Космические полеты - это возможно?!

Первый этап - создание автономного беспилотного космического аппарата

Этот пост о проработке возможности создания космического аппарата, способного выполнять космические полеты к различным планетам, а в лучшем варианте - к другим галактикам. В этом мечта человека к изучению неизвестного и космическим путешествиям. Насколько этой мечта реальна и что необходимо сделать по реализации этой мечты.
Я считаю, что есть вполне реальная возможность мечту воплотить в реальность.

 Далее описание статьи построено по схеме:

1. Цель, описание задачи, существующая ситуация с дальними полетами
2. Разложим общую цель на задачи и подзадачи, которые помогут реализации цели
3. Задача #1 Двигатели, гравитация. Движение в атмосфере и без нее (космос)
4. Задача #2 Автономия, управление, роботы
5. Задача #3 Расстояния, ориентирование, скорости
6. Задача #4 Система жизнеобеспечения, человек
7. Задача #5 Первый полет. Куда, как, какой ожидаем результат
8. Задача #6 Ресурсы. Материалы, компоненты, энергетика, люди/роботы, инвесторы (финансовые ресурсы).
9. Задача #7 Развиваем проект. Второй полет. Проверка на прочность.
10. Задача #8 Команда проекта.

1. Цель, описание задачи

Фантасты с разных сторон описали возможность таких полетов, а голливуд помог это визуализировать. Мне импонируют эти представленные решения. Почему бы не создать что-то подобно "Тысячелетнему соколу" (Falcon Millenium) для совершения путешествий в различные галактики.

2.Разложим общую цель на задачи и подзадачи, которые помогут реализации цели

Итак перед нами задача создать что-то подобное Falcon Millenium из Звездных войн.
Что требуется для этого:
- двигатели, способные преодолевать силу притяжения планеты, - от него требуется поднять в космическое пространство создаваемый аппарат.
- движение в космосе с высокой скоростью, не года и столетия а часы, возможно дни. Как автопутешествие - дорога не должна быть на года
- жизнеобеспечение в полете. Нужны продукты, атмосфера, искусственная гравитация, защита от холода, комфортная температура, магнитное поле, защита от различных излучений и т.п. Т.е. нужен кусочек планеты Земля для далекого путешествия.
- ресурсы для двигателей, выполнения далекого путешествия
- защита аппарата от внешних воздействий. Неизвестно, что встретится в космосе и нужно быть способным защититься от этого воздействия
- система коммуникаций, ведь нужна будет связь с Землей
- финансовые ресурсы для построения аппарата
- материалы, комплектующие для построения аппарата
- команда для строительства
- команда для управления аппаратом (на аппарате и/или удаленно работающая)
-- ....

Как уменьшить число задач? Возможный вариант - это создать автономный космический аппарат-робот, где не будет необходимости в создании системы жизнеобеспечения человека. Это уменьшит количество задач,  все же основные остаются.

3. Задача #1 Двигатели, гравитация. Движение в атмосфере и без нее (космос)

Задача поиска решения в создании двигателя для космических путешествий не реализуется на современном уровне способного обеспечить лишь очень дорогой подъем на орбиту космического аппарата, но не способного к многоразовому использования в т.ч. для применения посадки/взлета с других посещаемых планет.

Необходимы иные способы преодоления гравитации. Инерционные способы с выбрасыванием энергии газа сгорающего топлива здесь высокозатратны. И движение в этой области по повышению энергоемкости сгораемого топлива с уменьшением его веса путь в никуда.

Наличие решений:

Немного теории. Закон Архимеда о подъемной силе, действующей на тело погруженного в жидкую среду. Он сообщает нам, что тело тонет, если давление сверху выше давления снизу (выталкивание), остается на определенной глубине - когда давление сверху и снизу на тело уравновешено и - поднимается, если давление на тело сверху меньше, чем давление на тело снизу. Поскольку давление жидкости на разной глубине разное то тело будет подниматься до того момента пока давление на него снизу и сверху не будут уравновешены.
Иначе говоря у нас есть несколько способов осуществить подъем аппарата в атмосфере (будем считать, что атмосфера - это та же жидкость, но имеет другую плотность). Кроме этого остается сложный вопрос движение в космосе, а именно очень быстрое перемещение из одной точки в другую со скоростями больше, чем скорость света.

А способ. Воздушный шар. Т.е. создание над аппаратом зоны пониженного давления (воздушный шар).

