Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) ФАКУЛЬТЕТ Специальное машиностроение____________________________________ КАФЕДРА _______Мехатроника и робототехника____________________________________ РЕФЕРАТ НА ТЕМУ: ________________________________________________ ___Мобильные роботы для исследования Марса__ _ __________________ ________________ ________________________________________________ ________________________________________________ ________________________________________________ Студент СМ7-24Б___ А.Б. Фомичев (Группа) (И. О. Фамилия) 2022 г. СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................................................3 1. OPPORTUNITY ............................................................................................................................4 1.1 Основные характеристики ...................................................................................................4 1.2 Оборудование ..........................................................................................................................4 1.3 Система управления ..............................................................................................................4 1.4 Источник питания..................................................................................................................5 1.5 Достижения ..............................................................................................................................5 2. CURIOSITY ...................................................................................................................................6 2.1 Основные характеристики ...................................................................................................6 2.2 Оборудование ..........................................................................................................................6 2.3 Система управления ..............................................................................................................7 2.4 Источник питания..................................................................................................................7 2.5 Достижения ..............................................................................................................................7 3 PERSEVERANCE ..........................................................................................................................9 3.1 Технические характеристики ..............................................................................................9 3.2 Оборудование ..........................................................................................................................9 3.2.1 Новые колёса ................................................................................................................10 3.2.2 Рука робота ...................................................................................................................10 3.3 Источник питания................................................................................................................10 3.4 Связь .......................................................................................................................................11 3.5 Вертолёт Ingenuity ................................................................................................................11 3.6 Достижения ............................................................................................................................11 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..............................................................................................................................13 СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ ...........................................................................14 2 ВВЕДЕНИЕ Марс – загадочная планета, он издавна притягивал к себе взоры людей. В эпоху античности Марс ассоциировался с богом войны. В XIX-XX веках о Марсе много писали писатели-фантасты. Долгое время людей волновал вопрос: «Возможна ли жизнь на Марсе?». Да и сейчас он не утратил своей актуальности. Марс издавна окружён ореолом романтики и мифов. С началом космической эры начался качественно новый этап изучения красной планеты. Спектрографические исследования, а впоследствии и прямая посадка на Марс со всей очевидностью подтвердили, что в настоящее время высшей формы жизни. С другой стороны, обнаружены сухие русла древних рек, эрозия почвы, характерная для больших потоков