Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.


Энергообеспечение марсохода

Номинация: Лучшая действующая модель


Структура и строение марсохода (ровера) NASA.
Структура и строение марсохода (ровера) NASA.

Марсоход «Spirit».
Марсоход «Spirit».

Рис. 1.
Рис. 1.

Рис. 2.
Рис. 2.

Рис. 3.
Рис. 3.

«Луноход-1».
«Луноход-1».

«Луноход-2».
«Луноход-2».

«Марс-3».
«Марс-3».

Спускаемый аппарат станции «Марс-3».
Спускаемый аппарат станции «Марс-3».

Прыгающее транспортное средство П.А. Малинина.
Прыгающее транспортное средство П.А. Малинина.

Марсоход «Соджорнер»
Марсоход «Соджорнер»

Схема работы диска Брауна.
Схема работы диска Брауна.

В таблице представлены данные планеты Марс в сравнении с аналогичными данными планеты Земля.
В таблице представлены данные планеты Марс в сравнении с аналогичными данными планеты Земля.

Оценить:

Рейтинг: 3.87

1ое, 2ое и 3е место: III место

Автор: Владимир Клюев, 10 класс (г. Сосновый Бор, средняя школа №2).

Руководитель: Николай Петрович Колчев, преподаватель «Центра развития творчества детей и юношества».

Аннотация


Представленная работа посвящена решению проблемы энергообеспечения марсохода в различных погодных условиях планеты Марса.

Использование солнечных батарей на поверхности Марса затрудняется частыми и продолжительными пыльными бурями. Во время пыльных бурь предлагается использовать электрогенераторы, основанные на трибоэффекте. В работе представлены компоновочные решения и проработаны основные узлы аппарата.

Введение

Земляне готовятся к экспедиции на Марс. По российской программе в состав межпланетного комплекса будут входить корабль, солнечный буксир, взлетно-посадочный комплекс и корабль возвращения. После выхода корабля на круговую орбиту вокруг Марса взлетно-посадочный комплекс с экипажем (а в первых полетах, возможно, и без экипажа) отправится на поверхность планеты и после выполнения запланированной программы направится на корабль для возвращения на Землю. Наша страна имеет богатый опыт конструирования и эксплуатации космической техники. В меньшей степени это относится к взлетно-посадочному комплексу [1]. Так требуют своего решения: движители и способы передвижения по поверхности планеты, энергообеспечение марсохода во время пыльных бурь. Поиску решения этих проблем и посвящена предлагаемая работа.

1. Условия на Марсе

Марс имеет сходства с Землей больше, чем любая другая планета Солнечной системы. В то же время между ними имеются заметные различия, которые нельзя не учитывать при разработке аппарата (см. таблицу). В таблице представлены данные планеты Марс в сравнении с аналогичными данными планеты Земля.

Суровые условия говорят о непригодности Марса для существования земных организмов. Состав атмосферы этой планеты непригоден для дыхания. Низкие температуры на поверхности планеты, низкое давление атмосферы и другие факторы для обеспечения безопасности космических планетарных экспедиций требуют применения защитных средств.

Поток солнечной энергии на планете Марс, вследствие удаленности от Солнца, значительно меньше, чем у Земли, и такой источник электроэнергии, как солнечные батареи, будет далеко не всегда достаточен. Это потребует использования других источников. Рельеф Марса отличается большим разнообразием. Поверхность его ассиметрична и подразделяется на два полушария, резко различающиеся по морфологии: северное представлено равнинами, южное – сильно кратеризованными возвышенностями, причем поверхность южного лежит на 4–7 км выше северного. Границей между этими макрообразованиями служит обширная (от 100 до 500 км) переходная зона [6].