Этот способ ограничен высотой подъема воздушного шара и его малой грузоподъемностью. Требует ресурс горючего для разогрева газа внутри шара или наличие более легких газов (водород, гелий). Эти газы имеют свойство выпадать в конденсат, т.е. превращаться в жидкое состояние. Это свойство нам на руку, поскольку это дает возможность повторного использования газа за счет процесса превращения жидкого газа в газообразное и обратно для его хранения/транспортировки.
Из истории полетов на стратостатах соотношение объема баллона и поднимаемого веса до высоты 40 км
объем баллона 850 тыс.м3 - вес закрытой гондолы с пилотами 1400 кг,
объем баллона 170 тыс.м3 - вес открытой платформы с пилотом 212 кг
информация получена здесь
Если применить для полета автономного робота, мы можем рассчитывать на схему
25кг поднимаемого полезного веса - объем баллона - 22500 м3, в жидком состоянии вес 3 тонны, и объемом 36 м3.
Система в 3 тонны и объемом в 22,5 тыс.м3 (это шар диаметром 35м), что бы поднять вес в 25кг на высоту 40км.

В способ. Ракета. Создание повышенного давления под аппаратом.

Это хорошо известный на сегодня способ вывода аппаратов в космос. И что бы вывести 25кг полезного груза требуется 1,25 млн$ (50тыс.$ за 1кг). И это только вывод на околоземную орбиту.

С способ. Изменение плотности аппарата относительно внешнего давления, создающего выталкивающую силу.

Этот способ похож на стратостат, объем такой лодки значительный. на 212кг полезного груза нужны 1,4 млн.м3 объема.

D способ. Крыло. Т.е. Изменение формы тела аппарата для обеспечения разности давлений в потоке внешней среды.

Этот способ требует движение внешней среды, относительно которой можно создавать завихрения и разницу давлений для осуществления движения.
В атмосфере один способ в космосе - где нет атмосферы - должен быть другой способ перемещения.
Способы создания изменения давления:
- крыло (птица, самолет, вертолет)
- гибкая спираль (дельфин)
- вращающийся цилиндр (эффект Магнуса)
- вращающийся шар (сфера)

Создание повышенного давления в В способе можно осуществлять за счет взятого ресурса (горючая жидкость) или используя внешнюю среду. Как, к примеру, двигаются кальмары в воде, когда они выталкивают под давлением всасываемую воду, тем самым двигаясь вперед, как правило это движение по горизонтали.
Для движения по горизонтали, невозможно использовать разницу давлений верх/низ и природа для перемещения использует С способ, если животное неподвижно или неподвижно внешняя среда и D способ, если животное использует подъемную силу за счет движения внешней среды (движение рыб, дельфинов в воде или птиц в воздушном потоке).

Теперь еще раз применительно к нашей задаче.
Подъем космического аппарата способом А. Подъем за счет подвешивания аппарата на воздушных шарах, это скорее всего способ С, когда разогрели воздух в шаре, происходит уменьшение плотности воздуха внутри шара и поднимается аппарат. Но есть предел высоты подъема, это порядка 40 км. С увеличением высоты уменьшается плотность атмосферы и наступает момент, когда воздушный шар встанет.далее не летит.

Вернемся к способу А. Это уменьшение давления спереди движения аппарата.
Это двухтактный вариант - Такт1 - Всасывание (создание разряжения) и Такт2 (выталкивание забранной жидкости или окружающей среды) снизу аппарата.

Этот способ в технологическом плане используется для движения в воде (гидроскутер и т.п.), в атмосферном движении - применяются авиационные турбины на самолетах.

Этот способ реализуется на турбинных самолетах для движения в атмосфере. В космосе этот способ невозможен, - там нет атмосферы.

Рассмотрим вариант быстрого нагрева приграничного спереди (по ходу движения) аппарата, тем самым создавая зону пониженного давления перед аппаратом и всасывание его в это пространство.

Такой вариант в технологиях перемещения в атмосфере и, тем более, в космическом пространстве не применяется. Технология не изучена и нет реализованных прототипов и даже экспериментальных моделей.

Вариант быстрого облучения приграничного слоя, т.е. изменение плотности вещества на атомном уровне, превращая окружающие впереди пространства в испарение вещества, превращая его в атомы водорода/гелия. Возможно есть и более сильный распад вещества до уровня нейтрино (действие на уровне эфира).




