Как роботы помогают изучать космос

Толкачев Захар Данилович, 1 «В» класс,

МОБУ СОШ №23, г. Таганрог

Руководитель

Полковниченко Елена Михайловна

учитель начальных классов

Оглавление

Введение        3

Теоретическая часть        4

Что такое робот и что он может        4

Какие условия в космосе и на других небесных телах        6

Роботы-космонавты        9

Экспериментальная часть        13

Увидеть невидимое        13

Исследование датчика расстояние и программа аварийной остановки        15

Управление роботом        18

Заключение        19

Список источников        20

Введение

Любая достаточно развитая технология неотличима от магии.

Артур Кларк, английский писатель-фантаст и футуролог

Актуальность

Желание человека изучать мир уже давно вышло за пределы родной планеты и устремилось в космос. Постепенно улучшая свои инструменты познания, человек в итоге смог увидеть «сердце» Плутона, побродить по марсианской гальке, испытать твердость кометы. Получить эти знания человеку помогли именно роботы. Еще больше чудесных открытий, полученных с помощью роботов, можно ожидать в будущем.

Объект исследовательской работы

Роботы в космосе.

Предмет исследовательской работы

Преимущества использования роботов для изучения космоса.

Цель исследования

Показать, что робот — замечательное техническое устройство, позволяющее опосредованно изучать космос, не подвергая человека опасности.

Задачи исследования

• дать определение термину робот;
• проанализировать условия в космосе и на небесных телах;
• узнать и рассказать об успешном опыте применения роботов в космосе;
• с помощью практических экспериментов доказать возможность управления роботом на отдаленных космических объектах.

Гипотеза

Покорение человеком космоса в первую очередь осуществляется с помощью роботов. Робот может видеть то, что не видит человек. Робот может работать в условиях, неблагоприятных для человека. Человек способен создать робота, отправить его к далеким объектам и управлять им.

Методы исследования

• Теоретические: анализ материалов;
• Эмпирические: эксперимент;
• Математические: визуализация, статистическая обработка.

Теоретическая часть

Что такое робот и что он может

Слово «робот» придумано чешским писателем Карелом Чапеком. Русский и чешский языки похожи, и слово робот в чешском, также как и в русском, похоже на слово «работа». Писатель придумал это слово  для искусственных людей, всегда готовых служить человеку. Сейчас роботы не всегда похожи на человека, но всегда помогают людям.

Если робот похож на человека, его называют андроид. Андроид может быть полезен, когда нужно работать совместно с человеком, пользоваться человеческими инструментами, подниматься по лестницам.

Но также робот может быть совершенно не похож на человека. Например, вместо ног у него могут быть колеса или гусеницы, вместо рук могут быть хитрые манипуляторы, вместо глаз чувствительные приборы, а, например, головы может не быть совсем.

Роботы, предназначенные для передвижения по поверхности другой планеты называют планетоходами. Часто их называют по названию небесного тела, по которому они передвигаются: луноходы, марсоходы. Исследовать космос также помогают искусственные спутники на орбите Земли, межпланетные станции (их еще называют космическими зондами) за её пределами, а иногда для исследования атмосферы планет применяют аэростаты — летательные аппараты, похожие на воздушные шары. Всех их также можно считать роботами.

Что же общего есть у роботов?

Во-первых, и это можно назвать самым главным, роботы действуют по заранее составленной человеком программе. Программа — это набор инструкций, или, другими словами, список действий, который нужно совершить роботу.

Во-вторых, у роботов есть органы чувств, их чаще называют датчиками, с помощью которых робот может исследовать окружающий мир. Человек может видеть, слышать, ощущать вкус и запах, осязать, чувствовать температуру и даже ощущать свое положение в пространстве с помощью органов равновесия. Робот тоже может всё это ощущать, и даже больше! Например, робот может увидеть лучи, которые не способен увидеть человеческий глаз, или почувствовать запах чистой воды.

