Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы

в 11:34, , рубрики: "Всегда готов!", diy или сделай сам, rusventure, ВДЦ "Орленок", космонавтика, Олимпиада НТИ, олимпиады, спасибо РВК, спутники, физика

«Burn the land and boil the sea. You can't take the sky from me.»
— Ballad of Serenity

Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 1

«В какой олимпиаде я мечтал поучаствовать, если был бы школьником?» — спросил я себя года 4 назад. — «В космической». Пока я «мечтал», кое-кто подсуетился и сделал. Мой вклад — поведать об этом другим «мечтателям» (и, возможно, вдохновить их на действия).

В конце апреля в ВДЦ «Орленок» успешно «взлетела» первая (нулевая) Всероссийская инженерная олимпиада.

Олимпиада шла по четырем профилям.

Про первые два профиля и общую обстановку в «Орленке» я я рассказал на Хабре. Под катом — про то, из чего состоит «конструктор спутников» и примеры задач первой всероссийской «космической» олимпиады.

Оргмоменты

image

Олимпиада состояла из двух заочных этапов и двух очных (индивидуальный и командный).

Организаторы в целом заинтересованы в том, чтобы погружать участников в максимально жизненные задачи, обязательно командные, ведь именно такие задачи очень помогают в профориентации и выборе жизненного пути в школе.

Однако есть определенные критерии, определением которых занимается организация под названием Российский совет олимпиад школьников (РСОШ), которые накладывают определенные рамки: задачи должны быть предметными, работы — индивидуальными, и не даже не думайте пользоваться интернетом.

По этой причине организаторы решили, что пойдут по пути разнесения разных задач на разные этапы: минимум, положенный Советом — в первом заочном этапе и в индивидуальном очном. Жизненные задачи, код с гитхаба и командность — во втором заочном и в командном очном.
В итоге баллы — суммируются, и все требования соблюдены.

В общем, после окончания олимпиады организаторы две недели готовили «кирпич» на 1000 страниц с описанием всего, что только можно, отправили в РСОШ и теперь сидят на низком старте, чтобы начать готовить олимпиаду следующего года. Официальный ответ будет 1 сентября, но орги рисковые ребята и начнут писать задачи и готовить лекции с хакатонами уже летом.

Итоги Олимпиады — nti-contest.ru/results2016
Мануал на 400 страниц по олимпиаде лежит тут.

image


Космические системы

image

Финалисты
image

Подготовка перед командным туром, все модули были проверены, я подглядывал
image
Подробнее про конструктор OrbiCraft - тут.

Это Антон Власкин и Дмитрий Андреенков — эксперты по Heroes of Might and Magic 3 по конструированию и программированию спутников.
image

А это еще два эксперта — Александр Шаенко (космо-евангелист, зажигатель звезд) и Андрей Потапов (отличный нападающий в сборной вожатых по баскетболу и директор «Спутникс»)
image

Первый отборочный этап
Первый отборочный тур проводится индивидуально в сети Интернет, работы оцениваются автоматически средствами системы онлайн-тестирования. Для каждого из параллелей (9 класс или 10-11 класс) предлагается свой набор задач по физике, задачи по математике и информатике общие для всех участников. Решение задач по информатике предполагало написание программ, допускалось использовать один из двух языков программирования: Python или C++. На решение задач первого отборочного этапа участникам давалось 3 недели. Решение каждой задачи дает определенное количество баллов. Баллы зачисляются в полном объеме за правильное решение задачи. Участники получают оценку за решение задач в совокупности по всем предметам данного профиля (математика, физика и информатика) — суммарно от 0 до 30 баллов.

