Полтавський обласний центр науково-технічної творчості учнівської молоді
Полтавської обласної ради

м. Полтава, вул. Покровська, 38, тел.: (05322)2-06-91; 50-04-51

e-mail: poltavaocnttum@ukr.net

П`ятниця, 2018-06-22, 3:51 PM
Вітаю Вас, Гість
Головна » Статті » Науково-технічні проекти та розробки вихованців Центру

МОДЕЛЬ СОНЯЧНОГО ВІТРИЛЬНИКА

 Антон Купріянов, студент-відмінник магістрант Харківського політехнічного університету у науковому товаристві "Персей", що діє при Полтавському обласному центрі науково-технічної творчості учнівської молоді, навчався  сім років і за цей час провів багато досліджень і розробив велику кількість астрономічних приладів і космічних моделей. Спершу він досліджував планети Сонячної системи: Венеру, Марс, Меркурій, виготовляючи діючі моделі приладів, котрі ведуть роботи по вивченню даних планет. Далі Антон проводив вивчення міжпланетного космічного простору, сконструював модель орбітальної сонячної електростанції, міжпланетного космічного телескопу. Беручи участь у Всеукраїнських заходах, таких як колоквіум "Космос. Людина. Духовність." у м. Ужгороді, конкурсах "Мирний космос" та «Юний винахідник і раціоналізатор» у м. Києві, виборював абсолютну першість. В даному матеріалі пропонується діюча модель орбітального корабля з сонячним вітрильником.
  Ідея сонячного вітрила (СВ), яке використовує як рушійну силу тиск сонячного вітру, не нова. Вона вперше виникла в 20-х роках і протягом десятків років розглядалася різними авіа і космічними організаціями. Ф.А. Цандер, відомий своїми численними працями у області космонавтики, запропонував виводити на орбіту космічні дзеркала (відбивачі), що передають світлову енергію Сонця на поверхню Землі для безпосереднього використання. Проте з огляду на багато причин тоді ідея не привернула особливої уваги учених і інженерів, лише окремі ентузіасти продовжували працювати в цьому напрямі. Серед них були і німецький професор Г. Оберт і його учень К. Еріке, що зробили значний внесок в теоретичні основи майбутніх космічних систем. Потім ідея опинилася на багато років забутою... Подальше освоєння космічного простору, здійснення міжпланетних перельотів, вимушує конструкторів шукати принципово нові рішення в побудові космічних кораблів.
  Одним з варіантів міжпланетного космічного корабля є "Сонячне вітрило". Сонячний вітрильний корабель – це космічний апарат нового типу з масою в декілька сотень кілограмів і площею вітрил в декілька гектарів, що рухається під дією сонячного світла, розгониться і керується автономно, без витрат робочого тіла двигуна. Його конструкція має два кільцевих безкаркасних, таких, що обертаються в різні боки плівкових вітрила, що підтримують свою форму під дією відцентрових сил. Управляється і орієнтується корабель за рахунок використання гіроскопічних сил. Для цього корабель, що здійснює політ в космосі, не потребує величезної енергії. Невеликі сили можуть поволі і стійко розгонити транспортний засіб до величезних швидкостей. Оскільки енергія має масу, сонячне світло, що потрапляє на тонку плівку сонячного вітрила, забезпечує таку силу. Тяжіння Сонця забезпечує іншу силу. Тиск світла і гравітація можуть відносити космічні кораблі в будь-яке місце Сонячної системи. Після прискорення протягом року світлове вітрило може досягти швидкості сто кілометрів за секунду, залишаючи сьогоднішні ракети далеко позаду. У зв'язку з тим, що такий корабель не може стартувати із Землі, світлове вітрило необхідно будувати в космосі. Хоча каркас і займатиме величезну площу, він (разом з матеріалами) буде достатньо легкий, щоб вивести його на орбіту за 1-2 польоти космічного корабля. Плюс сонячного вітрила в порівнянні з лазерним вітрилом – сонячне вітрило не залежить від джерела світла, а мінус – сонячне світло слабкіше, ніж лазерне світло.
  Сонячне вітрило і сонячний вітрильний корабель – прогресивний напрям світової космонавтики. Його можна використовувати в системах виявлення плазмових штормів. Відомо, що геомагнетичні шторми можуть бути причиною втрати космічних кораблів, збоїв в GPS (глобальна система позиціонування) сигналів, і навіть збоїв наземних електричних мереж. Протони з високою енергією навіть можуть бути летальними для астронавтів, які знаходяться у відкритому космосі. Точний прогноз таких подій може бути зроблений за допомогою спостереження за сонячним вітром. Таке спостереження може бути здійснено за допомогою магнітометрів і детекторів частинок, які повинні бути на борту корабля, що знаходиться між Сонцем і Землею. Це можна зробити за допомогою сонячного парусного корабля. Крім того, СВ можна використовувати для міжпланетних перельотів. Так, при польоті до Марса корабель виводиться спочатку ракетою – носієм на початкову низьку навколоземну орбіту заввишки близько 200 км. Потім за допомогою блоку він переводиться на стартову орбіту висотою в декілька тисяч кілометрів. Тривалість цих операцій складе близько 48 год, після чого проводиться розгортання вітрил, і під дією сонячного світла корабель починає розгін по спіральній траєкторії. Управляючи орієнтацією вітрила, добиваються перетворення орбіти в еліптичну з постійно зростаючим апогеєм. Було розраховано, що тривалість розгону до Місяця в цьому випадку складе близько 120 діб. Час старту, а потім розгону вибирається так, щоб парусник вийшов у задану область гравітаційного поля Місяця. Це дозволить вирішити наступне завдання – перевести СВ на траєкторію міжпланетного польоту до Марса. Взаємне розташування Землі і Марса на цьому етапі теж підбирається так, щоб спочатку зменшити період геліоцентричної орбіти ("гальмування"), а потім афелій орбіти збільшити, щоб досягти орбіти Марса ("розгін"). Сумарний час, потрібний СВ для досягнення Марса, складе близько 2,5 років. Запропоновані ідеї про використання сонячного вітрила як дзеркало для телескопа надвисокої чутливості.
  Область застосування сонячного вітрила і сонячного вітрильного корабля величезна. Вони можуть використовуватися для: виявлення плазмових штормів; дослідження нашої Сонячної системи; ретрансляції енергії, теле- і радіозв'язку; освітлення окремих районів Землі; очищення космосу від технологічного "сміття"; міжпланетних перельотів під сонячним вітрилом; створення крупних антен в космосі для розвідки корисних копалини і інших корисних завдань.
  Запропонована автором модель сонячного вітрильника демонструє автоматичну орієнтацію пелюстків сонячного вітрила в залежності від напрямку сонячного вітру.
  Модель сонячного вітрила являє собою шестипелюсткове вітрило, пелюстки якого приводяться в рух за допомогою електричного двигуна, встановленого стійці, жорстко укріпленій на основі. Обертання пелюстків вітрила здійснюється за допомогою шарнірної муфти, причому пелюстки обертаються кожний індивідуально але синхронно.

