«Око с небес»(создание школьного спутника CanSat)Авторы:Алексеева Анна АлексеевнаГрачева Нина Алексеевнаг. Троицк Московской областиМОУ «Гимназия имениН. В. Пушкова», 10 классРуководитель проекта:Бирюкова Татьяна Евгеньевнаг. Троицк Московской областиучитель информатикиМОУ «Гимназия имениН. В. Пушкова»Технический руководитель:Веденькин Николай Николаевичг. Москвастарший научный сотрудникнаучно-исследовательскогоинститута ядерной физикиимени Д. В. СкобельцынаМГУ имени М. В. Ломоносоваг. МОСКВА, 2011Содержание:АнонсОбщие понятияВведениеОсновные этапы работыЭтап первый. Сборка конструктораЭтап второй. Программирование датчиковЭтап третий. Уникальная функцияЭтап четвертый. Создание аккумулятораЭтап пятый. Создание парашютаЭтап шестой. Создание корпусаЭтап седьмой. Последнее тестирование капсулыЗаключениеСписок «Приложения»Анонс: Чемпионат «CanSat» («Спутник в консервной банке») – отличная возможность для школьников погрузиться в мир спутников. Это соревнование по разработке и созданию спутников, начинка которых умещается в жестяной банке, в каких продают газированные напитки, – отсюда, собственно, и название конкурса (от англ. Can – жестяная банка и Sat- сокр. от Satellite-спутник)^ Общие понятия:«CanSat» - международный проект, который стартовал в 1999 году в США. Россия участвует в этом проекте только с 2011-го года. После успешного выступления российской команды в Норвегии, было принято решение о проведении Российского этапа конкурса «CanSat». Скорее всего, он пройдет в апреле 2012 года в Калуге. Конкурс предполагает, что участники самостоятельно собирают из конструктора спутник, приводят его в рабочее состояние, программируют датчики телеметрии, устанавливают на нем источник питания, который обеспечивает работу передатчика не менее чем на три часа (это необходимо для того, чтобы после приземления капсулу смогли бы отыскать). Каждая команда - участница должна придумать систему спасения для своей капсулы, дополнить спутник собственной, уникальной миссией, разработать для капсулы дизайн корпуса и предложить практическое применение. По завершению испытаний команда должна презентовать результаты своей работы (на английском языке). Во время проведения конкурса в метеорологическую ракету помещались две капсулы. Ракета стартовала и на высоте около 2-х – 2.5км капсулы выбивались поршнем из корпуса ракеты, далее с помощью системы спасения «спутники» спускались на землю. За время спуска, необходимо передать информацию с датчиков давления и температуры, а также капсула должна выполнить свою уникальную функцию. Краткий список конкурсных задач капсулы: 1. Вес не более 350 грамм;2. Объем корпуса не должен превышать 0,33 л. 3. Участникам не разрешается добавлять детали или измерительные приборы общей стоимостью свыше 512 долларов США.4. Спутник должен быть оборудован парашютом или иным устройством, обеспечивающим управляемый спуск.5. Лимитированное время полета 120 секунд.6. Скорость спуска (8 - 12) м/с.7. Потребляемое питание должно поддерживаться на минимальном уровне в целях достижения времени работы спутника не менее 3 часов (в целях обеспечения возможности его поиска после приземления) .8. Все компоненты микроспутника CanSat должны выдерживать перегрузку до 20G. Телеметрия - совокупность технологий, позволяющая производить удалённые измерения и сбор информации для предоставления оператору или пользователю.Трансмиттер - передатчик в системах телеуправления и телесигнализации, передающий кодированные электрические сигналы.Введение: В этом году, в честь Года Космонавтики в России, объявленного указом российского Президента Дмитрия Медведева, инициативные группы по подготовке к мировому чемпионату были созданы сразу в трех столицах – Москве, Санкт-Петербурге и Казани. Московская команда была сформирована инициативной группой научных сотрудников Государственного учреждения культуры города Москвы «Мемориальный музей космонавтики» (далее ММК) и Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова (далее НИИЯФ). Команда была сформирована из числа учащихся Гимназии им. Н.В. Пушкова – базовой площадки ММК. В течение шести лет учащиеся нашей гимназии изучают историю отечественной космонавтики, основы дистанционного зондирования земной поверхности на базе ММК, принимают участие в инновационных музейно-образовательных программах и проектах космической тематике, занимают призовые места, принимая участие во Всероссийских юношеских научных чтениях им. С.