Примеры задач

Задача по математике 9 класс 1.1.3 (3 балла)
Локатор видит часть пространства, ограниченную конусом. Максимальный угол между образующими этого конуса равен 60 градусам. Объекты, находящиеся дальше расстояния a, уже далеко и не попадают в зону видимости локатора. Через ось конуса проведены две перпендикулярные плоскости, которые делят конус на четыре части. В одной из частей обнаружен объект в форме сферы, вписанный в эту часть. Сфера касается обеих перпендикулярных плоскостей, поверхности конуса и его основания. Длина образующей равна a. Найдите радиус этой сферы.
Решение на стр. 273

Задача по физике 9 класс 1.2.4 (3 балла)
В ходе эксперимента по выращиванию кристалла сломалась система охлаждения, и уже выращенный образец расплавился. Для изучения остался только график зависимости температуры от времени, но и он был поврежден. Восстановите цену делений на этом графике. Известно что теплопередача пропорциональна разнице температур, внешняя температура 400 K. Про материал известны: температура плавления 300 K, теплота плавления λ=24кКал/кг, теплоемкость жидкой фазы Сж=8000кал/кг*К, коэффициент теплопроводности 32 Дж/градус Масса образца 1 кг.

Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 9
Запишите цену делений шкалы температуры. Ответ дайте в градусах, с точностью до целых.
Решение на стр. 278

Задача по физике 9 класс 1.2.5 (4 балла)
Спутник, находящийся на высоте H = 7000 км от центра планеты с массой M=1,076*1023 кг, переходит на точно такую же по высоте орбиту, пересекающую изначальную под углом α=5º. Найдите силу, с которой действовали маневровые двигатели спутника, если известно, что поворот занял t=30 с, а масса спутника m=50 кг. Ответ дайте в ньютонах с точностью до целых.
Решение на стр. 278

Задача по физике 10-11 класс 1.3.3 (2 балла)
Спутник массы m=100 кг, находящийся на орбите радиуса L=2500 км, обращаясь вокруг планеты массы M= 4,8017· 1022 кг, разгоняясь, совершает эллиптический переход на орбиту радиуса 2L=5000 км. Найдите время, требующееся на переход. Изменения скорости, производимые в апоцентре и перицентре, считать мгновенными. Ответ дайте в часах, с точностью до десятых.

Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 10
Решение на стр. 281

Задача по физике 10-11 класс 1.3.5 (3 балла)
Ниже приведен график зависимости плотности атмосферы Юпитера от высоты.
Считая ускорение свободного падения g постоянным g=25м/с2, найдите глубину погружения, если зонд спускается с высоты H1=7∗ 104 км вниз без начальной скорости. Среднюю плотность зонда считайте равной ρ=1.49г/см3

Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 11
Ответ дайте в километрах и округлите до тысяч.
Решение на стр. 283

Задача по информатике 1.4.3 «Полет» (6 баллов)
На высоте h метров над поверхностью планеты находится тело. В начальный момент времени его скорость равна v⃗метров в секунду. Вычислите время до момента касания телом поверхности планеты, если известно, что:
— h в начальный момент времени не превышает десяти километров, а мгновенная скорость — одного километра в секунду.
— На тело действует сила притяжения планеты. Ускорение, создаваемое этой силой, равно Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 12, и направлено к центру планеты. Здесь G — гравитационная постоянная, M — масса планеты, а R — расстояние от центра планеты до тела. Величину GM считайте равной 4× 1013, а радиус планеты — 6300000 метрам.
— Так же на тело действует сила аэродинамического сопротивления. Можете считать, что ускорение, создаваемое этой силой, равно Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 13, где ρ — плотность
атмосферы на заданной высоте, выражаемая формулой Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 14 — мгновенная скорость тела, а Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 15 — модуль мгновенной скорости.
— При данных ограничениях смещение вдоль касательной к поверхности планеты много меньше ее радиуса планеты, поэтому кривизной планеты следует пренебречь.

Мы понимаем, что аналитически решить эту задачу сложно, поэтому примем ответ с абсолютной погрешностью 0.1секунды. И предупреждаем, что слишком сильно менять состояние тела — не очень хорошая идея.

Формат входных данных:
В первой строке дано одно натуральное число h — высота тела в начальный момент времени, выраженная в метрах. Во второй строке даны два целых числа Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 16 — координаты начальной скорости тела в метрах в секунду. Ось Oy при этом направлена в сторону, противоположную направлению силы гравитации, а ось Ox — перпендикулярна
оси Oy.

Пример ввода 1:
100
10 10

Пример ввода 2:
1
0 0

Формат выходных данных:
Выведите единственное вещественное число — время до касания телом поверхности планеты, выраженное в секундах.