Что же еще такого может делать робот, что было бы очень трудно или даже невозможно делать человеку? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно сначала разобраться, какие трудности ждут космического путешественника.

Какие условия в космосе и на других небесных телах

Даже космический путь в тысячу световых лет начинается с одного шага, и этот шаг — выход на орбиту Земли. Для этого космический корабль должен разогнаться до гигантской по обычным меркам скорости — восьми километров в секунду. С такой скоростью можно за одну секунду добраться до школы и вернуться домой четыре раза. Ракета набирает эту скорость постепенно, но всё же достаточно быстро, чтобы тратить меньше топлива на полет в атмосфере.

Здесь космонавта ожидает первая трудность — перегрузка. Так называют явление, когда твой вес становится больше. Небольшую перегрузку можно почувствовать сидя в автомобиле при резкой остановке: кажется, что будто что-то начинает тянуть вперед. Только космонавтам приходится справляться с куда более серьезными перегрузками: в полете их вес может ощущаться в три раза больше, чем обычно! И это еще ничего, на тренировках космонавтам приходится выносить девятикратную перегрузку! Тяжело, как говорится, в учении. Но скоро двигатели выключаются и наступает невесомость, которую можно представить как непрерывное падение. К этому нужно привыкнуть: невесомость — неразлучный спутник космонавта. Приходится выполнять свою работу, чувствуя, что ты постоянно куда-то падаешь.

Воспользуемся случаем и изучим условия снаружи, за обшивкой корабля. Наш термометр будет показывать на солнечной стороне корабля +4 градуса Цельсия. Что ж, могло быть и хуже! Но вот наш корабль зашел в тень, и температура упала до −160 градусов Цельсия. Даже на северном полюсе теплее! Но всё не так уж и страшно, ведь в космосе пустота, или вакуум, а он очень хорошо сохраняет тепло. Не случайно внутри стенок термоса тоже вакуум.

Кстати о вакууме. Не стоит забывать надевать скафандр при выходе из шлюза космического корабля. Всё-таки там нечем дышать.

Налюбовавшись видами Земли с орбиты, можно отправляться дальше. Например, на спутник нашей планеты Луну, ближайшее к нам космическое тело. Снова заработали двигатели корабля. Оказывается, вновь почувствовать свой вес может быть приятно!

Однако, во время полета к Луне и более далеким небесным телам человека поджидает невидимая опасность — космические лучи. Эти лучи при длительном воздействии могут навредить здоровью человека. На Земле же от этих лучей защищает магнитное поле, которое окружает нашу планету и называется магнитосферой. Столкновение космических лучей и магнитосферы выглядит очень красиво и называется полярным сиянием. Хорошо, что к Луне лететь не очень долго — около четырех дней.

Прилунившись, можно исследовать условия на поверхности. Приборы покажут практически полное отсутствие  атмосферы (практически такой же вакуум, что и во всем космосе). Термометры зафиксируют колебания температуры от −173 градусов Цельсия ночью до +127 градусов днем. Кстати, день и ночь сменяются не за 24 часа как на Земле, а за целый месяц. Из приятного, мы сможем чувствовать свой вес. Правда, он будет в шесть раз меньше, чем на Земле.

Побывав на спутнике Земли, можно отправиться к ближайшей к Земле планете — Венере. Время полета при этом составит около 5 месяцев. Венера очень похожа на нашу планету по размеру, но условия на этой планете очень суровые. Посудите сами: средняя температура 462 градуса Цельсия. При такой температуре горела бы бумага, если бы в атмосфере Венеры был кислород. Однако, атмосфера Венеры состоит из непригодного для дыхания углекислого газа, покрыта облаками из серной кислоты и имеет давление как на глубине 900 метров в океане Земли.