Создание вакуума в приграничном слое в направлении движения можно создавать методом испарения вещества или превращения его на атомном уровне. Другой способ создания вакуума в приграничном слое в направлении движения можно создать за счет вихревых движений атмосферы. Пример тому - торнадо или смерчи, вращение которых создает вакуумную трубу.
На эту тему есть много  статей, но реальных аппаратов, работающих на этом принципе нет или они находятся по грифом секретно, иначе говоря не публичны.
История практического применения подобных решений имеет отблески в летающих тарелках третьего рейха, в виде разработок Виктора Шаубергера.



Близкая технология создания градиента давления применяется на основе эффекта Магнуса.



Наиболее важно здесь отметить, что различаем движение в статической среде и подвижно, В статической среде необходимо создавать изменение среды, в динамической мы используем ее для создания разности давлений.

Такой принцип движения используется в частности на корабле Алсилон Иф Кусто



Интересное решение, способное выполнить подъем аппарата на высоту 10 км - это торнадо или смерч. Сама природа придумала оригинальный способ подъема предметов на большую высоту. Каким бы страшным и опасным нам не казался этот способ, но он самый бюджетный, не требующих больших затрат на подъем 1кг груза. Задача найти и попасть под этот смерч/торнадо или создать его искусственно. История говорит, что скорость движения достигает 1300 км/ч, способного поднять груз вплоть до 80 тонн, а высота подъема до 10 км.


Эта технология вполне вероятно применяется природой для отправки известных нам марсианских метеоритов. Мне всегда было интересно, каким образом к нам прилетают из космоса метеориты, родом с планеты Марс. Об это говорят наши ученые, но они не говорят каким образом они поднялись с планеты, преодолев силу гравитации.
Только сильный смерч способен поднять породу с марсианской поверхности и вывести его на орбиту и далее прибить его в Земную атмосферу и спустить на нашу планету как метеорит.
Вероятно по этой причине поверхность Марса так похожа на вылизанную смерчем поверхность.

Фото Марсианского смерча

http://www.holoscience.com/wp/wp-content/uploads/2012/03/mars_dust-devils.jpg

И фото после смерча

Похоже!

Подъемная сила аппарата внутри торнадо/урагана - это движение во встречном потоке. Предположительно скорость, которую может развить аппарат 10 тыс.км/ч, что на выходе (высота в 10 км) может быть близка к первой космической.

Важна форма аппарата для ускоренного движения внутри канала. Она должна иметь форму яйца с каналами для создания вращательного движения по принципу артиллерийского снаряда.

Задача #2 Автономия, управление, роботы

Хорошо самому управлять аппаратом, как это и происходило во многих исследованиях.

Но сейчас важно решить конечную задачу, и она прекрасно решатся без присутствия человека. Работают роботы, автономные системы.

Плюсы очевидны, это и отсутствие системы жизнеобеспечения и преодоление более сильных перегрузок, радиации и других ограничений.

Задача #3 Расстояния, ориентирование, скорости

Поднялись мы на орбиту. Далее нужно лететь и долго, если идти пешком как сегодня.

Задача #4 Система жизнеобеспечения, человек
Первые шаги мы без системы жизнеобеспечения, используются роботы. При проектировании полета человека - да, эта задача важная в проработке.

Задача #5 Первый полет. Куда, как, какой ожидаем результат
Первый полет. Луна. Марс. Если для качественного результата - то Марс. На этой планете есть атмосфера. Возможны большие ожидания.

Задача #6 Ресурсы. Материалы, компоненты, энергетика, люди/роботы, инвесторы (финансовые ресурсы).Идея хорошо. Первая команда - из энтузиастов. Первые инвесторы - для кого планируемые задачи важны.

Задача #7 Развиваем проект. Второй полет. Проверка на прочность.
Второй полет. Если успешный полет на Марс. Далее - Титан, спутник Юпитера. 

Задача #8 Команда проекта.

Собираем команду.

Плюсы и минусы онлайн-занятий в кружке детской робототехники

Какие плюсы и минусы онлайн-занятий в кружке детской робототехники? 

