Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

в 10:54, , рубрики: Без рубрики

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Разработка Explorer-3 началась спустя 2-месяца после окончания работы над Explorer-2 и Explorer-1. Цель была следующая — создать действительно надёжный аппарат, и главное — работающий полностью автономно.

Для начала, я определился с тем, какие новшества необходимо ввести в данную модель. По опыту работы предыдущих аппаратов, необходимыми являлись: новая радиосвязь, новый корпус, стабильные данные температуры, солнечные батареи. От USB камеры я отказался, так как она всё же нарушает автономность.

В связи с этим я выбрал следующие вещи:

1. Беспроводной модуль APC220-43
Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Опираясь на то, что прошлые модули связи обладали слишком низким радиусом действия и сигнал время от времени пропадал, был выбран Беспроводной модуль APC220-43. Примечательно в нём то, что работает он фактически как удлинитель COM порта, при этом обладая радиусом покрытия в 1000м, что обеспечивает комфортное получение данных.

2. Стабильные данные температуры

В прошлых моделях аналоговые датчики температуры постоянно давали сбои, поэтому в этот раз я решил их заменить на 2 цифровых — один в комплекте с датчиком влажности DHT-11, другой (дублирующий) — DS18B20 1-Wire термометр.

3. Солнечные батареи

Это, на самом деле, самое важное нововведение, позволяющее сделать аппарат полностью автономным. Да и не солидно как-то делать аппарат с космическим уклоном на пальчиковых батарейках. Вырабатываемое напряжение одной батареи — 9В, сила тока — 220мА.

4. Датчик углеводородов

Я не планировал его изначально добавлять, но потом он сыграл довольно важную роль (об этом я расскажу ниже), так что я установил на свой аппарат датчик газа и дыма с сенсором MQ2 на основе Sn02 материалов, с широким спектром обнаружения газов.

Всего же в аппарате использовались:

— цифровой температурный датчик DS18B20, с диапазоном измерений от -55°C до +125°C.
— цифровой датчик температуры и влажности DHT11 с диапазоном измерения температуры  от 0 до 50oC, и диапазоном измерения влажности от 20 до 90%.
— датчик атмосферного давления BMP085.
— датчик углеводородов MQ2.

Начало разработки и сборки.

Активная работа над аппаратом началась в конце августа.К тому моменту, когда все необходимые компоненты пришли, я уже собрал большую часть аппарата и написал софт. Прошивка не особо отличалась от Explorer-2. Разве что, та часть, где описывалась передача данных через радиомодули, заметно полегчала.

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Две батареи были соединены параллельно. Таким образом, они вырабатывали ток 9В и 440мА, чего с головой хватало для обеспечения нормальной работы всего аппарата.
Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Батареи были успешно испытаны. Однако, вскрылась эта неприятная физическая особенность — закрыла тучка Солнце, и ток уже в нужных количествах не вырабатывается. Это было, в принципе, не слишком страшно, так как при таком количестве солнечных дней летом аппарат мог выходить на связь гарантированно раз в день.

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Очень хотелось сделать питание от солнечных батарей с буферным аккумулятором, чтобы работа была, по сути, бесперебойной, но такие устройства стоят порядка 10 000р.

Надо сказать, что после этого сборка аппарата остановилась. Лето заканчивалось, и было банально лень.

Вдруг, к середине сентября я узнал, что могу принять участие в выставке «Шаг в будущее 2013 ЮФО», организованной МГТУ имени Баумана где-то в первых числах октября. Темпы разработки от нулевых подскочили просто до небес -необходимо было всё сделать в кратчайшие сроки, испытать аппарат, да ещё и работу написать.

Корпус был собран буквально за 2 дня, с использованием композитного алюминия. Датчики были установлены сразу же после сборки.

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Настало время традиционно послать его на подоконник. И тут же случился большой облом — на «Марсе» всё затянуло тучами и проливным дождём. Поэтому, «полёт» пришлось немного отложить. За это время была написана сама научная работа.

