Пользователь
0,0
рейтинг
24 января 2014 в 17:22

Диплом инженера или Как доставить на Землю кусочек Марса из песочницы

image
Предисловие

«Государственной экзаменационной комиссией принято решение поставить оценку „отлично“ и присвоить звание инженер». Вот так 21 января я стал иженером по специальности «Космические аппараты и разгонные блоки».

В этой статье хочу рассказать о своем дипломном проекте «Аппарат для подъема грунта с поверхности планеты». Планета была выбрана Марс, и космический аппарат создавался именно для этой планеты.

Для начала проясню, что из себя представляет дипломный проект, что делает студент-дипломант и как в итоге все это выглядит.

В начале

Начинается работа с получения задания. Мне ничего интересного в голову не пришло, и задание пришлось просить у научного руководителя. Так была выбрана тема на диплом. Итак, задание: прилететь на Марс; спуститься на поверхность, прихватив с собой марсоход; использовать надувное тормозное устройство; использовать руку-манипулятор; с капсулой с образцами грунта взлететь на орбиту; вернуться на Землю.
Одному человеку все осилить за несколько месяцев нереально, поэтому берется какая-нибудь часть, например, у меня — спуск на поверхность и взлет. Более того, все расчеты, за исключением специальной части, берутся в первом приближении (т.е., примерно).

Состав диплома:
1. Общая часть. В этой части описывается космический аппарат, его системы, центровки, обоснование, массовая сводка.
2. Специальная часть. Подробный расчет или подробное рассмотрение какой-либо части или детали космического аппарата.
3. Конструкторская часть. Расчет конструкции или отдельных частей. Обязательная консультация с преподавателем, требуется его подпись.
4. Баллистика. Ее обычно не выделяют в отдельную часть, входит в Общую. Можно консультироваться с преподавателем.
5. Технологическая часть.
6. Экономическая часть.
7. Охрана труда.
Последние три также предполагают обязательное консультирование и подпись.

Венчает все подписи подпись рецензента, после чего дается допуск на защиту.

Вот вкратце общий вид.

Диплом

Когда задачи ясны, начинается проектирование.

Первое, с чего я начал — это компоновка. Первый шаг был с определения ограничений.
Надувное тормозное устройство — разработка НПО им. С.А.Лавочкина. По аналогии с прототипами (Демонстратор) посчитал массу и размер экрана. Остановился на массе 1500 кг. Впоследствии масса увеличилась до 2000 кг: масса всего космического аппарата, включая марсоход и возвращаемый аппарат. Диаметр экрана получился примерно 8,5 м. Центральная его часть, которая воспринимает критические тепловые нагрузки — металлическая.

Чтобы определиться с размерами, формами и массой возвращаемого аппарата пришлось считать баллистику. На кафедре дали программу, которая считает взлет. Орбита на которой находится перелетный модуль 400 км — орбита искусственного спутника Марса. Чтобы вывести на орбиту полезную нагрузку массой 150 кг (то, что пристыкуется к перелетному модулю и отправится к Земле) необходимо 1000 кг топлива. На этом этапе и пришлось увеличить общую массу космического аппарата до 2000 кг, а также ограничить массу марсохода до 500 кг (изначально планировалось брать массу, как у Curiosity).

Вот и определились первые рамки.
Топливо брал двухкомпонентное высококипящее. Горючее: несимметричный диметилгидразин. Окислитель: азотный тетраоксид. Кислород, а тем более водород не рассматривал из-за их свойства быстро испаряться. А полет предполагается до Марса долгий.
Выбрал двигательные установки из существующих. Один маршевый двигатель и четыре двигателя для ориентации. Из-за недостатка тяги двигатели ориентации пришлось использовать и для подъема.
В зависимости от соотношения топливо/окислитель посчитал объемы баков топлива. Схему возвращаемого аппарата выбрал как у «Фрегата»: 4 бака с топливом, 2 отсека с аппаратурой. Также на возвращаемом аппарате добавил стыковочный агрегат, манипулятор, 2 малонаправленные (ненаправленные) антенны. 3 бака наддува с азотом.

Поясню: В условиях невесомости топливо, как и любая жидкость собирается в шары и шарики. Запустить двигатель на топливе в таком состоянии невозможно. Поэтому придумали в баки ставить эластичную мембрану. С одной стороны мембраны закачивается топливо, которое заполняет весь бак. С другой стороны давит газ из бака наддува, тем самым держа топливо под постоянным давлением, и не давая ему собираться в шарики. Газ в баках наддува под большим давлением во много атмосфер.