Прошедшая неделя дала понять, - готовы ли мы обеспечить для наших ребят качественные занятия, и что нужно сделать, что бы сохранить прежний уровень интереса у детей.
Наши курсы - это на 90% практика, работа руками и лишь небольшое количество времени ребенок просто что-то слушает не выполняя каких-либо ответных действий. По этой причине, в первую очередь, при переходе на онлайн занятия, я смотрел есть ли возможность эти работы сделать удаленно, дома, с теми инструментами, которые есть у ребенка или у его родителей. Даже при условии, что каждый ребенок или подросток работает со своим конструктором (за редким исключением), часть проектов вынуждены были приостановить, поскольку требуется хорошо оборудованное рабочее место для доработки проекта. Интересно, что дети 7-8 лет практически не смогли перейти на онлайн-занятия. И причины здесь разные, но основные из них - это трудность в использовании инструментов онлайн-занятий, отсутствии дома рабочего места для занятий, отсутствие поддержки от родителей в прохождении ребенком этого занятия.
Все еще срабатывает привычка, когда родители приводят ребенка на занятие и передают его руководителю кружка. При онлайн-занятии родитель должен помочь ребенку в пользовании компьютером, помочь в решении возникающих вопросов, пользовании инструментами, паяльником и т.п. - всего того, что руководитель кружка делает сам, но в силу дистанционности этого уже сделать не может.
Положительная тенденция в помощи пап в прохождении ребенком занятия, когда они активно вовлекаются в этот процесс с готовностью выполнить пайку схемы вместе с ребенком, подключении и других работ руками.
Увы, приостановились занятия у ребят, кто проходил базовый курс. К сожалению здесь без практики делать нечего.
Подводя итог, - дистанционные курсы по робототехники забирают гораздо больше времени от руководителя кружка, чем простые групповые занятия в центре, практически переходя в индивидуальные занятия. При этом ребенок не получает необходимой практики из-за неготовности к конструктивным самостоятельным занятиям, по привычке ожидания помощи, которую они не получают если нет рядом папы, готового прийти в этот момент ему на помощь.
Вот такие итоги недели дистанционных занятий.

Конструирование модуля беспроводной зарядки для автономного робота

Конструирование модуля беспроводной зарядки для автономного робота

Последние несколько дней я разбирался с задачей проектирования конструкции беспроводной зарядки для создаваемого нашим КБ автономного робота. В предыдущей версии, на роботе Scorpy в качестве беспроводной зарядки использовался готовый комплект приемника-передатчика, с диаметром антенн 4 см и мощностью в приеме 0,5Вт (100 мА при напряжении 5В) при 5Вт потребления на передающей станции (5В, 1А). Этой мощности не было достаточно для запитывания аккумуляторных батарей и применялся только в качестве сигнализации заезда на базовую станцию.

На сегодня для решения задачи беспроводной зарядки применяется технология электромагнитной индукции, реализованный в двух основные технологиях передачи энергии:

• магнитно-индукционный MI (Magnetic In­duc­tion), в которой используются сильно связанные катушки, где дистанция между приёмной и передающей антенной меньше длины волны и составляет несколько миллиметров (от 5 до 40 мм)  и мощностью передачи до 5Вт.
• магнитно-резонансный MR (Mag­ne­tic Resonant) со слабо связанными катушками, с большим расстоянием эффективной передачи энергии, до 2-3 метров и мощностью от 40Вт до нескольких киловатт.

Схема работы беспроводной зарядки на принципе магнито-связанных катушках

Отличие этих двух вариантов в использовании резонанса приемо-передающего каскада. В индукционной схеме резонансный режим не используется. Частоты, на которых работают технологии беспроводной связи - от 100 до 375кГц.
Эти технологии хорошо описаны с технической точки зрения и защищены более 50 патентами. Эффективность передачи энергии сильно зависит от взаимного расположения катушек, размера, частоте, ориентации, числа витков и т.п., отраженных в разработанных стандартах. Сегодня применяются несколько несколько таких стандартов беспроводной передачи, разработанных консорциумами, объединивших в себе крупных игроков этого рынка. При этом наблюдается участие одной организации в нескольких консорциумах, наиболее известные из них это Wireless Power Consortium (WPC), PMA, A4WP. Какие это стандарты:

• QI (эпическое название энергии Ци, китайской культуры). Этот стандарт разработан консорциумом WPC и развивает оба направления передачи энергии, - как индукционное на малых расстояниях, так и резонансно-индукционное на большие расстояния. В первом случае применяется для зарядки мобильных телефонов, с развитием на поддержку зарядки для планшетов, ноутбуков, обладающих большим энергопотреблением.
• PMA.

