкой к 7 тоннам) стык дополнительно усиливается изнутри съёмными стяжками.

Если получившийся составной объект будет находиться в состыкованном состоянии достаточно долго, то возможен частичный демонтаж стыковочных механизмов и замена их на компактные плоские люки. [1]

1.2. Виды систем стыковки

Проблема стыковки встала перед создателями космических аппаратов вплотную в связи с программой осуществления пилотируемых облётов Луны и высадок на Луну. Первые технически реализуемые предложения по стыковке относятся к 1962 году.

Стыковка, в частности, позволяла осуществить полёт пилотируемых экспедиций на Луну — достигалась существенная экономия массы лунного корабля за счёт того, что на Луну садился и с Луны взлетал не весь корабль, а только специальный максимально облегчённый и неспособный к посадке на Землю лунный посадочный модуль корабля. [1]

Со временем менялось назначение данного процесса, из-за чего менялось и виды систем стыковки.

Вид 1: стыковочный узел предварительной фиксации, состоящий из штыря на одном из стыкуемых модулей, конического гнезда на другом модуле и элементов фиксации штыря в гнезде. Элементы фиксации выполнены в виде утапливаемого подпружиненного клинового стопора, установленного в пазе, расположенном в донной части конического гнезда, и соответствующей стопору кольцевой проточки на штыре. Этим обеспечивается возможность свободного поворота штыря вокруг свой продольной оси в коническом гнезде.

Вид 2: В состав каждой из таких систем входят узел предварительной фиксации и стягивания, включающий в себя выдвижную шарнирную штангу, размещаемую на одном из стыкуемых объектов, и приемное гнездо конической формы с фиксатором конца штанги, расположенное на другом стыкуемом объекте, а также замки окончательной стыковки объектов, элементы которых располагаются по периферии вышеупомянутых систем стыковки на каждом из КА.

Успешное функционирование подобных систем стыковки возможно при условии достаточно точной взаимной ориентации стыкуемых объектов и их сближения до минимально необходимого расстояния, что достигается обычно установкой на КА специальной системы управления. Следствием этого является довольно высокая стоимость подобных систем стыковки, которые по этой причине используются, главным образом, на транспортных и грузовых кораблях, космических станциях и т.п.

Вид 3: стыковочная система содержит узел предварительной фиксации стыкуемых объектов, выполненный в виде размещенного на одном из стыкуемых объектов охватываемого элемента - штыря, и, соответственно, охватывающего элемента - конического гнезда на другом стыкуемом объекте; эти элементы удерживают стыкуемые объекты от взаимных поперечных перемещений, позволяя одновременно прокручивать их относительно оси штыря; а также замки окончательной стыковки, расположенные по периферии стыковочной системы, при этом каждый из замков состоит из профилированного гнезда, размещенного на одном из стыкуемых объектов, и стержня с головкой, расширяющейся внутри приемного гнезда, расположенного на другом.

Соединительные элементы обеспечивают взаимную фиксацию стыкуемых объектов за счет введения в приемные гнезда одного аппарата разжимных головок соответствующих стержней другого аппарата. Головки стержней разжимаются в соответствующих гнездах в результате воздействия на них расположенных внутри стержней подвижных в осевом направлении штоков. [2]

1.3. Поиск аналогов

Аналог 1

$C:\Users\teacher\Pictures\1.png$

Андрогинно-периферийный агрегат стыковки (АПАС) - космический стыковочный механизм, используемый на Международной космической станции. [3]

Аналог 2

$C:\Users\teacher\Pictures\2.png$

Единый механизм пристыковки - стыковки всех нероссийских герметичных модулей международной космической станции между собой.

Аналог 3

$C:\Users\teacher\Pictures\3.png$

Система стыковки НАСА - международный пассивно-активный стыковочный механизм, который разрабатывается для будущего полета человека в космос. Многоцелевом пилотируемом корабле «Орион».

1.4. Сравнительная таблица аналогов

Таблица 1

	Аналог 1	Аналог 2	Аналог 3
Универсальность (выполнение и активной, и пассивной роли)	+	+	+
Автономность	+	-	+
Взаимозаменяемость модулей при стыковке	+	-	-

Вывод: наиболее удобной и совершенной системой стыковки является аналог 1. Именно его мы выберем за прототип.

1.5. Метод мозгового штурма

Для нахождения новых методов решения технических задач воспользуемся методом мозгового штурма.