Возвращаемый аппарат крепится через шпангоут к переходному отсеку, в котором должен располагаться марсоход. Сам отсек крепится к надувному посадочному устройству. В развернутом состоянии надувное посадочное устройство имеет вид тора (форма тора — это бублик). И, наконец, посадочное устройство крепится к тормозному устройству.

Описание космического аппарата. Чертеж по части технологии.
image

Вот схемы:
1. Космический аппарат во время спуска, надувное тормозное устройство раскрыто.
image

2. На поверхности.
image

3. Возвращаемый аппарат.
image

Специальная часть совмещена с конструкторской. Этим разделом занялся только в конце. Необходимо было посчитать тот самый цилиндрический отсек для марсохода из композитного материала. Но я никак не мог найти более-менее понятную методику расчета, пока не наткнулся на электронную версию лекций, где был даже пример. Материал был взят углепластик. Связующее — эпоксидная смола. Оболочка получается методом намотки на оправку. Были взяты некоторые величины нагрузок, свойства материала и посчитана толщина цилиндра с учетом коэффициента безопасности.

Коэффициент безопасности для автоматических аппаратов равен 1,1 — 1,3. Для пилотируемых миссий 1,5. Именно во столько раз увеличивается толщина материалов различных узлов, которые были посчитаны из условий максимальных нагрузок.

Далее я занялся баллистикой. Внеатмосферный участок спуска считал вручную из учебника. Остальную часть несколькими программами. На основе данных были построены графики перегрузок, тепловых нагрузок, дальности и другие на участках спуска и подъема.
Во время спуска за несколько сот метров до поверхности сбрасывается тормозной экран. Одновременно с этим надувается посадочное устройство. Чтобы не «приземлиться» на сброшенный экран, космический аппарат делает небольшой маневр, отлетая в сторону.
Надувное тормозное устройство имеет свой приборный отсек. Возвращаемый аппарат свой и более сложный.
На поверхности аппарат работает только от бортовых аккумуляторов, которые заряжаются непосредственно перед отстыковкой от перелетного модуля.
Грунт собирает марсоход. После получения капсулы происходит взлет. Во время подъема через некоторое время сбрасывается маршевый двигатель, так как тяга нужна уже меньшая. Без двигателя можно вывести на орбиту еще несколько совсем не лишних килограмм. После выхода на орбиту с помощью манипулятора осуществляется мягкая стыковка с перелетным модулем. А дальше долгий путь обратно.
На защите был вопрос о спуске капсулы на Землю. Ответ. Капсула отстреливается с орбиты Земли в направлении нашей страны. Капсула обладает своим теплозащитным экраном и парашютной системой. После приземления начинает работать маячок, по которому мы ее и найдем.
Кстати, грунта мы можем привезти до 3 кг.

Технологическая часть у всех похожа. В ней рассматривается технологичность конструкции, описывается схема членения (см. выше), проводится выбор материалов, описываются типы стыков, схема сборки. Еще у каждого описывается свой технологический процесс. В моем случае сборка (сварка) сферического бака. Также я нашел уже существующее приспособление для сварки. Проще говоря, стационарный сварочный аппарат. Так что отдельно разрабатывать приспособление не пришлось. Чертежи по нему нашел полуготовые.
По технологии, как и по конструкции, преподаватель пишет отзыв. Эти отзывы тоже играют роль при оценке диплома комиссией.

По охране труда описываются вредные факоры, влияющие на человека. В моем случае, опять же, при сварке. И описываются меры предотвращения и уменьшения этих вредных воздействий. У кого-то нашел небольшой расчет вентиляции. Вставил в этот раздел. Лишним не оказался.

В экономической части проводится оценка затрат на НИР (научно-исследовательские работы), составляется сетевой график со всеми проектировочными работами. Естественно затраты не соответствуют действительности. На это внимания не обращают. Обращают внимание на сетевой график и все расчеты связанные с ним.
Кратко скажу, что сетевой график — это графическое изображение работ, время, затраченное на эти работы, какие работы можно проводить параллельно и на каких этапах.

Вот и все. Общие виды и размеры можно оценить из чертежа. Предполагается, что выводить космический аппарат будет ракета-носитель Протон. В качестве перелетного модуля условно изображен разгонный блок Бриз.
image

Напоследок

Конечно, что-то брал из других дипломов, чем-то с одногрупниками обменивался. Но работа была проделана. Тема работы тоже интересная. Хотелось действительное что-то интересное создать, использовать все свои знания. И я считаю, мне это удалось.