Для средне– и высокоширотных районов южного полушария характерны многочисленные кратеры, образованные как метеоритной бомбардировкой, так и в результате тектонической активности. Об интенсивной тектонической активности, происходившей примерно 1 млрд. лет назад, свидетельствуют многочисленные разломы марсианской коры, ущелья с системой ветвящихся каньонов, достигающих нескольких километров в глубину и нескольких десятков километров в ширину и протянутых на сотни и даже тысячи километров в длину. Вследствие наличия атмосферы и интенсивной эрозии кратеры значительно эродированы. Обилие пылепесчаного материала на поверхности планеты обусловлено процессами химического взаимодействия и выветривания, атмосферной эрозией. В перераспределении по поверхности сыпучего материала играют роль ветры с пыльными бурями [7]. Из вышесказанного можно заключить, что условия для передвижений марсохода являются весьма сложными и это – одна из главных трудностей в разработке аппарата.

2. Аналоги взлетно-посадочного аппарата на Марс

Известны следующие марсоходы:

2.1 «Прыгающее транспортное средство Малинина П.А.» [8] Прыгающее транспортное средство предназначено для использования в условиях сложного рельефа местности. Прыгающее транспортное средство (рис. 5 Приложения А) включает корпус 2 и основание 1, колеса 10, закрепленные на основании 1 с помощью пружин 11, 12, солнечные панели 25, закрепленные на корпусе 2, и прыжковый двигатель 5. Прыжковый двигатель 5 установлен на основании 1 транспортного средства и состоит из наводящего устройства и закрепленной в нем с возможностью установки и фиксации на заданный угол к горизонту направляющей трубы, внутри которой помещены толкатель 8, выполненный из материала с эффектом памяти формы и представляющий собой цилиндр с осевым цилиндрическим каналом, выходящий при нагреве за пределы направляющей трубы, и индукционный нагреватель 7.. Корпус изготовлен по форме шарового сегмента с возможностью опираться в исходном положении на два мотор-колеса 10 и, по меньшей мере, на одно из колес-ленивцев 15 при сжатых под тяжестью транспортного средства пружинах, выполненных пластинчатыми. На боковых поверхностях корпуса закреплены горизонтальные стабилизаторы 21 с рулями высоты 22, а в хвостовой части – киль 23 с рулем поворота 24. Одна из пластинчатых пружин может быть закреплена одним концом на основании, а другим – жестко соединена с пластинчатой пружиной, на конце которой установлено мотор-колесо 10 с образованием между ними острого угла. Пластинчатая пружина может быть выполнена дугообразной: один конец закреплен на основании, а другой – свободно скользит по нему. Мотор-колеса 10 соединены между собой осью.

2.2 «Mars Pathfinder» [12]

Американский космический аппарат «Mars Pathfinder» (рис. 6 Приложения А) оторвался от земли в декабре 1996 года. Этот небольшой космический аппарат помимо научных приборов был оснащен первым в мире марсоходом, названным «Соджорнер», что в переводе с английского означает «путешественник». Посадочный аппарат «Пасфайндера» был снабжен теленизионной камерой, способной давать панорамное стереоскопическое изображение ближайших окрестностей, а также сложным комплексным прибором для изучения структуры атмосферы планеты и ее метеорологических особенностей. Марсоход «Соджорнер» мог удаляться от посадочного аппарата на расстояние около 500 метров, сохраняя с ним радиосвязь. Помимо телекамер «Соджорнер» был оснащен спектрометром, исследующим химический состав поверхности. Последняя информация с «Pathfinder» была получена 27 сентября 1997 года. При этом и посадочный аппарат, и марсоход проработали значительно дольше запланированного (по плану первый был рассчитан на 30 дней работы, второй - на 7.

2.3 Марсоходы «Spirit» и «Opportunity»

В 2003 г. были запущены NASA две АМС «MER-1» и «МER-2» с одинаковыми марсоходами (роверами) «Spirit» и «Opportunity» на борту. Обе станции с небольшим разрывом во времени совершили благополучную посадку.

Источником электроэнергии служат солнечные батареи. Высота расположения телекамер - 1,5 м, размах солнечных батарей - 2,3 м, диаметр колеса (6 шт.) - 10 дюймов, масса ровера - 174 кг. Аппарат оснащён буром, несколькими камерами, микроскопом и двумя спектрометрами, смонтированными на манипуляторе.

Поворотный механизм выполнен на основе сервоприводов. Такие приводы расположены на каждом из передних и задних колёс, средняя пара таких деталей не имеет. Поворот передних и задних колёс марсохода осуществляется при помощи электромоторов, действующих независимо от моторов, обеспечивающих перемещение аппарата.