Если же отправиться в другую сторону от Солнца, то за 6 месяцев можно добраться до Марса. Здесь космического путешественника ждут температура от −153 до +35 градусов Цельсия, очень разреженная атмосфера, также состоящая в основном из углекислого газа. Марс не имеет защитного магнитного поля, поэтому космонавт на его поверхности за один–два дня получит такую же дозу космического излучения, какую получает за год на Земле.

Кроме суровых условий на планетах, космического путешественника ждет испытание временем. Полет к Юпитеру займет около года. Если же захочется лететь к Плутону, то понадобиться больше десятилетия. При этом человеку для полета нужны еда, вода и воздух. А это будет очень большой груз, который не всякая ракета может поднять.

Теперь понятно, почему в изучении космоса следует воспользоваться помощью роботов. Человек может сконструировать робота, который не боится перегрузок и невесомости, одиночества долгого перелета и разлуки с близкими, вакуума и высоких давлений, абсолютного холода и адского пекла, ядовитой атмосферы и космических лучей.

Роботы-космонавты

Началом космической эры человечества является запуск первого искусственного спутника Земли. Советский космический аппарат «Спутник-1» был запущен на орбиту 4 октября 1957 года. Его можно назвать первым космическим роботом: он был оснащен датчиками давления и температуры и радиопередающим устройством. Анализ сигналов, посылаемых им, позволил узнать много нового о верхних слоях атмосферы нашей планеты. Эти данные с самой Земли получить на тот момент было нельзя.

Побывав на орбите родной планеты, ученые обратились к ближайшему соседу, естественному спутнику Земли, Луне.

Первую мягкую посадку на Луну 3 февраля 1966 года совершила советская межпланетная станция «Луна-9», которая смогла передать панорамные фотографии поверхности. После этого 20 июля 1969 года на луну впервые ступил человек. А первым в мире планетоходом стал «Луноход-1», советский аппарат, доставленный на поверхность Луны 17 ноября 1970 года. Первый луноход работал от солнечной батареи, мог объезжать на своих восьми колесах небольшие кратеры и скалы. Аппарат проехал больше десяти километров и передал на Землю около 25 тысяч фотографий и помог получить уникальный опыт управлением планетоходами. Следующий аппарат «Луноход-2» смог проехать уже 42 километра, и очень долгое время это расстояние оставалось рекордным для планетоходов. «Луноход-2» помог оценить химический состав лунного грунта и магнитное поле Луны. Следующий луноход (китайский «Юйту», что переводится как «Нефритовый заяц») посетил Луну лишь через 40 с лишним лет. Сейчас на обратной стороне Луны трудится его последователь — луноход «Юйту-2».

Исследование Венеры осложнялось суровыми условиями этой планеты. Первую мягкую посадку на эту планету смогла совершить межпланетная станция «Венера-7» 15 декабря 1970 года. Проработав на поверхности Венеры всего 20 минут, станция смогла передать важную информацию о температуре и давлении на поверхности. Атмосфера Венеры настолько уникальна, что для ее изучения также отправили аэростаты (воздушные шары), которые были доставлены космическими зондами «Вега-1» и «Вега-2».

Марс издавна будоражил фантазию людей. Долгое время была популярна идея, что Марс населён разумными марсианами, построившими сеть каналов для орошения пустынной планеты. Чтобы ответить на самый волнующий в изучении Марса вопрос, есть ли там жизнь, люди отправили на Марс множество автоматических станций и марсоходов.

Марс гораздо дальше от Земли, чем Луна. Оперативно управлять марсоходом невозможно, так как радиосигналу требуется от 6 до 45 минут, чтобы дойти от Земли до Марса и обратно. Поэтому, марсоходы способны некоторое время работать по заложенным в них программам, получая команды лишь время от времени. Интересно, что день на Марсе почти равен земному: марсианские сутки, их еще называют сол, равны 24 часа 40 минутам.