Общая схема построения таких систем

КПД таких систем заявляются производителями порядка 97%, но практика показывает реальную передачу энергии порядка 50-60%. Стандартами предусматривается применение нескольких катушек для сильно-связанных катушек. Для зарядки нескольких устройств - применяется схема магнитно-резонансного стандарта беспроводной связи с соотношением 12:1. 

Попытка самостоятельной реализации этих стандартов при разработке схемы беспроводной зарядки нашего робота получила следующие результаты:

1. Конструкция с сильно-связанными катушками, магнитно-индукционная схема. Результат оказался слабый и потребовалась доработка схемы, поиска резонанса двух связанных катушек.
1. 
   
   Принципиальная схема, по которой была выполнена конструкция ниже.
   
   

После сборки выяснилось, что КПД порядка 20% при токе зарядки порядка 20-25мА, что было недостаточно и хватало лишь для того, чтобы зажечь светодиод индикации. Доработка коснулась добавлением конденсатора колебательного контура на резонансной частоте 100кГц. После согласования контуров, приёмной и передающей катушки КПД удалось поднять до 50% и добиться тока зарядки 130мА. 

Для новой версии автономного робота, где используется три отдельных аккумулятора Li-Pol 3.7V 2300mA, была взята за основу двухкаскадная схема на полевых транзисторах IRFZ44N.

Собранная схема не давала хорошие результаты, и потребовалось значительно ее доработать, внеся режим резонанса выходных контуров.

В результате получилась конструкция беспроводной зарядки для ровера, с тремя аккумуляторными батареями по 3,7В емкостью 2300мАч.

Выводы и планы на последующие разработки

1. Передача энергии без проводов - это удобный способ восстановления энергии аккумуляторных батарей роботов. Простота будет увеличиваться когда повысится дальность действия и КПД передачи энергии.
2. магнитно-индукционный способ очень критичен к размещению приемной антенны на передающей базе и желательно найти более эффективный способ передачи энергии.
3. рассматривать магнитно-резонансные системы и выполнить поиск решений на других технологиях (известные теоретически, но не используемые или мало используемые сегодня на практике).
4. Применение контроллера зарядки на основе Arduino с выдачей на ШИМ порт управляющего сигнала для выходных каскадов полевых транзисторов.

Консорциум WPC исследует магнитно-резонансные системы как перспективные для применения беспроводной зарядки. Однако в этом есть существенный недостаток, поскольку энергия убывает с квадратом расстояния и узконаправленная передача энергии на большие расстояния не имеет практических решений. Поиск среди патентов подходящих для этого решений не дало результата.

Что известно о других технологиях беспроводной передачи… где искать решение для более эффективной передачи энергии для применения на создаваемых нами автономных роботах?...

Немного истории

Не знаю как в других странах, а в России еще сегодня встречаются антенны и алюминиевых баночек из под напитков, а еще недавно это было повальным увлечением радиотехников и простых пользователей, хотя бы немного знакомых с телевизионным вещанием и желанием получить более качественный прием телевизионных программ оригинальным способом, не описанных в учебниках по антеннам и телевизионному вещанию. О чем собственно речь.

Эти антенны известны как EH-антенны или CFA. В 80-90 они наделали много шума, поскольку они никак не вписывались в традиционную физику антенно-фидерных устройств, используемых в качестве антенны для телевизионных приемников. Проблема в том, что принцип действия этих антенн, не удается объяснить, применяя классический подход к тому, что по необъяснимым причинам и назло скептикам работало и обеспечивало хороший уверенный прием.

Детальный разбор работы этих антенн отравляет исследователей банок к вихревым волновым процессам. Основное противоречие классической физикой процессов в том, что эти антенны никак не связаны с длиной волны, ни пол-волны, ни четверть… т.е. принципах, на которых работают классические антенны радиосвязи. Никак не могли принять то, что это новые принципы радиосвязи, на другом фундаменте. Фундамент построен на вращательном а не поступательном движении электрических зарядов, основе волновых процессов передачи энергии. Основное, важно в этом фундаменте - это разница в условиях передачи энергии, - при поступательном движении электрических зарядов энергия убывает с квадратом расстояния, при вращательном движении зарядового вихря, энергия убывает пропорционально радиусу вихревого тора, что значительно меньше.

Это новый фундамент для развития более эффективных систем передачи энергии. Будет ли это новое устройство прежде его теоретического обоснования не имеет значения, необходимы повторяемые технологии создания новых устройств на этом фундаментальном принципе передачи энергии.