Выдвигаем идеи для решения существующей проблемы:

1. Создать систему с использованием ИК датчиков для распознавания и

правильной стороны стыковки;

2. Создать систему с выдвижными поршнями, которые сцепляются

электромагнитами;

3. Создать универсальную систему стыковки, при которой модули смогут

взаимозаменять друг друга.

Оценка выдвинутых идей:

1. Сигнал ИК датчиков может предаваться на разной чистоте, поэтому есть

возможность реализации;

2. Интересное предложение, есть возможность реализации;

3. Универсальность, есть возможность реализации.

Вывод: воспользуемся всеми выдвинутыми идеями для решения проблемы, создадим универсальную систему стыковки с ИК датчиками и выдвижными поршнями.

1.6. Анализ усовершенствованного технического объекта

Проведём анализ усовершенствованного технического объекта, для этого сравним его с аналогом 1 – андрогинно-периферийный агрегат стыковки из пункта 1.4, для этого составляю таблицу 2. Жирным шрифтом я выделяю ограничительные признаки, т.е. те признаки, которые имеются и у исследуемого объекта и у аналога 1, а простым шрифтом – отличительные признаки; если есть хоть один отличительный признак, то существует новое техническое решение.

Исследуемый объект	Аналог 1
Система стыковки модулей	Андрогинно-периферийный агрегат стыковки
ИК датчики Электромагниты Стыковочный узел "замок" Андрогинный агрегат	Стыковочный узел "штырь-конус" Стыковочный шпангоут Андрогинный агрегат

Вывод: если хоть один ограничительный признак совпадает и в исследуемом объекте и в аналоге, то этот аналог действительно может являться ПРОТОТИПОМ нашего изделия.

1.7. Выявление критериев патентоспособности

Наличие технического решения;
Наличие существенных отличий;
Мировая новизна.

Так же был проведен патентный поиск в международной патентной классификации (МПК) и было выяснено, что изобретение относится к разделу В - Различные технологические процессы; транспортирование, а конкретно имеет номер B64G 1/64 - Системы стыковки и расстыковки космических кораблей или их частей, например устройство для причаливания. [6]

Проанализировав патенты данной категории, мы поняли, что наше изделие конкурентоспособно и не запатентовано.

1.8. Формула изобретения

Для составления формулы изобретения составляю таблицу 3, в которой выделю ограничительные и отличительные признаки нашего изделия.

Таблица 3

Ограничительные признаки

Положительный эффект

Отличительные признаки

1.Андрогинный агрегат

Увеличение функциональной значимости

и универсальности

1.ИК датчики

2.Электромагниты

3.Стыковочный узел "Замок"

Формула изобретения:

Система стыковки, содержащая андрогинный агрегат, отличающаяся тем, что с целью увеличения функциональной значимости и универсальности доработана ИК датчиками, электромагнитами и стыковочным узлом "Замок".

2.КОНСТРУКТОРСКИЙ ЭТАП

2.1. Функциональная схема модуля

Рисунок 4

$C:\Users\teacher\Pictures\4.png$

2.2.Выбор микроконтроллера и программирование

Исходя из функций нашей системы, мы определили, что нам необходим микроконтроллер, который бы обладал следующими параметрами: быстродействие и экономичность. Поэтому выбор пал на плату Arduino Uno и микроконтроллер Motor Shield. Для программирования платы была использована среда программирования Arduino , т.к. именно эта программа является самой перспективной и удобной средой программирования в современных устройствах.

Рисунок 5

$C:\Users\teacher\Pictures\6.png$ $C:\Users\teacher\Pictures\5.png$

2.3. Выбор корпуса

Для прототипа использовалась фанера как листовой материал, обладающий необходимой нам прочностью и лёгкостью, доступностью в приобретении и использовании, что для нас, школьников, является основными характеристиками в выборе материалов.

Так как её изготавливают из древесины березы, сосны, ели, бука, граба, клена, лиственницы, её можно применять в различных целях и без угрозы здоровью человека.