Впервые мягкую посадку на Марс совершила 2 декабря 1971 года советская межпланетная станция «Марс-3» с марсоходом на борту. К сожалению, спустя 15 секунд после начала передача данных от станции «Марс-3» прервалась, возможно, из-за бушевавшей в то время магнитной бури. Информация от марсохода не была получена.

Американский марсоход «Соджорнер» (что переводится как «Пришелец») совершил успешную посадку 4 июля 1997 года. Марсоход смог проработать 83 сола и проехать 100 метров. Всего он передал на Землю 550 снимков планеты и изучил 15 образцов пород.  

В 2004 году на Марс были доставлены аппараты «Спирит» и «Оппортьюнити» (в переводе с английского «Дух» и «Благоприятная возможность»). Они могли работать более самостоятельно или автономно,  анализируя стереоизображения со своих камер, сами выбирали наиболее безопасный маршрут. Собранные этими марсоходами данные подтвердили гипотезу о том, что миллиарды лет назад на Марсе существовали благоприятные для жизни условия: была вода. Также был уточнен состав атмосферы планеты и проведены астрономические наблюдения.

«Кьюриосити» (означает на английском «Любопытство») стал четвертым успешным марсоходом. «Кьюриосити» совершил мягкую посадку в августе 2012 года и всё ещё трудится на поверхности планеты. Его еще называют Марсианской научной лабораторией, так как его борту огромное количество научного оборудования. В ходе своей миссии ему удалось измерить суточные колебания температур на планете, понаблюдать за солнечным затмением, найти следы древнего ручья, анализировать сотни образцов породы и сделать бессчетное количество автопортретов (или селфи, как сейчас иногда говорят).

Совсем недавно (с 18 февраля 2021 года) компанию «Кьюриосити» составляет еще один американский марсоход «Персеве́ранс» (в переводе на русский означает «Настойчивость»). На его борту даже есть беспилотный вертолет, который поможет марсоходу выбирать интересные места для изучения.

Нельзя не упомянуть об американском космическом зонде «Вояджер-1» (означает «Путешественник»), получившем первые детальные снимки Сатурна и Юпитера. Этот космический аппарат был запущен в 1977 году и уже больше 43 лет исправно трудится: ставит новые рекорды дальности полета и передает уникальные данные с окраин Солнечной системы.

Не только планеты привлекают внимание ученых. В 2005 году европейский аппарат «Гюйгенс» совершил мягкую посадку на Титане — спутнике Сатурна. В том же году японский аппарат «Хаябуса» (переводится с японского как «Сапсан») впервые смог получить образцы грунта астероида и доставить их на Землю. В 2014 году европейский аппарат «Филы» впервые совершил мягкую посадку на ядро кометы. Межпланетная станция «Новые горизонты» в 2015 году после девяти лет полета получил подробные снимки Плутона — крупнейшей из известных карликовых планет.

Роботы-андроиды также побывали в космосе.

Робонавт-2, человекоподобный робот, разработанный в США, отправился на Международную космическую станцию 24 февраля 2011 года. Цель запуска — проверка его работы в условиях невесомости и различных видов излучения. Робонавт-2 сначала представлял собой безногую человекоподобную фигуру. 18 апреля 2014 года на орбиту были отправлены ноги робота. С помощью рук с пятью пальцами машина умеет писать, захватывать и складывать предметы. Общее число датчиков и сенсоров более 350.

Киробо (от японского «надежда» и «робот») робот-астронавт, который был разработан в Японии. Для создатели этого робота главное его назначение в том, чтобы одинокие люди имели возможность общаться – хотя бы с роботами. Основные способности Киробо: распознавание голоса, речи, жестов и лиц, автоматическая обработка языка, голосовой синтезатор (говорит Киробо по-японски), система записи видео. Прибыл робот на Международную космическую станцию 9 августа 2013 года. Киробо выполнял роль робота-компаньона японского астронавта Коити Ваката. Возвращен на Землю 11 февраля 2015.