Пример вывода 1:
290
105.3283038851984

Пример вывода 2:
1.6649107662192795

Решение на стр. 291

Второй отборочный этап
Второй отборочный этап проводится в командном формате в сети интернет в рамках онлайн-симулятора полета и посадки космических аппаратов «Орбита». Продолжительность второго отборочного этапа — 2 недели. Работы оцениваются автоматически средствами онлайн-симулятора. Задачи носят междисциплинарный характер и в более простой форме воссоздают инженерную задачу заключительного этапа, участники должны были писать программы полета на языке Python.

Объем и сложность задач этого этапа подобраны таким образом, чтобы решение всех задач одной командой было маловероятно. Это призвано обеспечить более осознанный выбор решаемых командой задач. Решение каждой задачи дает определенное количество баллов.

Некоторые задачи могут приносить разное количество баллов — в зависимости от качества и скорости их решения, ряд задач предполагает штрафы за число попыток. В данном этапе используется другая система оценки, теоретически можно получить суммарно от 0 до 74510 баллов.

Все условия задач доступны участникам с первого дня второго отборочного этапа.
Команды могут выполнять задачи в любом порядке. Часть задач допускают неограниченное число попыток сдать решение (запусков), другие задачи предполагают штрафные баллы за превышение числа доступных попыток.

Примеры задач

Задача 2.1 «Посадка на Луну» (макс. 180 баллов)
Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 17
Луна — ближайший к Земле астрономический объект. Посадка корабля на Луну — это самое простое задание, с которым человечество справлялось уже не раз. Создание и запуск аппарата для исследования лунной поверхности состоит из нескольких этапов. В этой задаче мы мы рассмотрим только один, но самый интересный этап — посадку аппарата. Вам придется сконструировать собственный аппарат и составить техническое задание на его производство, дождаться результатов полета и получить телеметрию процесса посадки.

Успешно посадить аппарат с первой попытки не просто. В случае неудачи вам предстоит проанализировать данные телеметрии и изменить техническое задание для следующего запуска.

Постановка задачи
Это только первая, тренировочная задача, поэтому в ней есть несколько допущений: аппарат падает вертикально на поверхность Луны, его начальная скорость равна нулю, а из доступного оборудования есть только демпфер и тормозной двигатель.

Задача состоит в том, чтобы определить, в какой момент времени t1 нужно включить тормозной двигатель, чтобы к моменту посадки t1+t2 скорость корабля была бы меньше 50 м/с, иначе удар не удастся самортизировать с помощью демпфера.

Другими словами, вам нужно вычислить два параметра — время включения тормозного двигателя и время его выключения — и вставить их в программу полета аппарата.

Все исходные данные известны: это начальная высота, масса и радиус Луны, масса аппарата, сила тормозного двигателя.
Полный текст задачи на стр. 293

Задача 2.2 «Посадка на Марс» (макс. 1650 баллов)
Красная Планета — намного более сложный объект для посадки космического аппарата, чем Луна. Во-первых, Марс намного массивнее, а значит сила тяжести играет куда большую роль. Во-вторых, на Марсе есть атмосфера, так что влияние сопротивления атмосферы на движение корабля около поверхности будет значительным.

В этой задаче также не будет рассматриваться работа аппарата на поверхности. В вашем распоряжении снова будет полностью сконструированный аппарат, но вам придется самостоятельно запрограммировать его полет: выбрать, в какой момент нужно будет включить тормозной двигатель, открыть парашют и т. д.

Анализ телеметрии позволит исправить ошибки, допущенные при посадке, уже в следующем аппарате.

Постановка задачи
Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 18
По сравнению с Луной задача усложняется: теперь придется работать в двух измерениях. У аппарата есть начальная горизонтальная (орбитальная) скорость. К тому же, теперь на аппарат действует не только сила тяжести, но и сила аэродинамического сопротивления (Стокса), пропорциональная квадрату скорости аппарата. Однако, и в этой задаче есть упрощение: поверхность планеты принимается за плоскость. Также вам будет доступна специальная программа для расчетов.