Когда марсоходу необходимо повернуть, двигатели включаются и поворачиваются на нужный угол. Всё остальное время они, наоборот, блокируют поворот, чтобы аппарат не сбивался с курса из-за случайного движения колёс. Переключение режимов поворот-тормоз производится с помощью реле.

2.4 Марсоход Соснова Д.Е. [10]

В 2006 г. Соснов Д.Е. предложил конструкцию марсохода, в которой использовался диск Брауна наряду с солнечными батареями. В качестве источника энергии предложена ЯЭУ космического базирования и/или радиоизотопные электрогенераторы. Марсоход включает кабину для экипажа со шлюзовой камерой, систему управления, навигационные средства. Обследование планеты осуществляется в полете над ее поверхностью.

3. Требования к конструкции спускаемого аппарата

Все перечисленные в предыдущей главе аппараты – безэкипажные и имеют много общего: герметичную конструкцию, мотор колеса, источники питания – солнечные батареи.

Условия рельефа явились причиной обращения к прыгающим аппаратам и затем – и летающим.

Условия на планете и переход к космическому аппарату, управляемым экипажем, а также опыт эксплуатации существующих аппаратов позволили сформировать следующие требования к конструкции спускаемых аппаратов:

1. Аппарат должен быть обитаемым, иметь герметичную кабину (отсек) для 2-3 членов экипажа, оборудованный средствами управления на стоянке и в движении, при проведении исследований, отборе проб, проведении съемок и передач, обеспечивать экипаж условиями для сна, отдыха, приготовления и приема пищи, санитарно-гигиеническими.

2. Аппарат должен обладать хорошей транспортабельностью при перемещении с Земли на объект исследований (иметь минимальную массу, форму, удобную для размещения в космическом корабле или креплении на ракете-носителе при отдельной доставке, виброустойчивость, устойчивость к ударным нагрузкам).

3. Иметь хорошую проходимость в условиях сложного рельефа.

4. Иметь достаточную устойчивость к сильным ветровым нагрузкам.

5. Иметь длительный рабочий ресурс.

6. При работе системы аппарата должны максимально использовать ресурсы, имеющиеся на объекте исследований.

7. Иметь достаточно мощный двигатель и надёжное энергетическое обеспечение.

8. Иметь высокую живучесть. Исключить необходимость проведения существенных ремонтных работ в период работы экспедиции.

9. Иметь надежные средства связи со стационарной базой на планете и кораблем, движущимся по планетарной орбите.

10. Иметь надежную защиту экипажа от солнечной и космической радиации и метеоритов.

4. Основы конструкции взлетно-посадочного комплекса

Условия работы взлетно-посадочного комплекса и опыт конструирования и эксплуатации его аналогов позволяют заключить о целесообразности его конструкции летающей на безопасной высоте над неровностями рельефа и основанной на эффекте Бифельда-Брауна.

Серьезной проблемой для работы марсохода являются частые и продолжительные пыльные бури на поверхности Марса, которые перекрывают солнечное излучение и препятствуют работе солнечных батарей. Проблема была решена при применении изобретательского приема «Использование вредного фактора». В нашем случае вредным фактором являются пыльные бури с их массами частичек пыли перемещаемых воздушными потоками.

4.1 Эффект Бифельда-Брауна

Этот эффект в начале прошлого века был обнаружен американским физиком Т.Т.Брауном (Т.Т.Brown) в 1923 г. и сформулирован им совместно с профессором П.Бифельдом (Prof. Р.А.Biеfeld). Суть эффекта состоит в том, что плоский конденсатор, заряженный высоким напряжением, имеет тенденцию к движению в сторону положительно заряженного электрода. Изменением положения и величины заряда на поверхности электрода можно изменять направление движения конденсатора. В своих экспериментах Браун использовал устройства с различной формой электродов. Им установлено, что наиболее эффективными оказались объекты с анодом в форме купола и катодом в форме диска с диаметром в три раза меньшим диаметра анода. Такая форма получила название диска Брауна (рис. 7 Приложения А) [11, 12].