2.4. Эскиз изделия

Рисунок 6

$C:\Users\teacher\Pictures\7.png$

2.5. Чертёж изделия

$C:\Users\teacher\Pictures\8.png$ $C:\Users\teacher\Pictures\9.png$

$C:\Users\teacher\Pictures\9.png$ $C:\Users\teacher\Pictures\11.png$

3.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ЭТАП

3.1. Технологическая карта изделия

№п\п	Последовательное выполнение работы	Графическое изображение	Инструменты и приспособления
1.	Планирование, составление чертежей; и разведение плат	$C:\Users\teacher\Pictures\12.png$	Компас 3D, Sprint Layout
2.	Вырезка платформ из фанеры	$C:\Users\teacher\Pictures\13.png$	Станок для лазерной резки
3.	Подобрать радиодетали и другие компоненты	$C:\Users\teacher\Pictures\14.png$ $C:\Users\teacher\Pictures\15.png$	2 Arduino Uno; 2 Motor Shield; 16 ИК датчиков; 4 двигателя с редуктором CH1, 1:48; 24 стойки М3 для платформ; 4 АКБ 18х650; 4 отсека для АКБ.
4.	Написание программы для работы системы (ИК датчики, двигатели, сервоприводы, электромагниты)	$C:\Users\teacher\Pictures\15.png$	Arduino Uno, Motor Shield
5.	Пайка ИК датчиков к плате, и припаивание к двигателям провода	$C:\Users\teacher\Pictures\16.png$	Паяльник, ИК датчики, двигатели, плата, флюс, припой
6.	Установка всех компонентов на платформы	$C:\Users\teacher\Pictures\17.png$	Болты М3 и М2, электро-шуруповерт
7.	Тестирование системы		Прямая поверхность

3.2. Внешний вид изделия

$C:\Users\teacher\Pictures\18.png$

$C:\Users\teacher\Pictures\19.png$

4. ОЦЕНОЧНЫЙ ЭТАП

4.1. Экономический расчёт

Таблица 5

№п/п	Наименование	Стоимость материала	Кол-во шт	Затраты на изделие
№п/п	Наименование	Цена за 1 шт	Кол-во шт	Затраты на изделие
1.	Плата Arduino Uno	400 (руб)	2	800 (руб)
2.	Плата Motor Shield	210 (руб)	2	420 (руб)
3.	Двигатель с редуктором CH1	150 (руб)	4	600 (руб)
4.	Инфракрасные датчики VS183	40 (руб)	16	640 (руб)
5.	Серводвигатель MG90S	150 (руб)	8	1200(руб)
6.	АКБ 18х650	125 (руб)	4	500(руб)
7.	Отсек для АКБ	40 (руб)	2	80 (руб)
8.	Стойки М3 длинной 30мм	4 (руб)	16	64(руб)
9.	СтойкиМ3 длинной 10мм	3 (руб)	8	24(руб)
10.	Болты М3 длинной 5 мм	1 (руб)	48	48(руб)
11.	Болты М2 длинной 4мм	1 (руб)	48	48(руб)
		Итог: 4424 рубля

Итог: 4424 рубля - без учета затрат на электроэнергию, себестоимость прототипа модуля с системой стыковки.

4.2. Экологическое обоснование

Корпус выполнен из природного материала - фанеры, которая не наносит вред окружающей среде. АБС пластик, из которого выполнены отдельные элементы изделия, в твердом состоянии не токсичен и не вреден для людей и животных.

4.3. Прогноз развития системы

На данный момент мы дорабатываем нашу систему, осталось установить ИК датчики и шахты для стыковочных узлов. В дальнейшем планируется написать действия системы, при сбое программы или отказе какого-либо модуля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вопросы доставки больших аппаратов на орбиту сейчас актуальны, так как тенденция минимизации космических ракет и спутников только развивается.

В ходе работы над проектом мы собрали информацию из большого количества источников, рассказали о целях проекта и задачах проекта, разработали внешний вид, перечислили все инструменты, приспособления и материалы, используемые во время работы, составили технологическую карту, рассчитали себестоимость. Мы считаем, что достигли цели проекта, а именно: создали рабочий прототип модуля, оснащённого компактной системой стыковки.

Наша работа оригинальна, потому что такой системы стыковки нет. Наша модель является эксклюзивной. Проект находится в стадии доработки, в дальнейшем планируется написать действия системы, при сбое программы или отказе какого-либо модуля.

Список литература

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Стыковка

2. http://www.findpatent.ru/patent/226/2269462.html

3. https://dik.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1729021

4. http://dictionary.sensagent.com/Единый%20механизм%20пристыковки/ru-ru/

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Система_стыковки_НАСА

6. http://www1.fips.ru/

7. Новосёлов С. А. Технология развития изобретательства учащихся в процессе сбора и анализа технической и патентной информации. Екатеринбург: Урал, гос. проф. – пед. ун–та, 2010. – 178с.

Сказка "Узнай-зеркала"

На горке

Рисуем гуашью: "Кружка горячего какао у зимнего окна"

Нечаянная победа. Айзек Азимов

Разноцветное дерево