Теперь я инженер!
Рома Луцкий @POMA-Engineer
карма
25,0
рейтинг 0,0
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (61)

  • +16
    Поздравляю! Кем работать будете?
    • +8
      Вопрос сложный. Я еще компьютерами занимаюсь. Есть предложение там работать. Зарплата больше.
      • +14
        21 января 2014 в 17:58 по приглашению пользователя Zelenyikot

        Подумал, как так, про Марс, но не ЗеленыйКот! Ан нет, руку приложил :)
        Поздравляю!
        • +10
          :)
      • +5
        Вот обидно за коллег инженеров, которым приходится идти в IT из-за денег. Вырезают инженерную школу в стране, а ведь ваша специальность буквально космическая :)
      • 0
        А я работаю программистом и думаю, что лучше бы стал инженером, особенно инженером космических кораблей. Правда тут надо в какой-нить SpaceX ехать…
    • +14
      И в какой стране…
  • +1
    Поздравляю! Успехов в начинаниях и реализованных проектов!
  • +1
    здесь топливо только для взлета с Марса что ли?
  • +7
    Все-таки было бы интересно узнать стоимость этой затеи.
    • +10
      Боюсь, мы это узнаем только при реальном проектировании. В дипломе сумма смехотворная получилась: 12 миллионов. Рублей!
      • +11
        Наверно тех, по которым колбаса 2-20 р. и Жигули по 800 р. :)
        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
        • +2
          В 1982 году ВАЗ2101 стоила 5500. Дешевле был только ЗАЗ-968 — 4500.
      • –1
        Норм цена. Рисуем еще 4 нуля на откаты и роспилы — получаем финальную стоимость.
  • +2
    Поздравляю, товарищ Бауманец. Кафедра СМ-2, если не ошибаюсь?
    Коллега с СМ-12 шлет привет)) У кого делали технологическую часть и кто в приемной комиссии был, если не секрет?
    • +5
      Я товарищ Маевец. Кафедра 601)
      • +3
        Все равно поздравляю, коллега))
        • +1
          Спасибо!
      • +3
        Привет коллега! Я 2.5 года назад закончил 601-ую! Только специальность у нашей группы была нано-спутники, и соответственно в моём дипломе я проектировал спутник для картографической съемки земли. По специальности так никогда и не работал… В IT на много лучше работается.
      • 0
        Учился в филиале второго факультета. Так что тоже коллеги. :)
        Правда, там все-таки немного другое — двигатели. Но тоже очень интересно было учиться.
        Диплом-то красный?
        • 0
          Да я как-то первый курс на 2-м факультете учился. Знаю, что такое АД)) Потом перевелся.
      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
  • +2
    А каким образом аппарат после сброса теплового экрана мягко приземляется? Помнится, для больших масс даже инженеры NASA не нашли ничего эффективнее их сложнейшего «небесного крана».
    • 0
      Мне не хватило времени более детально это рассмотреть. Скорее всего придется притормозить двигателями ориентации и подъема. Посадочное устройство также должно смягчить удар.
      • +4
        Тогда придется брать больше топлива как минимум, возрастает масса, все предыдущие расчеты миссии надо проводить заново.
        У аттестационной комиссии не возникло вопросов?
      • +3
        Т.е. скорость посадки вы не рассчитали? Вот тут-то один из чертей (которые в деталях прячутся) и сидит :)
        • –1
          Скорость посадки знаю. Времени не было все перерасчитывать и перерисовывать. Самое главное — все подписи на чертежи тогда заново получать!
    • 0
      У вас несколько попутана причинно-следственная связь.
      Большая масса Кьюриосити не позволяла посадку на надувные шары, как у прежних марсоходов. Но из этого не следует прямая необходимость применения «небесного крана». Вполне можно применить парашют с тормозными двигателями — и всё бы село.
      Кран же применили исключительно для того, чтобы не приближать тормозные двигатели вплотную к поверхности и не засыпать ровер взбитой пылью.
      То есть связь крана с массой ровера — лишь косвенная.
      • 0
        Атмосфера Марса слишком разрежена чтоб использовать парашютную систему для такого массивного аппарата. Это основная причина.
        • 0
          Да нет же.
          Понятно, что одного парашюта недостаточно и его используют в сочетании с тормозными двигателями. Но их можно реализовать и без крана, примерно так. Но тогда будет много пыли.
          И вот по этой причине приходится заморачиваться с краном, который зависает на значительном расстоянии от поверхности и спускает аппарат на тросах.
          • 0
            Для двигателей нужна была бы целая платформа, с которой бы потом съезжал марсоход. Учитывая его размеры и массу, она бы увеличила спускаемый вес.
            • 0
              Не обязательно платформа. Двигатели могут быть у ровера «над головой».
              Фактически, массогабаритный и компоновочный эквивалент того самого крана — только без функции крана :)
              Не зависает, опускает аппарат до самого касания с поверхностью, после касания точно также улетает в вверх и в сторону.
              Хотя по честному говоря, платформа конечно всё равно лишней не была бы…
              • 0
                Тогда пришлось бы городить защиту для ровера от жара и реактивных струй или же какие-то выносные штанги для двигателей — тоже дополнительный вес. Похоже, при всей чудовищной сложности «кран» — самое оптимальное решение.
                • 0
                  Правильно, они и сейчас на выносных штангах.
  • 0
    условно изображен Бриз в качестве перелетного модуля — а по массе проходит всё это с выведением Протоном, импульсом к Марсу, взлетом с Марса, импульсом к Земле и в конечном итоге 3 кг грунта?
    • +1
      Здесь главное ограничение по массе спускаемого аппарата. Тормозной экран и так диаметром 8,5 метров. Он уже очень неустойчив и подвержен колебаниям. Этим вопросом сейчас занимаются на Лавочкине.
  • +4
    Вот это хотя бы полезная тема диплома. У меня был расчёт обтекания корпуса баллистической ракеты (с ядерной боеголовкой), что мне совсем не нравилось.