Условие задачи делает аналитическое решение очень сложным, поэтому мы предлагаем вам качественно оценивать значения скоростей и сил, а также тщательно анализировать результаты неудачных полетов.
Полный текст задачи на стр. 297

Задача 2.3. «Работа на поверхности Марса» (макс. 20000 баллов)

Конструирование аппарата
Мы предлагаем вам продолжить миссию по покорению Марса разработкой аппарата для работы на поверхности планеты. Совершив удачную посадку, ваш аппарат начнет передавать на Землю научные данные, которые позволят углубить знания человечества о Красной планете.

Условия победы:
За успешное решение этой миссии вы получаете победные баллы. В этой миссии вы получаете баллы за переданную на Землю научную информацию следующим образом: За каждый переданный на землю 1 Мегабит (1000 килобит) научной информации команда получает 0,1 балла (другими словами, количество баллов = переданная информация/1000). Вам дается 10 попыток. Каждая дополнительная попытка сверх этих десяти отнимает у команды 30 баллов. Таким образом можно получить не более 30 дополнительных попыток (т. е. Минус 900 баллов).

В миссии также возможны следующие достижения:

  • Исследователь — Передать научные данные с Марса любого объема (100 балл.)
  • Первопроходец — Первыми по времени передать научные данные с Марса (200 балл.)
  • Доставка оборудования — Самый тяжелый аппарат, севший на Марс и передавший данные (300 балл.)
  • Экономичность — Самый легкий аппарат, севший на Марс и передавший данные (500 балл.)
  • Космическая гонка — Передать научные данные с Марса в течение первых трех суток с момента получения задачи командой (300 балл.)
  • Надежная конструкция — Аппарат проработал на Марсе все 72 часа (200 балл.)

Постановка задачи
Если с точки зрения физики задача остается прежней, то конструкторская ее часть будет заметно сложнее. Вам предстоит полностью сконструировать аппарат и составить программу не только посадки, но и планетарной активности. Аппарат может проработать на поверхности Марса не более 72 земных (!) часов.

Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 19

Вам не придется конструировать произвольный аппарат с нуля. В вашем распоряжении будет аппарат сферической формы, его размер вы можете установить самостоятельно. Вам придется рассчитать требуемые внешние параметры аппарата (массу и радиус), выбрать необходимое для работы оборудование и научные приборы.

Мы рекомендуем следующий порядок разработки:

  • сконструировать аппарат с максимальной полезной нагрузкой и посадить его;
  • наполнить полезную нагрузку необходимым оборудованием для обеспечения максимальных научных результатов.

Конструкция аппарата и программа полета должны учитывать уровень энергоснабжения в корабле, чтобы всем системам хватало энергии, а также пропускную способность систем связи, чтобы информация могла быть передана на Землю в нужном объеме.

Помимо конструкции аппарата вам предстоит разработать программу полета, например, определить время, когда должны включаться и выключаться тормозные двигатели или научные приборы.
Полные данные по задаче на стр 305.

Задача 2.5 «Связь с Землей» (макс. 520)
КА движется по круговой орбите с заданной высотой в плоскости X0Y. Необходимо запрограммировать аппарат так, чтобы он передал на Землю заданное сообщение. При этом необходимо воспользоваться высокопроизводительной связью КА. Задача усложняется двумя факторами: сигнал экранируется Землей, антенна такой подсистемы имеет угол раскрыва (γ), заданный в параметрах КА.

Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 20

Мы будем считать, что наземный измерительный пункт (НИП) отслеживает положение КА, поэтому потребуется только сориентировать аппарат на НИП.

В данной миссии вам не потребуется конструировать аппарат целиком, однако нужно будет подобрать несколько параметров конструкции аппарата — площади солнечных батарей и радиаторов, а также написать программу полета. Мы рекомендуем вам использовать наработки, полученные в предыдущей миссии.

КА оснащен подсистемой ориентации и стабилизации, которая позволяет задавать момент вращения посредством включения маховика, а также подсистемой высокопроизводительной связи, параметры которой указаны в таблице ниже. КА как и в первой тренировочной миссии в начале полета будет иметь стартовую угловую скорость, которую придется погасить для успешного выполнения миссии.

Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 21

При конструировании аппарата вам необходимо рассчитать и указать площади для солнечных батарей и радиаторов на гранях 1-4 аппарата и площади радиаторов на гранях 5-6 аппарата, например:
Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 22

Полный текст задачи на стр. 321

Задача 2.7 «Съемка Земли из космоса» (макс. 12500 баллов)
Задача «Съемка Земли из космоса» посвящена съемке поверхности Земли из космоса малым космическим аппаратом. Вы должны будете сфотографировать объект на поверхности Земли и передать полученное изображение на наземный измерительный пункт (НИП), используя высокопроизводительную связь.

Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 23

Полный текст задачи на стр 332

Задача 2.8. «SMS везде» (макс. 9200 баллов)
Задача «SMS везде» воссоздает работу спутника связи, который должен обеспечить прием и передачу сообщений между 18 наземными станциями (которые называются «0», «1», «2» и т.д.).

Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 24

В вашем распоряжении будет 10 стартовых запусков. За каждый запуск после 10-го будет добавляться штраф в 150 баллов за запуск, и так до 20 дополнительных запусков (до -3000 баллов).

Постановка задачи
Каждое конструкторское бюро получает уникальный вариант, который содержит: стартовую высоту орбиты; список и названия наземных измерительных пунктов; таблицу сообщений для передачи (всего 5 сообщений).

КА должен последовательно доставить максимальное число сообщений, указанных в таблице. Как только аппарат получил сообщение от НИП, начинается отсчет времени доставки, которое не должно превысить допустимое время передачи.

На миссию дается 6 часов полета аппарата.
Полный текст задачи на стр 337

Заключительный этап: индивидуальная часть
Заключительный этап олимпиады состоит из двух частей: индивидуальное решение задач по предметам (математика, физика, информатика) и командное решение инженерной задачи. На индивидуальное решение задач дается по 2 часа на один предмет. Для каждого из параллелей (9 класс или 10-11 класс) предлагается свой набор задач по физике, задачи по математике и информатике общие для всех участников. Решение каждой задачи дает определенное количество баллов (см. критерии оценки). По математике и физике за каждую задачу можно получить от 0 до указанного количества баллов. Решение задач по информатике предполагало написание программ, допускалось использовать один из двух
языков программирования: Python или C++. Баллы по информатике зачисляются в полном объеме за правильное решение задачи. Участники получают оценку за решение задач в совокупности по всем предметам данного профиля (математика, физика и информатика) — суммарно от 0 до 38 баллов.

Задача по математике 3.1.4 (4 балла)
Магнитометр выдает для каждого градуса долготы φ три координаты вектора магнитного поля (sin φ, sin 2φ, cos 2φ). Найдите долготу, на которой вектор магнитного поля имеет минимальную длину.
Решение на стр. 363

Задача по физике 3.2.2 (3 балла)
Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 25
Космический корабль, покоящийся в открытом космосе, вдалеке от планет представляет из себя конструкцию, изображенную на рисунке. Корабль должен был выполнить маневр ускорения, включив на короткое время τ = 2c симметрично расположенные двигатели, однако, в результате технического сбоя сработал только один из них. Каков модуль скорости, которую приобрел после этого маневра корабль в системе отсчета, в которой исходно он покоился? На какой угол повернулся корабль на момент выключения двигателя относительно оси, перпендикулярной плоскости движения, проходящей через цент основного отсека корабля?

Параметры корабля: масса корабля M = 1200кг, расстояние между центрами отсеков L = 2м, тяга двигателя F = 710Н, мощность двигателя N = 50кВт. Момент инерции корабля относительно оси, проходящей через центр масс перпендикулярно штангам равен J = 903кг·м2. Центры шаров лежат на прямой, проходящей вдоль соединяющей их штанги. Массой штанг, уменьшением массы корабля в результате сгорания топлива и гравитационным взаимодействием можно пренебрегите. Считайте, что сила тяги не зависит от скорости, а масса в отсеках распределена однородно.
Решение на стр. 365