воды, поэтому всё большее число учёных склоняется к версии, что много миллионов лет назад на планете была более плотная атмосфера и, возможно, вода, а, следовательно, вполне могли существовать те или иные формы органической жизни. Ответить на этот вопрос и призваны космические экспедиции к красной планете. Изучение роботизированных разведчиков Марса актуально в данный момент в связи с неугасающим интересом человека к покорению Красной планеты. Проведение анализа уже произведенных экспедиций позволит более тщательно подготовиться к будущим проектам, ведь научный прогресс не стоит на месте и с каждым днем появляются все новые и более совершенные технологии для решение этой непростой задачи. С целью более детального изучения процесса совершенствования космических роботов рассмотрим трех из них, на мой взгляд, наиболее удачных. 3 1. OPPORTUNITY Марсоход «Оппортьюнити» (Opportunity) — робот NASA, который агентство отправило на Красную планету в 2003 году. Спустя год он благополучно сел на поверхность и проработал на ней больше 14 лет, или 5110 марсианских солнечных суток. Предполагаемый срок службы «Оппортьюнити» составлял 90 земных дня, однако аппарат превысил его почти в 57 раз. 1.1 Основные характеристики Масса непосредственно марсохода – 185 кг. Длина – 2,3 м. Ширина – 1,6 м. Высота – 1,5 м. Максимальная скорость передвижения – 50 мм/сек Средняя скорость – около 10 мм/сек 1.2 Оборудование Глазами Оппортьюнити являются панорамные камеры, которые делают снимки в высоком разрешении и отправляют их в центр управления. Навигационные, снимают в разрешении похуже и нужны непосредственно для того, чтобы робот мог оценить обстановку и не врезаться ненароком в препятствие. Для совершения поворотов используются независимые электродвигатели. Его маневренность гарантируют шесть колёс. Одно из них способно вращаться для того, чтобы копать землю и извлекать образцы почвы. Магниты собирают частицы магнитной пыли, а рентгеновский спектрометр анализирует, из каких веществ состоит почва. Буры, микроскоп и несколько спектрометров необходимы для взятия и анализа проб почвы. 1.3 Система управления 4 Навигация совершается через мощнейший компьютер, надежно укрытый от перепадов температур, характерных для этих земель. Модуль, отвечающий за все процессы, проходящие в электронном мозге, расположен точно в центре устройства. Он обеспечивает исправную работу всех сложных систем марсохода. Чтобы передать данные, собранные за сутки, у механического исследователя есть всего 16 минут раз в сутки, когда орбитальный аппарат Марс Одиссей появляется в зоне доступа. Посланный радиосигнал достигает Земли в лучшем случае за 4 минуты. Ухудшить связь могут Луна и Солнце, если они окажутся на пути радиоволн. Тогда послание дойдет до нашей планеты в течение 20 минут. 1.4 Источник питания Всю энергию Оппортьюнити получает от солнечных батарей, расположенных сбоку. Они состоят из множества ячеек, что значительно повышает их надежность: если одна из них выйдет из строя, это не коснется остальных. По сравнению со своими предшественницами эти солнечные батареи способны поглощать в три раза больше света, излучаемого Солнцем. И всё это благодаря новшеству — тройному слою из арсенида галлия. 1.5 Достижения В список исследовательских достижений маленького робота входят: Обнаружение первого в истории человечества метеорита на другой планете Обнаружение свидетельства существования на красной планете пресной воды. Найденный роботом камень находился в потоке воды, что еще раз подтверждает догадки ученых о прошлом Марса. Анализ климата на планете, определение расположения теплых слоев в атмосфере Обнаружение комет, изучение спутников марса – Фобоса и Деймоса Аппарат превзошёл все ожидания по своей выносливости, научной ценности и долговечности. Когда НАСА объявило о завершении миссии 13 февраля 2019 года, ровер прошёл расстояние 45,16 км. 5 2. CURIOSITY Марсоход Curiosity, также известный как Марсианская научная лаборатория (MSL), является американским роботом и транспортным средством, разработанным для изучения поверхности Марса. Марсоход был запущен ракетой Atlas V с мыса Канаверал, 26 ноября 2011 года, и приземлился в кратере Гейла на Марсе 6 августа 2012 года. 2.1 Основные характеристики Масса непосредственно марсохода – 899 кг. Длина – 3 м. Ширина – 2,7 м. Высота с поднятой мачтой – 2,1 м. Максимальная скорость передвижения – 144 м/час. Средняя скорость – около 30 м/час. Допустимая высота препятствий – 75 см. 2.2 Оборудование Основа успеха миссии заключается в стабильной связи, поэтому все системы дублируются. На станции установлено несколько передатчиков. Один из них работает в X-диапазоне, связь идет с Землёй напрямую на скорости 32 кбит/сек. Второй передатчик работает в дециметровом диапазоне с программным управлением частот. Однако большая часть передоваемых данных Curiosity ретранслируется орбитальными станциями. Они обладают мощными передатчиками и с орбиты отправляют данные на скорости до 2 Мбит/сек. На борту марсохода установлены: Манипулятор с ударной дрелью длиной 2,1 метра, щёткой, сеткой для просеивания и забора грунта. Три камеры в различных местах для съёмки с разных ракурсов. Спектрометр. Набор инструментов SAM для анализа атмосферы и проб грунта. Детектор радиации. 