    Поздравляю!
    • 0
      Спасибо!
  • +3
    Вот Вы пишете, что используете руку-манипулятор только для мягкой стыковки на обратном пути.
    Может я чего-то не понимаю, но нафига?
    Почему её нельзя оставить на орбитальном модуле?
    Зачем таскать с собой довольно увесистую и сильно не аэродинамическую конструкцию?
    Тем более рисковать приводами в манипуляторе при спуске-подъеме с Марса?
    • 0
      Кроме стыковки этим манипулятором я вытащу марсоход и заберу капсулу с грунтом у марсохода. Также возможен вариант перегрузки этой капсулы в возвращаемый аппарат, чтобы не тащить к Земле лишнюю массу.
      • +1
        А не проще делать для марсохода пандус и какой-нибудь стыковочный узел для контейнера с образцами?
        • +5
          Я думаю марсоход тут вообще лишний — его надо отдельным рейсом пускать.
          • 0
            Возможно ли обеспечить такую точность посадки чтобы марсоход точно смог доехать до возвращаемой капсулы? К тому же два отдельных рейса удваивают стоимость и риски всей миссии.

            Совсем не брать марсоход тоже рискованно — вдруг аппарат случайно сядет в «неинтересном» месте. А с самоходным устройством для сбора образцов можно покататься, повыбирать интересные камни.
  • +1
    Симпатично, спасибо. Идея сбрасывать маршевый двигатель и лететь на маневровых даже красивая, не припомню подобного.
  • +1
    Инженер — это квалификация, а не звание.
    • 0
      А специалист? Квалификация?
      • +1
        Разумеется. Инженер является частным случаем специалиста.
        Кстати, поздравляю вас :)
  • +1
    Хороший диплом, а вот представьте, что вам дают финансировние и вы должны всё это сделать в реальной жизни.
    Мурашки и холодный пот появляются?
    • +1
      > дают финансировние

      причём указанное в работе — 12 миллионов рублей.

      Тут бы не мурашки пошли, думаю…
    • 0
      Да нет. Сначала проработал бы детально компоновку, а дальше обращался в различные КБ, которые специализируются конкретно на чем-то. У них давно такие вещи проработаны. Мурашки появляются от объема работ))
  • +1
    Какая-то форма у вас аппарата для взлета не стремительная — атмосферой Марса можно принибреч и запускать любой формы?
    • +3
      Там атмосферы то почти нет (давление 1/110 от земного на поверхности).

      PS:

      Кстати, у вас в слове «пренебречь» аж три ошибки.
      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
        • 0
          Ну да, емнип, плотность на поверхности ~ плотности на Земле, на высоте 30км. Т.е. для не слишком быстролетящих объектов её почти не заметно, особенно если на пару км подняться.
  • 0
    Грац)) Шикарный диплом))
  • +1
    А какие темы защищали одногруппники?
    • +3
      Подъем аппарата с грунтом с Венеры; Марсоход с винтами (для «перепрыгивания» камней); Крылатый беспилотник; Аппарат для изучения Солнца (там много баллистики); Несколько человек про грунт с астероидов; Несколько человек про спутники Земли.
      • +2
        Пусть приходят на Хабр и выкладывают свои работы :)
  • +1
    image

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.