FEDOR (Final Experimental Demonstration Object Research — Финальный Экспериментальный Демонстрационный Объект Исследований) — российский человекоподобный робот, побывавший на Международной космической станции. Андроид выполнял следующие задачи: помощь членам экипажа при выполнении неквалифицированных работ, имитация человека-пассажира, измерение перегрузок, параметров атмосферы внутри корабля.

Благодаря автоматическим роботам человек смог разглядеть детали на далеких космических телах, изучить условия на них и даже заполучить образцы грунта. Без роботов это сделать было бы значительно тяжелее: ведь из всех космических тел, только на Луне побывал человек.

Экспериментальная часть

Увидеть невидимое

Приборы и материалы: пульт дистанционного управления для телевизора, телефон с камерой.

Цель эксперимента: зафиксировать невидимые человеческим глазом лучи.

План эксперимента

1. Сфотографировать пульт в неактивном состоянии
2. Сфотографировать пульт в активном состоянии (во время отправки команды при нажатии на кнопку)
3. Сравнить фотографии и сделать выводы.

Результаты эксперимента

        На рисунке ниже показан результаты: слева пульт в неактивном состоянии, справа — в активном. В активном состоянии можно заметить свечение лампочки.

Объяснение полученных результатов:

1. Для отправки команд пульт дистанционного управления излучает невидимые человеческим глазом лучи.
2. Эти лучи способна зафиксировать камера телефона (а значит и датчики робота могут видеть больше, чем человек).

Исследование датчика расстояние и программа аварийной остановки

Приборы и материалы: робот Верни из набора LEGO Boost, телефон с мобильным приложением для управления робота, искусственное препятствие, линейка, лист бумаги, карандаш.

Цель эксперимента: перевести показания датчика расстояния в сантиметры, разработать программу аварийной остановки.

План эксперимента

1. Разработать программу аварийной остановки: робот должен останавливаться, если датчик фиксирует расстояние меньше заданного.
2. Протестировать программу для разных показаний датчика расстояния. Произвести измерения реального расстояния до препятствия.
3. Результаты измерений представить в виде таблицы и графика.

Результаты эксперимента

На рисунке ниже представлены две программы: программа прямолинейного движения (сверху) и программа остановки при расстоянии меньше заданного (снизу).

На следующем рисунке представлен внешний вид экспериментального стенда: неподвижное препятствие в виде стены (слева), робот Верни (справа), деревянная линейка (снизу).

Расстояние остановки перед препятствием для различных показаний датчика расстояния приведены в таблице.

Выводы

1. В результате исследования датчика удалось связать его показания с расстоянием до препятствия.
2. Для программы аварийной остановки нужно использовать показания датчика от трех и больше, иначе робот врежется в препятствие.

Управление роботом

Настало время запрограммировать робота Верни сделать что-то по-настоящему сложное. Попробуем повторить программу Вояджеров:

1. Выход на орбиту Земли
2. Гравитационный маневр у Сатурна
3. Полет к окраинам Солнечной системы

Составленная программа полета представлена на рисунке ниже. Для движения на орбите вокруг Земли удобно было применить повторение действий «Шаг вперед» и «Поворот налево».

Основные этапы движения робота приведены на рисунках.

Заключение

Мы узнали, что роботы — помощники человека. Особенно важна помощь роботов в таких трудных и опасных условиях, как, например, в космосе. Благодаря роботам сделано множество потрясающих открытий. Мы также попробовали самостоятельно управлять роботом. Это интересно и не так уж и сложно: может справиться и ребенок!

Список источников

1. https://tass.ru/tech/6821213
2. https://ru.wikipedia.org
3. https://ru.wikiversity.org
4. http://robotrends.ru/robopedia/katalog-kosmicheskih-robotov
5. https://robogeek.ru/kosmicheskie-roboty
6. https://miuki.info/2013/05/yaponskie-androidy