Впоследствии велись разработки устройств, основанных на эффекте Бифельда-Брауна, в которых применялись электроды другой формы. Так на выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2006 был представлен вертикально взлетающий аппарат, построенный школьниками под руководством к.т.н. М.М.Лавриненко. Аппарат состоит из трех сотов, выполненных из фольги, над которыми на стойках из пенопласта закреплена тонкая (0,1 мм) медная проволока. При подаче на них высокого напряжения появляется сила, действующая в сторону положительно заряженной обкладки, выполненной из проволоки [13].

Удовлетворительного объяснения эффекту Бифельда-Брауна пока не разработано. В доступной литературе методов расчета подобных объектов найти не удалось, хотя известны зависимости, на которые такая методика могла бы опереться. Известно, например, что подъемная сила диска Брауна увеличивается при:

–увеличении площади электродов конденсатора,

–повышении приложенного к пластинам конденсатора напряжения,

–размещении диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью между пластинами конденсатора.

Так при применении в качестве изолятора титаната бария (BaTiO3) при потенциале 100 кВ градиент действующей силы будет равен 80 тоннам [13].

В статье [13] приводятся данные экспериментов на установке, разработанной М.М.Лавриненко. При напряжении 17 кВ и потребляемой мощности 3.4 Вт аппарат с массой 35 г способен поднять еще 50 г груза.

Таким образом, каждый киловатт мощности создает подъемную силу 25 кг [13]. Эти результаты позволяют рассчитывать на возможность использования эффекта Бифельда-Брауна в устройствах, движущихся над поверхностью Земли и других объектов Солнечной системы.

4.2 Эффект трибоэлектризации

При трении двух твердых поверхностей происходит электризация, называемая трибоэлектризацией. Это явление широко распространено. Оно возникает даже при трении двух поверхностей одного химического состава[14]. В качестве такой пары могут быть использованы частицы пыли, контактирующие с поверхностью марсохода.

5. Предлагаемая конструкция марсохода [15]

Предлагаемый спускаемый аппарат состоит из основного модуля и энергообеспечивающей части (рис. 1).

Основной модуль смонтирован на основании 1, имеющем 4 мотор-колеса. Основание 1 соединено с корпусом 2, выполненным заодно с кабиной 3 для экипажа основного модуля, имеет форму, близкую к форме верхней половины эллипсоида вращения. К кабине 3 примыкает шлюзовая камера 4.

На основании в центре тяжести основного модуля установлен диск Брауна, включающий куполообразный верхний электрод 5 и нижний дискообразный электрод 6, имеющий диаметр в 3 раза меньше диаметра верхнего электрода. Между электродами помещен керамический диэлектрик 7. По периметру нижняя часть корпуса 2 соединена с «юбкой» 8. «Юбка» 8 выполнена из прочного эластичного материала. В исходном положении она защищает нижнюю часть транспортного средства от внешнего воздействия, а при движении в атмосфере – снижает аэродинамическое сопротивление устройства. На нижней поверхности основания 1 закреплены мотор-колеса 9. Симметрично относительно оси транспортного средства в задней его части установлены направляющие конденсаторы основного модуля 10 и 11.

В корпусе марсохода размещены:

–блок 12, состоящий из аккумуляторов и распределяющего устройства, на которое подается электрический ток с электрообеспечивающей части марсохода;

–отсеки для научного оборудования, образцов и инструментов 13;

–системы управления спускаемого аппарата, навигационное оборудование и электрическая схема (на чертежах не показаны).

Электрообеспечивающая часть марсохода представляет собой основание 14 (рис. 2), прилегающее к корпусу 2 основного модуля с возможностью вращения относительно него. Между корпусом 2 и основанием 14 установлены ролики (на чертежах не показаны) для облегчения движения основания 14 по корпусу 2. На основании 14 параллельно его оси симметрии с возможностью принимать вертикальное и горизонтальное положение шарнирно закреплены приемные пластины 15, а в конце основания 14 с некоторым зазором от него установлен экран 16, также установлен противовес экрану 16, расположенный на противоположной части под основанием 14. Приемные пластины 15 с одной стороны имеют солнечные батареи 18 и на стороне, противоположной шарниру – магнитики 19 (рис. 3). На другой стороне пластины 15 нанесено трибоэлектрическое покрытие 20, т.е. такое покрытие, которое при трении об него песчинок в результате трибоэлектрического эффекта возникают электрические заряды. Пластины 15 размещены на основании 14 попарно таким образом, что при принятии ими вертикального положения взаимно перекрываются солнечные батареи 18, а магнитики 19 притягиваются друг к другу, образуя плотно сцепленные разделители 21 в каждой паре (рис. 4). Поверхности основания 14, открываемые при принятии пластинами 15 вертикального положения, также имеют трибоэлектрическое покрытие. К вершине корпуса 2 изнутри прикреплен электропривод 22, вал 23 которого связан с основанием 14. Приемные пластины 15 и экран 16 снабжены токосъемниками (на чертежах не показаны) и электрически соединены с блоком 12. Устройство для поднимания приемных пластин 15 в вертикальное положение и опускания их включает соленоид 24 с ферромагнитным сердечником 25, соединенным шарнирно тягами 26 с приемными пластинами 15.

В 2006 г. российские ученые создали новое вещество – гетероэлектрик, использование которого позволяет создавать солнечные батареи с КПД в области видимого света 54%, что более чем в 2 раза превышает показатели известных солнечных батарей, и в 1.5 – работающих в инфракрасной области спектра (31%). [15]. Высокий КПД и компактность нового устройства существенно повысит возможность комплекса.

Аппарат работает следующим образом.

5.1 Получение электроэнергии.

В отсутствии пыльной бури работают солнечные батареи. Для этого приёмные пластины 15 переводят в горизонтальное положение, а основание 14 поворачивают относительно корпуса 2 так, чтобы бóльшая часть солнечных батарей была максимально обращена к солнцу.

Во время пыльной бури солнечные батареи закрыты и работают элементы с трибоэлектрическим покрытием. Для этого поворачивают основание 14 так, чтобы его ось симметрии совпала с направлением ветра, а приёмные пластины 15 устанавливают вертикально подачей напряжения на спираль соленоида 24. При этом вокруг соленоида 24 возникает магнитное поле, которое втягивает сердечник 25 внутрь соленоида 24. Тяги 26 поворачивают приёмные пластины 15 в вертикальное положение. Их магнитики 19 притягиваются друг к другу и замыкаются по парам, образуя разделители 21 воздушного потока. При этом магнитики 19 на пластинах 15 подобраны таким образом, что их сила притяжения друг к другу на 1-2 порядка слабее раскрывающей силы устройства поднимания и опускания приёмных пластин, благодаря чему магнитики 19 не препятствуют работе этой системы. Воздух, наполненный песчинками, скользит между разделителями 21. Частицы песка касаются трибоэлектрических поверхностей и за счет их взаимного трения электризуются. С поверхностей, покрытых трибоэлектрическими покрытиями, заряды поступают на токосъёмники и направляются на аккумуляторы и распределительное устройство. Частицы песка, достигнув экрана 16, отдают ему электрический заряд, который поступает на аккумуляторы и распределительное устройство.

Таким образом, при любой погоде обеспечивается непрерывное энергоснабжение марсохода.

5.2 Перемещение по поверхности планеты.

В исходном положении марсоход закреплен на грунте и своей массой опирается на мотор-колеса 9. Форма корпуса в виде верхней половины эллипсоида вращения уменьшает срывающее действие ветра.

Для начала движения марсоход извлекает из поверхностного слоя заглубленные закрепляющие устройства. При движении на небольшие расстояния используются мотор-колеса 9.

При передвижении на большие расстояния на диск Брауна основного модуля подается постепенно увеличивающиеся высокое напряжение, причем на верхний электрод 5 – положительное, а на нижний электрод 6 – отрицательное. За счет эффекта Бифельда-Брауна возникает сила, направляющая взлетно-посадочный комплекс вверх. После того, как эта сила превзойдет по величине силу гравитации, взлетно-посадочный комплекс оторвется от грунта и начнет подниматься вверх. При достижении заданной высоты прекращают увеличение напряжения на электроды 5 и 6 основного модуля. Для горизонтального движения подают высокое напряжение на направляющие конденсаторы основного модуля, а для поворота – на один из них. Обстановка в пути контролируется визуально через окно 27 основного модуля и с помощью радиолокатора.