Задача по физике 3.3.3 (3 балла)
Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 26
Спутник облетает Землю на геостационарной орбите высотой H = 35 786 км. У спутника есть одна солнечная батарея 2м х 10м направленная всегда перпендикулярно орбите спутника длинной стороной вдоль прямой соединяющей центры Земли и спутника (см. рисунок, плоскость батареи перпендикулярна плоскости рисунка). Коэффициент отражения света от батареи β = 75% (остальной свет батареей поглощается). На какое время нужно запустить двигатель гиродина с крутящим моментом 2 Н·м, чтобы скомпенсировать вращение спутника, полученное из за солнечного излучения за время движения от положения А до положения B по орбите? Солнечная постоянная L = 1367 Вт/м², радиус орбиты Земли RЗемли = 150 млн. километров. Считайте, что коэффициент отражения не зависит от угла падения света.
Гиродин — вращающееся инерциальное устройство, применяемое для высокоточной ориентации и стабилизации.
Решение на стр.370

Задача по информатике 3.4.5 «Механизм» (3 балла)
Олимпиада это, конечно, здорово и интересно, но дома у Коли осталась компьютерная игра-головоломка. На новый уровень Коля перешел буквально перед самым отъездом из дома и теперь в уме размышляет, как будет проходить новый уровень. Задача заключается в следующем: Коля собирает какой-то заумный механизм. Для этого он должен последовательно устанавливать на стержень высоты h детали механизма.
Каждая деталь представляет собой диск некоторой высоты. Все детали задаются двумя параметрами: высота детали ki и радиус детали ri. Известно, что все детали, несмотря на то, что имеют разный вид, вносят равный вклад в мощность механизма. Коля же должен сделать самый мощный механизм из возможных. При сборке механизма действуют следующие правила Детали укладываются на стержень последовательно. Радиус детали, которая лежит выше, должен быть строго меньше радиуса любой детали, которая лежит ниже.
Суммарная высота всех деталей должна быть строго меньше высоты стержня.
Помогите Коле написать программу, которая сможет выдать план сборки самого мощного механизм.

Формат входных данных:
В первой строке задано число деталей 1≤N≤5000 и высота стержня h≤20000. В следующих N строках записаны тройки целых неотрицательных чисел idi — номер детали, 0≤ki≤1000 — высота i-ой детали и 1≤ri≤10000 — радиус i-ой детали. Гарантируется что номера деталей уникальны.

Формат выходных данных:
В первой строке выведите через пробел M — количество деталей в самом мощном механизме и высоту стержня h. В следующих M строках выведите информацию о деталях от самой нижней детали на стержне до самой верхней. Каждая строка должна содержать три числа, разделенные пробелами: номер детали, ее высоту и ее радиус.

Если существует несколько вариантов собрать мощнейший механизм, выведите любой из планов сборки.
Решение на стр. 381

Заключительный этап: командная часть
В командной части заключительного этапа участники должны решать прикладную задачу на орбите Земли с помощью программно-аппаратного комплекса, моделирующего полет и работу микроспутника на земной орбите. Продолжительность командной части — 3 дня (всего 18 астрономических часов).

Команды могут выполнить любое из следующих заданий. Проверка задания выполняется на рабочем месте команды или специальном стенде по заданным объективным критериям. За каждое выполненное задание команда получает баллы. Возможны штрафы за превышение числа попыток и испорченное оборудование (5 баллов за каждый выведенный из строя блок спутника).

  1. Проверка радиоканала. Передать сообщение через канал телеметрии.
  2. Проверка магнитометра. Передать через канал телеметрии показания магнитометра (состояние датчика и показания индукции магнитного поля по трем векторам).
  3. Проверка датчика угловой скорости. Передать через канал телеметрии своего показания датчика угловой скорости (состояние прибора, угловая скорость по трем осям).
  4. Проверка солнечных датчиков. Передать через канал телеметрии сырые показания (два числа) всех четырех солнечных датчиков.
  5. Проверка камеры и передатчика. Сделать снимок с помощью камеры и передать его на наземный измерительный пункт по каналу высокопроизводительной связи.
  6. Сборка аппарата и проверка систем. Установить все компоненты конструктора на корпус, сбалансировать его так, чтобы на подвесе он располагался параллельно полу, и передать показания со всех датчиков в телеметрию.
  7. Проверка двигателя-маховика. Совершить вращение конструктора на подвесе с помощью двигателя-маховика.
  8. Стабилизировать спутник. Стабилизировать конструктор спутника после заданного начального вращения.
  9. Ориентация спутника. Ориентировать конструктор спутника панелями солнечных батарей на имитатор солнца.