П. Королева, которые ежегодно проводит ММК. В этом году научные сотрудники музея предоставили нам отличную возможность попробовать свои силы в инновационном научно-техническом проекте – разработать и создать свой собственный обучающий пикоспутник CanSat. Нам очень понравилось предложение, и работа закипела. Команда (6 человек) сформировалась из восьми- и девятиклассников гимназии. На сборах команды обсуждались: внешний вид капсулы, устройство парашюта, дополнительные миссии. После распределения обязанностей авторам данного проекта досталась работа по сборке и усовершенствованию конструктора, а так же по программированию датчиков телеметрии. В рамках реализации проекта дополнительные занятия проводились в строгой очередности: в ММК, НИИЯФ, Гимназии. Техническим руководителем нашей команды стал старший научный сотрудник НИИЯФ Веденькин Н. Н.. Работа над проектом проводилась с 17-ого марта по 26-ое апреля 2011-ого года. По условиям конкурса был прислан конструктор, который состоял из нескольких частей: Алюминиевое основание под платы; Датчики температуры и давления; Платы процессора и трансмиттера; Связные провода; Англоязычные инструкции; Диски с программным обеспечением.^ ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАБОТЫ:Этап первый. Этап сборки конструктора Было продумано самое удобное и компактное расположение плат на алюминиевой основе. Платы были собраны в особом порядке: Процессорная плата, датчики телеметрии, трансмиттер. Связные провода из присланного конструктора не использовались. Мы использовали свои, которые вручную припаивались и заливались особым клеем, чтобы конструкция выдержала силу удара поршня из ракеты, и, затем, силу удара о землю. (Подробнее о платах можно узнать в разделе «Приложения. Этап 1», I)Этап второй. Этап программирования плат Так как платы были совершенно пустые, нашей задачей являлось их программирование. В дисках с ПО была предложена платформа для программирования «Arduino-0.1». Она оказалась устаревшей, и мы использовали более современную версию этой платформы «Arduino-0.2». Программирование происходило на языке «С++». (Пример написанной нами программы см. в разделе «Приложения. Этап 2», II). Сначала мы использовали простые команды, чтобы проверить работы плат. Использовались разные программы для проверки процессора и светодиода. Затем мы перешли к программированию датчиков телеметрии. Вначале мы запрограммировали каждый из них по отдельности, т.к. программа писалась в два этапа. А именно, сначала приблизительная, для проверки работы датчиков, затем основная, в которой уже мы откалибровали показания каждого датчика. Далее эти две программы мы преобразовали в единую, которая использовалась нами в дальнейшей работе.^ Этап третий. Этап создания уникальной функции Российской капсулы Уникальной функцией нашей капсулы являлась видеосъемка. Для этого был установлен отдельный передатчик с частотой 2.4ГГц. Волна принималась направленной антенной, которая была присоединена к конвертеру информации. Все полученные данные автоматически сохранялись на ноутбук. Нами была выбрана мини-камера KY-655H («Приложения. Этап 3», III) У камеры отсутствует аудиозапись, она была отключена специально, потому что, во-первых, никакой полезной функции не выполняла (в ракете мы бы услышали лишь шум залпа, а при падении - лишь шум ветра), а, во-вторых, передача звукового сигнала только увеличивала бы объем передаваемых данных. Сигнал принимался направленной антенной типа «биквадрат» Delpha-2400DQ. Антенна изготовлена из меди, латунных и алюминиевых сплавов, что обеспечивает отличные радиотехнические характеристики на частотах выше 1 ГГц. Вход антенны - разъем типа TNC -замкнут по постоянному току. ^ Этап четвертый. Этап подбора аккумулятора Мы приняли решение использовать трехбаночный литий-полимерный аккумулятор серии G3 с высокой токоотдачей и возможностью быстрой зарядки.