Очевидно, что Explorer-3 в таком исполнении абсолютно неконкурентноспособен. Поэтому я более чётко обозначил, зачем этот аппарат (макет аппарата) нужен:

В Солнечной системе 4 планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и несколько каменных спутников, прошедших полную или частичную внутреннюю дифференциацию и обладающих шарообразной формой. Три планеты земной группы и один спутник планеты-гиганта обладают плотной атмосферой, которая подвержена климатическим изменениям. В связи с этим возникает гипотеза о том, что наблюдение за климатом на планете земного типа позволит иметь более точное представление о физических процессах, происходящие в её атмосфере в течение суток и на протяжении всего годового цикла.

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Актуальность проблемы: изучение планет (и их спутников) Солнечной системы даст возможность иметь детальную картину истории происхождения Земли, открыть доступ к новым ресурсам. Изучение атмосферы необходимо для получения информации о климатических условиях на данной планете (или на её спутнике). Эта информация необходима при пилотируемых миссиях с высадкой на поверхность. Кроме того, сведения о климате на планете позволит прогнозировать эволюцию земной атмосферы.

Цель работы: создание макета аппарата, способного собирать и отсылать на спутник — ретранслятор данные о колебаниях температуры, влажности и давления в зависимости от времени суток на поверхности планет земного типа.

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Практическая значимость:
1. Аппарат способен длительное время собирать данные об изменениях параметров атмосферы изучаемой планеты.
2. Несколько аналогичных аппаратов в различных точках изучаемой планеты способны образовать глобальную сеть статичных метеорологических станций.

Как можно увидеть, Explorer-3 в этой работе является по сути прототипом метеостанции, ориентированной на использование на других планетах.
Я придумал режим работы в глобальной сети метеорологических станций AWSN, чтобы немного разнообразить функционал станции.
Вот на каком принципе он устроен:

Для получения глобальной картины изменений в атмосфере изучаемой планеты одной станции не достаточно. Для этого необходимо запустить несколько аналогичных станций в интересующие участки поверхности планеты. Таким образуется глобальная сеть метеорологических станций «Alien Weather Stations Network» (AWSN). Принцип её работы основывается на том, что за один день аппараты записывают показания датчиков с нужным интервалом времени. На полярной орбите планеты находится спутник – ретранслятор, который каждый день пролетает над одной из станций. В это время она отсылает ему свой ID(привязанный к региону посадки) и накопленные данные. Собрав информацию, спутник передаёт её на Землю, где она анализируется.

В макете «Explorer-3» работа с AWSN реализована упрощённо: при выборе этого режима вводится длительность измерений. Затем проводятся измерения за указанное время, значения усредняются и отсылаются вместе с ID аппарата.

А теперь про тот самый датчик углеводородов. Дело в том, что марсоход Curiosity не нашел у поверхности Марса метана, который мог свидетельствовать о жизнедеятельности микроорганизмов в грунте планеты. Однако этот газ фиксировали спектрометрами с Земли. Значит, места появления метана локализованы в точечных или компактных областях. Поиск этих областей лучше всего проводить сетью анализаторов. Установка датчиков углеводородов на аппараты Explorer расширит их функциональность. Датчик не может идентифицировать газ, но способен показывать его долю в окружающей среде (в промилле).

Хронология полёта

Пока текст работы писался, на улице более-менее прояснилось и Explorer — 3, наконец, совершил посадку на подоконник.

Аппарат вполне исправно выходил на связь, когда энергии было достаточно. Датчик углеводородов не показывал сильного колебания значений, а остальные сенсоры работали так, как положено.

Мне сложно что то написать в духе «Explorer-1» или «Explorer-2», если раньше был экшн с преждевременным выходом из строя аппаратов, то теперь мне удалось создать надёжный зонд, работающий как часы. Ни одного сбоя за всё время нахождения на «планете».
По результатам 6-ти дневного «полёта» были построены следующие графики:

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Объём и качество данных, конечно, сильно возросли с момента предыдущих миссий, что подтверждает заслуженность цифры «3» в названии аппарата, несмотря на мои предположения о его концепции в предыдущей статье.

Конференция

Время шло, и научная работа была полностью составлена. С её текстом вы можете ознакомиться тут.
Особою благодарность хочется выразить Виталию Zelenyikot, который помогал на протяжении всей работы и даже составил на неё потрясающую рецензию.