6 МНЛ имеет десятки приборов и инструментов, разработанных учёными планеты. В частности, прибор DAN для обнаружения водорода и поиска водяного льда, а как следствие воды был предоставлен Роскосмосом. 2.3 Система управления Управление осуществляется двумя бортовыми компьютерами, один из которых резервный. Бортовой компьютер способен анализировать ситуацию в реальном времени, прокладывать маршрут и отдавать команды, на выполнение движения вперед, на анализ и забор почвы или съемки фото. Система управления предполагает связь с лабораторией на Земле. Задержки связи во время обработки команд достигают 14 минут, поэтому каждый шаг тщательно продумывается. Программисты постоянно прописывают команды для выполнения операций. 2.4 Источник питания Марсоход Curiosity питается от РИТЭГ – радиоизотопного термоэлектрического генератора. В качестве батареек используются гранулы плутония-238. Технология не нова и использовалась ещё в 1976 году на космических аппаратах. В результате естественного распада радиоактивного вещества вырабатывается электроэнергия. Источник даёт 125 Вт энергии или 0,16 л.с. 2.5 Достижения За время своего пребывания на поверхности Марса роботу удалось совершить несколько научных открытий: Грунт на Марсе имеет двухслойную структуру По мере погружения под грунт влажность в нем продолжает расти Более того, роботу удалось передать около 400 тыс. изображений и даже получить трехмерную картину поверхности Главным достижение марсохода стало открытие того, что в месте, где приземлился Кьюриосити, в кратере Гейла, раньше не только текли ручьи и реки, но и было целое озеро с пресной водой, существовавшая здесь примерно 3,7 7 миллиардов лет назад. Вероятней всего, вода содержала всё необходимое для зарождения микроскопических форм жизни. На данный момент марсоход Curiosity продолжает проводить исследования на поверхности Марса и передавать их результаты на Землю. 8 3 PERSEVERANCE «Персеверанс» (Perseverance) — марсоход размером с автомобиль, разработанный для исследования кратера Езеро на Марсе в рамках экспедиции НАСА «Марс-2020». Был изготовлен Лабораторией реактивного движения НАСА и запущен к Марсу 30 июля 2020 года. Посадка на Марс была произведена 18 февраля 2021 года. По состоянию на 16 августа 2021 года марсоход преодолел 2,67 км. 3.1 Технические характеристики Масса непосредственно марсохода – 1025 кг. Длина – 3 м. Ширина – 2,7 м. Высота – 2,2 м. Вырабатываемая электрическая мощность радиоизотопным – 110 Вт. Максимальная скорость на ровной поверхности – 152 м/ч. 3.2 Оборудование Персеверанс будет нести в себе семь научных приборов: 1) MASTCAM-Z — система двух стереоскопических панорамных камер с возможностью увеличения объектов, способная определять минералогию горной марсианской поверхности. 2) SuperCam — система способная испарять горные породы лазерным лучом, а затем анализировать состав спектрометром. 3) PIXL — рентгеновский спектрометр обладающий камерой высокого пиксельного разрешения, его назначение более точное определение элементов, составляющих анализируемые образцы. 4) SHERLOC — ультрафиолетовый спектрометр, снабжённый макрокамерой для поиска органических и минеральных соединений. 5) MOXIE — экспериментальная система выработки кислорода из марсианского атмосферного углекислого газа. 6) MEDA — комплект датчиков для изучения погодных условий. 9 7) RIMFAX — радар для изучения геологического строения недр на глубине до 10 метров. Кроме научных инструментов у Персеверанс имеется двадцать три камеры: 9 инженерных, 7 научных, и ещё 7 используемых для посадки на поверхность планеты. Ещё его оснастили двумя микрофонами для записи окружающего звука с Марса. 