^ Этап пятый. Этап создание системы спасения Мы использовали знаменитый парашют ПТЛ-72 (парашют был изготовлен самостоятельно. («Приложения. Этап 5», III). Изначально мы хотели использовать стандартный CanSat парашют, но его характеристики не подходили для нашего спутника. Также рассматривался вариант парашюта «Лавсановая лента», но вероятность потери такого парашюта при выходе капсулы из ракеты была очень велика. На полевых испытаниях ПТЛ-72 нас удивил. При весе спутника (300гр) он показал хорошие результаты: динамика спуска составляла 3 м/с. При особой складке парашюта, мы добились быстрого раскрытия, которое и помогло нам на соревнованиях. ^ Этап шестой. Этап создания корпуса Так как мы имели ограничения по весу, то решили разработать легкую версию корпуса, но чтобы она защищала конструкцию от внешних повреждений. Был выбран вариант пластиковой бутылки (от томатного сока), обрезанной по обеим сторонам. Так же пришлось слегка видоизменить алюминиевую основу, сделать ее верх и низ в форме круга, точно соприкасающегося с корпусом. Это было сделано для того, чтобы повысить прочность каркаса. ((«Приложения. Этап 6», IV)^ Этап седьмой. Этап последних тестирований капсулы Мы вторично протестировали всю систему нашей капсулы. Окончательное тестирование термодатчика: Мы создавали для капсулы ситуации с широким диапазоном температуры. Закрывали его в холодильнике, где температура колебалась от 3 до +50С, выносили на лестничную площадку, где температура достигала до +170С, а потом измерили температуру выдуваемого феном потока воздуха, которая колебалась от +380С до +410С. Окончательное тестирование видеосигнала и камеры: Для тестирования видеокамеры, передатчика и принимающего видеосигнал устройства мы нашли место недалеко от Троицка (поле в районе «Ватутинки-1»). Там мы измеряли работоспособность антенны и передатчика, а так же камеры. Расстояние между антенной и капсулой составляло около 1500 – 2000м. Окончательное тестирование трансмиттера: Для тестирования передачи сигнала телеметрии нам пришлось поехать в НИИЯФ МГУ им. М. В. Ломоносова. Где есть аппаратура для приема информации: Motorola DM3600 мобильная цифровая радиостанция. Сигнал был принят. Трансмиттер работал. Окончательное тестирование системы спасения: Здесь нам пришлось обратиться за помощью к гонщикам. Испытания проходили на Дмитровском автополигоне. Автогонщиками был проведен следующий эксперимент: в трубе диаметром 40мм и длиной 300мм был размещен наш парашют с грузом, имитирующим капсулу, весом 350г и диаметром 20мм. Машина разгонялась до скорости 250км/ч (так как это совпадает со скоростью ракеты для CanSat). Один из гонщиков на вытянутой из окна машины руке держал трубку с парашютом вертикально относительно поверхности дороги. Затем трубку поворачивали на 900 и парашют, под действием потока воздуха, вылетал из трубки и раскрывался. Стропы выдержали! (фотографии тестов см. «Приложения. Этап7», V) ЗАКЛЮЧЕНИЕ: С 6-ого по 14-ое мая 2011г. в Норвегии проходил чемпионат «CanSat». Мы приняли в нем участие, и запустили нашу капсулу. Все данные были получены, парашют сработал как надо и спутник был найден невредимым. (Приложения. Миссия CanSat, VI). По возвращению из Норвегии в Мемориальном музее космонавтики наша команда (Алексеева Анна, Грачева Нина и Рассказов Ярослав (студент МГТУ им. Н. Э. Баумана, капитан команды)) была награждена серебряным кубком. (Приложения. Награждение в Мемориальном доме-музее академика С. П. Королева, VII) В процессе работы над «спутником» были предложены следующие практические разработки на будущее: во-первых, в образовании. Действительно, школьники получают массу дополнительного научного материала, не входящего в школьную программу, практические навыки работы в команде. На своем опыте можем с уверенностью сказать, что полученные знания в процессе работы над проектом значительно расширили границы нашего кругозора, а так же заставили пересмотреть планы на будущее. Возникло устойчивое желание после окончания школы поступить в технический вуз; во-вторых, для МЧС. Действительно, в труднодоступных зонах можно использовать нашу капсулу для получения объективной информации о масштабах стихийных бедствий. Запуск микрокапсулы будет значительно дешевле, чем использование в тех же целях вертолетов или самолетов. Но для стабильного спуска придется использовать доработанный парашют с другим способом крепления к капсуле; в-третьих, видеонаблюдение. Это могут быть зонды, парящие на высоте до 2 км. Их цели могут быть различны, например, обнаружение пожаров на ранней стадии. Для создания такого «наблюдателя» надо разрабатывать систему подъема (без ракеты), систему планирования, рассчитывать мощность аккумулятора, чтобы можно было зонду работать до 8 часов.