Текст рецензии

Научная работа Артема Зубко по проекту Alien Weather Stations Network отвечает требованиям научности, а процесс разработки отражает принципы подготовки исследовательских аппаратов, принятые в современной космонавтике: многократные испытания, отработка технических решений на нескольких поколениях устройств и прототипов. Хотя приборы и устройства, использованные в проекте, не соответствуют космическим требованиям по термо- и радиационной стойкости, в нынешнее время увеличивается количество космических аппаратов стандарта CubeSat, в которых использована именно такая электроника. Например в сентябре 2013 года выведены на орбиту два аппарата ArduSat, в которых использована электроника на базе Arduino.
Научные задачи, поставленные в работе, также соответствуют современному развитию планетологии и космонавтики. Более того, на данный момент сотрудниками НПО им. С.А. Лавочкина и компании «Даурия Аэроспейс», в сотрудничестве с Финским метеорологическим институтом и другими организациями Европейского космического агентства ведутся разработки серии исследовательских марсианских зондов по проекту MetNet (http://ru.wikipedia.org/wiki/MetNet). Данный проект должен реализовать цели, заявленные в научной работе Артема Зубко. Запуск зондов предполагается осуществить в 2018 году, и возможен перенос на более поздний срок, поэтому у Артема Зубко, по окончании пятилетнего срока обучения в вузе по профильной специальности, появляется шанс принять участие в реализации этого проекта.
Современная космическая отрасль остро нуждается в специалистах, которые являются не только профессионалами своего дела, но и энтузиастами космоса и космических исследований. Подготовка будущих поколений исследователей космического пространства – важное дело, которому уделяется внимание в компаниях и организациях ракетно-космической отрасли. Например, в НПО им С.А. Лавочкина регулярно проводятся посещения музея и проведения там практических занятий для школьников и студентов; при участии компании «Даурия Аэроспейс» проводится научно-технический конкурс «CanSat в России» для школьников. Инициатива и самостоятельность Артема в реализации своего научного проекта, безусловно, является положительным примером для всех его сверстников. Стоит выразить надежду, что его интерес и увлеченность перерастут в профессиональную занятость во взрослой жизни, и он сможет сделать свой вклад в продвижение человека во Вселенную. И, что не менее важно, сделает это под российским флагом.

Сама конференция прошла очень интересно. Конкурирующие проекты были мощные. Но я приехал не за соревнованием. Главное, что выдалось поговорить с профессорами ВУЗов, которые дали огромное множество советов по развитию аппарата и спутникостроению в целом.

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Explorer-3 ничего не занял в основной номинации. Всё же не того он уровня, чтобы тягаться с роботами-спасателями и т.д. Однако он занял 2-е место в номинации молодёжного жюри. Вообще, аппарат, как и задумка, судьям понравился.

Самый неожиданный момент на выставке был таков, что из-за спины я услышал голос: «Привет, я твои статьи на хабре читаю». Очень приятно, надеюсь, этот парень отзовётся в комментариях :)

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Итоги

Выставка и сам Explorer-3 дал мне большой опыт. Теперь можно сказать, что технология автономных аппаратов полностью отработана, что позволяет переходить к чем-то новому.

К сожалению, надо мной, как Дамоклов меч, повис ЕГЭ, что не даёт мне заниматься ничем, кроме как подготовкой к нему. Однако, по его окончании я планирую возобновить работу над Explorer-4.

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

В чём его отличие? Да в том, что четвёртое поколение будет работать на одноплатном компьютере Raspberry Pi (который уже приобретён) в упряжке с Arduino, что даёт возможность сделать нечто действительно интересное. Теперь начинка Explorer-3 будет использоваться как отдельный инструмент «SAA» (Simple Atmosphere Analyser). Пока что сделан примерный рисунок будущего аппарата, по которому будет построена 3d — модель.

Спасибо всем за поддержку, которая сыграла немаловажную роль в моём увлечении этим делом. Встретимся в следующем году!

Explorer — 3 и выставка «Шаг в будущее 2013 ЮФО»

Автор: blackhand911

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js