3.2.1 Новые колёса Среди других улучшений у планетохода сменился дизайн колёс, увеличился их размер до 52.5 см., изменился протекторный рисунок. Осталась прежней подвесная система «рокер-тележка» и каждое из шести колёс со своим индивидуальным двигателем. Подвесная система «рокер-тележка» сводит к минимуму наклон ровера при движении, что делает его более устойчивым, а также позволяет проезжать через препятствия — камни или углубления равные размеру колеса. Сорок восемь протекторов обеспечивают ровную тягу по любой поверхности. Марсоход Персеверанс разработан так, чтобы противостоять наклону 45 градусов без опрокидывания. 3.2.2 Рука робота Роботизированная рука Perseverance длиной 2,1 метра с пятью поворотными приводами. Камера WATSON ещё один из инструментов в конце роботизированной руки Персеверанс. Ещё на турели расположились GDRT инструмент для удаления пыли и датчик контакта с землёй для защиты от повреждений, чтобы наконечник руки не соприкасался с поверхностью. И один из самых интересных и значимых инструментов это ударная дрель для отбора образцов с набором свёрл диаметром 27 мм и шлифовальным станком. 3.3 Источник питания Источник энергии марсоход Perseverance разработан для работы в условиях, где средняя температура −63 °C. Для питания, обогрева систем и инструментов Настойчивость оснастили радиоизотопным термоэлектрическим 10 генератором MMRTG. Тепло генератора от естественного радиоактивного распада 4,8 кг диоксида плутония-238 преобразует в электричество. Такая система питания производит около 110 Вт электроэнергии. Для пиковых расходов электроэнергии, когда мощности генератора MMRTG может не хватать предусмотрели две подзаряжаемые батареи, что избавит от перебоев с электропотреблением. 3.4 Связь Марсоход Perseverance, имеет три антенны, которые служат для передачи и приёма сигнала данных. 1) Сверхвысокочастотная антенна — связь с Землёй происходит через орбитальные спутники красной планеты. Передача данных достигает высоких скоростей до 2 мегабит в секунду. 2) Антенна с высоким коэффициентом усиления X-band — это управляемая антенна, которая передаёт сигнал напрямую в направлении Земли на скорости 160 – 3000 бит в секунду. 3) Антенна с низким коэффициентом усиления X-band — эта антенна может отправлять и получать информацию в любом направлении, общаясь напрямую с Землёй на скорости 10 – 30 бит в секунду. 3.5 Вертолёт Ingenuity Ingenuity (Изобретательность) — это маленький вертолёт-беспилотник, станет первым воздушным судном совершивший полёт на другой планете. На борту вертолёта разместились только две камеры высокого разрешения для навигации. Он не несёт научных инструментов, так как его задача включает демонстрацию полёта в разряженной атмосфере. Вертолёт Ingenuity имеет массу 1.8 кг, размах крыла 1.2 метра. Сам корпус похож на коробку с гранью в 14 см. В развёрнутом состоянии высота вертолёта составит 80см. 3.6 Достижения 11 За это небольшое время, которое аппарат провел на поверхности Марса, ему удалось достичь немалых успехов: Передано более 100 000 изображений Красной планеты Совершено 19 успешных взлетов вертолета-беспилотника, последний из которых состоялся 8 февраля 2022 года. Был проведен успешный эксперимент по добыче кислорода На данный момент марсоход уже нашёл большое количество информации, на основе которой учёные могут строить свои гипотезы. Он продолжает собирать новые данные, путешествуя по бескрайним пустошам Марса. 12 ЗАКЛЮЧЕНИЕ За время исследования Марса с помощью роботов человечеству были открыты лишь некоторые загадки Красной планеты, а сколько еще предстоит узнать неизвестно никому. Благодаря этому человечество продолжает развиваться в данном направлении. Так, например, глава компании SpaceX Илон Маск уже в ближайшем десятилетии обещает, что нога человека твердо встанет на марсианском грунте. Но перед этим следует череда подготовок и сбора информации, заниматься которой будут наши роботизированные разведчики. Уже на данный момент по поверхности Марса передвигаются такие аппараты, как марсоход «Perseverance», принадлежащий Nasa, и принадлежит национальному космическому управлению Китая марсоход «Zhurong». Более того, на подходе еще несколько проектов от таких агенств, как вышеупомянутые NASA, SpaceX, а также JAXA(Япония), FMI(Финляндия), РОСКОСМОС и другие, вследствие чего человечество будет еще долгое время обеспеченно работой по созданию новейших роботизированных машин. 13 СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ 1. Планета Марс [Электронный ресурс] URL: https://marsplaneta.ru/ (дата обращения 01.05.2022) 2. Про Космос [Электронный ресурс] URL: https://prokocmoc.ru/ (дата обращения 01.05.2022) 3. ВикипедиЯ [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ (дата обращения 01.05.2022) 4. Официальный сайт NASA Mars Exploration [Электронный ресурс] URL: https://mars.nasa.gov (дата обращения 01.05.2022) 14