Описание конструктора
Каждая команда получает получает следующий набор для конструирование и инструменты:

  • конструктор «Орбисат», включающий в себя:
    • 4 боковых, 1 верхняя и 1 нижняя крепежных панели;
    • блок управления;
    • система электропитания с аккумуляторами и выносным блоком управления;
    • двигатель-маховик;
    • панель солнечных батарей;
    • солнечный датчик (4 шт.);
    • датчик магнитного поля;
    • датчик угловой скорости;
    • УКВ-передатчик;
    • высокопроизводительный (направленный) передатчик;
    • наземный УКВ-приемник;
    • наземный приемник высокопроизводительной связи.

  • крестовая отвертка;
  • устройство для обжимания разъемов DB-9F и DB-9M;
  • шлейф 9-жильный DS1057-09-30;
  • устройство для тестирования шлейфа;
  • подвес и настольная лампа;
  • соединительный кабель USB;
  • ноутбук с установленным программным обеспечением.

Собранная из этого конструктора функциональная модель спутника может совершать управляемый полет, управлять вращением вокруг одной оси, получать информацию от датчиков. Полет программируется на языке Python или C++.

Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 27

Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 28

Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 29

Функциональная схема конструктора, подключенного к ПК представлена на схеме:
Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 30

Стенд для испытаний представляет собой модель движения спутника по низкой экваториальной орбите с учетом освещения и воздействия магнитного поля Земли.

image

image
Настройка стенда перед зачетом

Стенд устанавливается в затемненной комнате. Перед началом испытаний жюри производит измерения уровней освещенности и естественного магнитного поля Земли. Но в реальности была и «ручная» корректировка освещенности.
image

Программирование полета аппарата

Программирование полета аппарата осуществляется на языках Python или C++ с использованием специальной библиотеки, включающей основные команды управления подсистемами аппарата.

Библиотека для языка C++: wiki.orbicraft.ru/doku.php?id=libschsat
Библиотека на языке Python: wiki.orbicraft.ru/doku.php?id=libschsat-py

Наиболее сложные задания 10 и 11 должны быть выполнены на описанном стенде.
Для выполнения задания 11 каждая команда получает уникальное условие следующего вида.
Вам необходимо сделать снимки следующих точек (в скобках указан ее меридиан):

  • 1 (165°)
  • 5 (55°)
  • 9 (-60°)

Одна попытка — это один полный оборот глобуса (период обращения 5 мин).
Спутник начинает «движение» с меридиана -100°, и «движется» с запада на восток.
Снимки возможно сбросить на один из трех наземных измерительных пунктов (НИП), которые установлены в следующих координатах (указан меридиан НИПа):

  • НИП1 105°
  • НИП2 15°
  • НИП3 -80°

Все точки для съемки и НИПы расположены на параллели — 5° и спутники участников будут подвешены организаторами так, чтобы ось камеры лежала в плоскости этой параллели.
Вы можете ориентироваться по магнитному полю и Солнечному излучению, взаимная ориентация которых соответствует схеме:
Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 34

Задача 4.7.10 «Составление отчета о магнитном поле Земли»

Критерий проверки: Аппарат закрепляется на подвесе. Стенд производит вращение глобуса в течение 5 мин, одновременно с этим магнитная рамка меняет создаваемое искусственно магнитное поле по заданной ранее функции. Аппарат измеряет изменение модуля вектора магнитного поля в зависимости от градуса долгота. Результаты измерений автоматически сравниваются с эталонной функцией моделируемого магнитного поля, создаваемого откалиброванной рамкой. Численно рассчитывается функция среднего линейного отклонения, результат которой определяет число получаемых за задачу баллов.

Результат фиксируется автоматически в программном комплексе стенда.

Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 35

Задача 4.7.11 «Съемка точки на поверхности Земли и передача снимка на НИП»

Критерий проверки: Аппарат закрепляется на подвесе. Перед включением аппарату задается фиксированная угловая скорость с помощью специальной программы, запускаемой жюри. Стенд производит вращение глобуса в течение 5 мин, одновременно с этим магнитная рамка меняет создаваемое искусственно магнитное поле по заданной ранее функции.