 Принцип дії механічної частини моделі відбувається наступним чином. При освітленні моделі пелюстки вітрила знаходяться в стані спокою. Це демонструє максимальну дію сонячного світла на вітрило. При зменшенні освітлення, тобто при зміні орієнтації вітрила і напрямку сонячного вітру, відбувається обертання пелюстків відносно власної вісі і спрямування їх на максимальний світловий потік. Після закінчення процесу орієнтації на максимальний світловий потік електричний двигун припиняє обертання пелюстків вітрила. Виготовлені пелюстки сонячного вітрила з полімерної плівки товщиною 5 мкм. По двох довгих сторонах кожної пелюстки прокладений пневмокаркас, який є порожнистою трубкою діаметром 15 см і зроблений також з полімерного матеріалу, але товщиною не 5, а 20 мкм. Каркас необхідний для організації процесу розгортання кожної пелюстки (всередину трубки по команді на розкриття вітрила подається стислий азот і трубки, що поступово розгортаються, і розтягують тонкі пелюстки) і створення жорсткості кожної з частин вітрила. Кожна пелюстка має можливість повертатися навколо осі кріплення на заданий кут. Тягу сонячному вітрилу забезпечують фотони. При поглинанні або віддзеркаленні від сонячного вітрила вони передають свій імпульс (у першому випадку одинарний, в другому – подвійний) космічному апарату. Саме світло, а не сонячний вітер (на відміну від парусних суден, що рухаються завдяки вітру) і штовхає космічне вітрило.
  Розглянемо електричну частину пристрою керування обертанням пелюстків вітрила. У вихідному положенні електрична схема живиться від стабілізованого джерела напругою 5 В через нормально замкнені контакти К1.1 та К1.2. Якщо фотоелемент VD1, в якості якого використано фотодіод ФД2 освітлений, то на його кінцях виникає від'ємна напруга величиною порядку 17 мВ, яка відчиняє германієвий транзистор VТ1. При цьому напруга на базі транзистора VТ2 замала для його відкривання. Разом з VТ2 закритий і тиристор VD2, і під'єднаний до нього електричний двигун Д, зв'язаний через шестерінчастий редуктор з шарнірною муфтою пелюстків вітрила, не обертається.
  При зменшенні освітлення опір фотодіода становить десятки кілоом і малий струм, що протікає через подільник напруги складений з резистора R1 та VD1, не відчиняє транзистор VТ1. При цьому між базою і емітером транзистора VТ2 напруга зростає і він відкривається. Це призводить до відкривання тиристора VD2 і електричний двигун Д починає обертати пелюстки вітрила. Для повернення пелюсток вітрила у початкове положення в моделі застосована, ввімкнена послідовно з реле Р1 кнопка SА1, при натисканні якої реле спрацьовує і своїми контактами К1.1 і К1.2 перемикає полярність джерела живлення і двигун обертається у зворотному напрямку.

Принципова електрична схема керування пелюстками вітрила.

Модель сонячного вітрильника (автор: Антон Купріянов)

 

Категорія: Науково-технічні проекти та розробки вихованців Центру | Додав: poltavaman (2018-02-02)
Переглядів: 29 | Рейтинг: 0.0/0
Всього коментарів: 0