Форма корпуса (сверху – выпуклая, снизу – плоская) дает подъемную силу, что позволяет экономить электроэнергию, подаваемую на электроды 5 и 6 основного модуля.

При завершении полета, достигнув района посадки, снижают напряжение, подаваемое на конденсатор диска Брауна. Транспортное средство опускается на грунт.

5.3 Взлет с планеты.

Для взлета с планеты на диск Брауна подается постепенно увеличивающееся высокое напряжение. За счет эффекты Бифельда-Брауна возникает сила, направляющая аппарат вверх.

После выхода на околомарсианскую орбиту управление модулем производиться следующим образом:

Для движения в направлении от планеты на диск Брауна подается постепенно увеличивающееся высокое напряжение, причем на верхний электрод 5 – положительное, на нижний 6 – отрицательное.

Для движения в направлении к планете на диск Брауна постепенно увеличивающееся высокое напряжение, причем на верхний электрод 5 – отрицательное, на нижний 6 – положительное.

Для горизонтального движения подают высокое напряжение на направляющие конденсаторы взлетного модуля, а для поворота – на один из них. Обстановка в пути контролируется визуально через окно 27 и с помощью радиолокатора.

Выводы

1. Предложена конструкция марсохода, обеспечивающая его непрерывное энергообеспечение в различных погодных условиях планеты, включая пыльные бури, с использованием солнечных батарей и электрогенераторов на основе трибоэффекта.

2. Рассмотрены условия работы транспортного средства на поверхности Марса и требования, предъявляемые к его конструкции.

3. Использован способ передвижения и взлета транспортного средства по поверхности космического объекта – полет с использованием электрокинетического эффекта Бифельда-Брауна на безопасной высоте над неровностями рельефа объекта.

4. В качестве движителя транспортного средства на небольшие расстояния предложено использовать мотор-колеса.

5. Предложена композиционная схема спускаемого аппарата, рассмотрены конструктивные особенности устройства и возможные источники энергии для его движения.

Список литературы

1. Горшков Л «Полет человека» – Наука и жизнь. №7 за 2007.

2. Seidelmann P.K. (chair), Abalakin V.K., Bursa M. et al, Report of the IAU / IAG Working Group on cartographic coordinates and rotational elements of the planets and satellites: 2000.// Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy.- 2002.- V. 82(1).- P.83-111.

3. Simon J.L., Bretagnon P., Chapront J., Chapront-Touzé M., Francon G., Laskar J. Numerical expressions for precession formulae and mean elements for the Moon and the planets.// Astron. Astrophys.- 1994.- V. 82.- P.663-683.

4. http://1nfm1.sai.msu.ru (Сайт Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ, Россия)

5. http://nssdc.gsfc.nasa.gov (Сайт Nasa, USA)

6. Кузьмин Р.О. Криолитосфера – М.: Наука, 1980

7. Новости Космонавтики №25

8. Малинин П.А. «Термоэлектрогенерирующее устройство для марсохода». Пат. РФ №2243121. 2006

9. Исследование Солнечной Системы – Марс // http://galspace.spb.ru/

10. Соснов Д.Е. «Марсоход». Заявка на изобретение №2006-142573 (046484) от 01.12.2006

11. Ильин А. Как построить летающий остров.// Юный техник.- 2006.- № 11.- С.28-32.

12. Электрогравитация. Т.Т.Брауна.// http://www.kosmo.chel-prom.ru

13. Лавриненко М. Очень странный летающий объект.// Юный техник.- 2006.- № 11.- С.70-73

14. Трибоэлектричество – ФЭС. Москва: СЭ, 1983, с.768.

15. Клюев В.К. «Энергообеспечение марсохода». Заявка на изобретение № 2008-146463 от 24.11.2008.