Аппарат должен сфотографировать заданную точку на поверхности, координаты которой выдаются команде в задании. Маркер цели должен полностью попасть на снимок. Снимок должен быть передан на НИМ по высокопроизводительному каналу связи.

Результат фиксируется автоматически в программном комплексе стенда.

Что требует решение задачи
Для решения поставленной задачи (начиная с самого простого задания №1 и до самого сложного задания №11) учащиеся должны обладать следующими знаниями и навыками:

  • Расчет параметров системы с учетом известных характеристик подсистем и выбранной конструкции, в том числе:
    • расчет потребления электроэнергии;
    • влияния компоновки на момент инерции аппарата;
    • расположение датчиков на корпусе аппарата в связи с требованиями к измерениям.

  • Монтаж электрических схем, включая обжимание и тестирование кабелей.
  • Последовательное тестирование подсистем в сборке (выполнение заданий 1-7).
  • Решение задачи стабилизации аппарата при управлении вращением вокруг одной (вертикальной оси).
  • Расчет положения аппарата на орбите. Решение задачи ориентации по положению солнца и по магнитному полю.
  • Программирование полета аппарата на языках Python или C++, отладка программы по результатам анализа телеметрии полета.

Подробности на стр. 384

Предварительные результаты команд
image

Подкармливать участников олимпиады можно только из тюбиков, чем и воспользовалась ОРКК
image

Как вы яхту назовете…
image
Слоган команды: «Слабоумие и отвага»

Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 39

Отзыв участницы:

«Наконец-то я выспалась после бессонной олимпиады НТИ. И это было реально круто. Столько новых людей, новых знаний и новых впечатлений. Я очень рада, что съездила туда, хотя такоооой тупой я себя очень давно не чувствовала. Космос — он правда просто космос.
Если честно, я думала, что ребята там будут рили фанаты Айти, но в этом плане, мне тоже повезло, я познакомилась с очень классными ребятами из разных городов.
Отдельное слово хочется сказать про вожатых. Вы наши любимые звездочки из Звездного. Ваши истории и игры еще долго будут ходить по знакомым. Геля и Вера — вы самые лучшие.
Очень жаль, что я вряд ли смогу еще раз попасть в Орленок — это потрясающее место. Столько красоты природы, просто закачаешься.
Теперь появилась мотивация заниматься математикой, физикой и Питоном, чтобы снова со всеми встретиться.
И, не смотря на некоторые фейлы и несправедливость, хочется сказать спасибо людям, организовавшим эту олимпиаду. Это было очень интересно и познавательно.»

Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 40
Победители — команда «Космические пираты»

  • Губайдуллин Даниил, МОУ Лицей №23, 8 класс
  • Константинов Денис, МАОУ Гимназия № 6, 9 класс
  • Сунгатуллина Гульнара, ГАОУ Лицей Иннополис, 9 класс
  • Тавабилова Регина, ГАОУ Лицей Иннополис, 9 класс

Планы на будущее

«По космическому треку планы следующие.

  • Сократить команды до трех человек и более четко выделить три роли — расчетчик, программист и электронщик. Соответственно, задачи командного этапа сделать более разнообразными, позволяющими проявить эти разные компетенции.
  • Расширить конструктор, сделать его более разнообразным.
  • Добавить в симулятор новые миссии, а также возможность писать программы на языке С++. Вообще, симулятор мы будем более плотно интегрировать с платформой Stepic и онлайн-курсом.»

Алексей Федосеев, организатор направления «Космические системы»

Благодарности

Всероссийская инженерная олимпиада для старшеклассников: Космические системы - 41

Лично хочу сказать спасибо Алене Ильиной (за всё), Ксении Макаровой и Юлии Грабовской (за то, что терпели меня), Ирине Абзаловой (за прекрасные фото), сисадмину (за интернет и анимэ), всем космическим инженерам (за баскетбол и Героев 3), а так же компании РВК (говорят, если бы не они, то ничего бы не было).

Автор: MagisterLudi

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля