Валентина Касилова
Московская область, г. Солнечногорск
МБОУ СОШ №5 с УИОП, 11 класс
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ВИНТОМОТОРНАЯ СИСТЕМА БЕСПИЛОТНОГО КОНТАКТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ОЗОНОВОГО СЛОЯ ЗЕМЛИ
20
Научный руководитель: Грудинина Виктория Витальевна, Московская область, г. Солнечногорск, МБОУ СОШ №5 с УИОП, к. пед. н., учитель физики и информатики
Цель проекта
  • Модернизировать авторскую конструкцию стратостата под многофункциональный винтомоторный беспилотный аппарат с внешним источником движения в разреженных слоях атмосферы;
  • Разработать концепцию целенаправленной контролируемой посадки метеозонда, его поиска и спасения в случае аварийной ситуации.
Задачи
  1. Изучить конструктивные особенности малых беспилотных летательных аппаратов.
  2. Рассмотреть возможные схемы электропитания бортовой аппаратуры.
  3. Выявить технические преимущества электромагнитного замка.
  4. Проанализировать доступные «цифровые» решения контролируемой посадки беспилотного летательного аппарата.
  5. Разработать программное обеспечение розыска и спасения метеозонда в случае аварийной ситуации.
Актуальность
Актуальность исследований озонового слоя обусловлена его определяющим влиянием на уровень ультрафиолетовой радиации вблизи поверхности Земли. Озон образуется под воздействием излучения Солнца (hν) на молекулы кислорода О2 + hν → 2О; О2 + O → О3. Стратосферный озон задерживает ультрафиолетовое излучение Солнца, разрушающее белки и нуклеиновые кислоты, нагревает стратосферу на высотах 15-55 км и тем самым влияет на характер планетарных тепловых и циркулярных процессов в земной атмосфере. Озоновая дыра – это локальное падение концентрации озона в слое в результате антропогенных воздействий, влияния газов крупных вулканических извержений и прочих факторов.
Отличительные особенности
В настоящее время мониторинг озонового слоя основан преимущественно на дистанционных методах спектрального анализа солнечного света и средствах микроволновой радиометрии. Для получения реальной информации о состоянии озонового слоя контактным методом предлагаю концепцию многоразового беспилотного стратостата, способного по определённым параметрам терять и набирать подъёмную силу, маневрировать между заданными высотами, обеспечивая себя несущим газом и энергией, определенно долго выполнять поставленные задачи и по завершении осуществить контролируемую посадку. В проекте обоснована целесообразность сцепки высокотехнологичной подвесной части стратостата и несущего воздушного шара посредством электромагнитного стыковочного узла. Показана функциональная схема электрического питания бортовой аппаратуры метеозонда, обозначена возможность контролируемой посадки метеозонда, написана программа розыска и спасения полезной нагрузки в случае нештатной ситуации.
Новизна
Новизна устройства обусловлена тем, что предложенная комбинация традиционных решений и передовых цифровых технологий дает возможность контактным способом в реальном времени отслеживать состояние озонового слоя Земли, где плотность среды недостаточна для автономной работы винтомоторной техники, но использование таковой позволяет осуществить целенаправленную посадку электронной «начинки» для многоразового использования.
Старт разработки авторской конструкции метеозонда приходится на 2019 год. Именно тогда была обозначена идея и сконструирована модель стратостата с системой энергообеспечения на основе водородно-воздушных топливных элементов, получены расчётные данные для планирования реального полёта, обоснован к применению шар-зонд TOTEX ТХ-500(Япония), несущий газ – водород. В 2020 году исследована методика маневрирования метеозонда между высотами, показано оснащение контейнера буферной емкостью для перераспределения несущего газа, солнечными элементами и электролизёром для производства рабочих газов автономной энергосистемы зонда Н2 и О2. Настоящий проект 2021 года является логическим завершением работы над конструктивом стратостата многоразового использования и включает авторское программное обеспечение процесса поиска и спасения метеозонда в случае аварийной ситуации.

Подвесная часть аэростата имеет весовые и объемные ограничения. Поэтому, в усовершенствованной авторской конфигурации капсулу метеозонда помещаю в корпусе малого беспилотного летательного аппарата (МБЛА). Воздушный шар в данной комбинации примет роль внешнего источника движения многофункционального винтомоторного робота в разреженные слои атмосферы. Сцепку двух элементов конструкции осуществляю с помощью электромагнитного стыковочного узла. На земле операция ручного совмещения обеспечит поиск, наведение и выравнивание стыковочных осей электромагнита и его ответной части с учетом трубчатых отводов под перераспределение Н2. Стратостат поднимается и выполняет поставленную задачу в слоях определенного атмосферного давления. По окончании, на max-возможной высоте (порядка 7 км), где плотность атмосферы позволяет стабилизировать МБПЛА, мультикоптер запускает двигатели, стабилизируется, прекращается подача электрического тока к электромагнитному замку, конструкция разъединяется. Свободный несущий шар с ответной планкой устремляется вверх, МБЛА далее функционирует автономно, спускается и осуществляет целенаправленную посадку.

В проекте разработан алгоритм спасения метеозонда в возможных аварийных обстоятельствах. В том числе:

1) написана программа генерации «коптером-носителем» полезной нагрузки отчетов о состоянии рабочих систем (Arduino)
https://drive.google.com/file/d/1VDAZOvJbrVZuLDyxvkp4FjiBGYhpnBoY/view?usp=sharing

2) разработано Программное Обеспечение дополнительному микроконтроллеру для внедрения «коптеру-спасателю» системы спасения груза в случае аварийной ситуации на борту «коптера-носителя» полезной нагрузки (Arduino)
https://drive.google.com/file/d/1pmpVurQLzauLieqT-UIvb3Z06a8BcngY/view?usp=sharing
Совершенствование технологического процесса
Следующий этап - интеграция беспилотного летательного аппарата с роботизированной платформой, что означает: точную автоматическую посадку, регламент обслуживания, алгоритмы диагностики предполетного и послеполетного состояния
Результаты
Предложенные в проекте решения в сравнении с действующими средствами контактного зондирования озонового слоя Земли обладают значительными техническими преимуществами по следующим основным компонентам: летательному аппарату, энергосиловой установке, двигателю, полезной нагрузке, информационным датчикам, системе управления и навигации. Основные функции системы реализуются компонентами на основе микроэлектромеханических (MEMS) технологий. Оптические, акустические, биохимические, радиационные и другие датчики интегрированы в системы МБЛА. При этом бортовой процессор, как ядро системы, обеспечивает основные линии связи между бортовыми датчиками и наземной станцией, контролирует системы управления МБЛА.
Расписание работы автора проекта
1 апреля, чт
Диалог с экспертами
Ответы на вопросы
16:00
16:20

17:35 - 17:45

Поздышев М.Л.
Трубачев Е.А.
1 апреля, чт
16:40
17:00
17:20
Чирский С.П.
Кюрджиев Ю.В.
Шубин А.Н.

Задайте вопрос автору проекта
Обязанность отвечать на заданные вопросы остается полностью на участнике. Организаторы форума не несут ответственности за сроки получения ответа.
Заполняя данную форму Вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности сайта.
Пообщайтесь с автором в режиме реального времени
Вы можете посмотреть диалог с экспертом и задать вопросы автору в форме вебинара.
Расписание сессий приведено выше
Made on
Tilda