Космос у тебя дома

Раньше посылают автоматы

Прежде чем посылать людей для исследования других планет, туда посылают автоматические устройства. Мы не можем рисковать жизнью человека. Хотя истории известны имена многих ученых и изобретателей, которые во имя науки и торжества научных идей шли на риск. Но это был оправданный, не безрассудный риск. На такой риск шел и летчик Константин Константинович Арцеулов, который на заре авиации, в 1916 году, разработал и сам осуществил приемы вывода самолета из гибельного штопора. В те годы многие летчики погибали из-за неумения преодолеть штопор, когда аэроплан терял управление, вертясь, падал и врезался в землю. Арцеулов задумался над тем, как выйти из опасного положения, вернуть аэроплану управление и совершить благополучную посадку. Он разработал несколько приемов, по его мнению гарантировавших благополучный выход из штопора, и добился разрешения своего начальства самому проверить расчеты на практике.

Конечно, Арцеулов рисковал своей жизнью, но это был умный риск. Арцеулов был уверен в правильности своих расчетов и в необходимости преодолеть гибельные последствия штопора. И вот, набрав на аэроплане высоту, введя искусственно аэроплан в штопор, Арцеулов, применив свои приемы, благополучно вывел самолет из опасного положения. Чтобы убедиться, что это не случайность, он вторично набрал высоту и повторил свой эксперимент. С тех пор приемы Арцеулова стали достоянием всех летчиков, и опасность штопора была навсегда устранена.

Итак, пока нет уверенности, что полет к планетам Солнечной системы не грозит ни здоровью, ни жизни человека, нет гарантии для благополучного возвращения человека на Землю, на исследование планет будут посылать автоматы. Они успешно выполняют все порученные им исследования, а обратно могут и не возвращаться, если это не связано с доставкой на Землю каких-то образцов. Например, грунта с Луны, который доставляли наши автоматические станции.

Связь с автоматическими аппаратами, которым дают определенную программу, осуществляется по радио. Эта связь двухсторонняя. Она происходит иногда на расстоянии сотен миллионов километров. С Земли посылаются радиосигналы в виде определенных кодированных импульсов. Эти импульсы — команды тем механизмам и устройствам, которые находятся на космическом корабле. Обратно на Землю идут сообщения тоже на языке автоматов к специальным считывающим устройствам. Они расшифровывают эти сообщения.

Одним из важных средств исследования Луны и планет являются аппараты, которые могут, повинуясь командам с Земли, передвигаться по исследуемой поверхности, производить нужные наблюдения, а затем полученные сведения передавать на Землю.

Весь мир следил за длительной работой замечательных советских луноходов. Они прошли многие километры по лунной поверхности и рассказали языком кодированных сигналов и телевизионных передач обо всем, что они «узнали» и «увидели».

Советское автоматическое устройство доставило с Луны образцы лунных пород, и это дало возможность ученым изучить почву Луны.

Автоматы отлично справляются с работой, которая им поручена. Они еще долго будут вести разведку, чтобы обеспечить человеку безопасный полет на планеты Солнечной системы и благополучное возвращение на Землю.

А пока человек летает в околоземном космическом пространстве, делая то, что не под силу искусственным спутникам, изучая возможности длительного пребывания человека в космосе, проверяя те мероприятия, которые устраняют вредные влияния на организм состояния невесомости и длительного пребывания в ограниченном помещении.

Мы с вами сделаем несколько автоматов. Они помогут понять, как работают настоящие автоматы. Среди них будут и планетоходы.

Предлагаемые модели, конечно, очень далеки от устройств настоящих планетоходов. Это даже не модели, а скорее движущиеся стенды, отдельные узлы и детали, на которых можно познакомиться с некоторыми принципами работы автоматов и управляемых на расстоянии аппаратов и приборов.

При конструировании настоящих планетоходов всегда будут учитываться конкретные условия предстоящей работы: рельеф планеты, наличие атмосферы, изменения температуры, предполагаемая влажность атмосферы, если она там есть, и многие другие физические и химические условия.

Упрощенная модель планетохода

Предлагаемая модель автоматического устройства для исследования других планет будет описана очень кратко. Во-первых, это даст вам возможность проявить инициативу и кое-что придумать, кое-что усовершенствовать. Во-вторых, если вам посоветовать определенные материалы и размеры, а этих материалов под рукой не окажется, то все равно придется их заменять.

Для начала сделаем очень упрощенную модель планетохода — трехколесное самодвижущееся устройство, передвижение которого будет осуществляться командами на расстоянии. В качестве импульсов, которыми модель управляется, мы используем воду, набранную в пипетку.

Сначала изготовьте из фанеры круглую платформу диаметром примерно 12 сантиметров. Сверху на платформе будет смонтирован механизм, приводящий аппарат в движение, и его рулевое устройство. Снизу будет расположена ходовая часть. Колес будет три: два задних ведущих и одно переднее рулевое. У луноходов, которые с успехом путешествовали по Луне, было по восемь колес, и все они были ведущие.

Для колес используйте пластмассовые катушки от любительской кинопленки 2x8 миллиметров. Их диаметр около 5 сантиметров. Конечно, такие колеса могут передвигаться только по гладкому полу, но сейчас наша задача проследить только принцип управления.

На ось из трубочки или круглой палочки (можно использовать и карандаш) насадите самую большую шестеренку от старого, негодного будильника, предварительно сняв ее со стальной оси. Снимать нужно осторожно с помощью плоскогубцев и отвертки, удалив прижимную пружинящую пластину. Если для оси вы используете круглый карандаш, то на середину его нужно плотно надеть металлическую (можно согнуть из жести) или пластмассовую короткую трубочку, а уж на нее шестеренку. Под платформой маленькими шурупами укрепите два подшипника — вырезанные из тонкой доски стоечки с отверстиями для оси с колесами. Когда смонтируете в подшипниках ось с шестеренкой и колесами, просверлите в платформе против шестеренки отверстие. В него будет проходить червячная шестерня, надетая на ось микроэлектродвигателя, поставленного на платформу сверху. Ось двигателя должна быть расположена перпендикулярно к платформе.

Микроэлектродвигатели бывают разных типов. Все они работают от батареек для карманного фонаря. Нужно купить двигатель с редуктором, который уменьшает обороты. Червячную шестерню («червяк») можно подобрать от старой ненужной игрушки. Обеспечьте хорошее зацепление «червяка» с шестеренкой. Возможно, для подгонки понадобится напильник. Когда добьетесь хорошего зацепления «червяка» с шестерней и окончательно закрепите двигатель, можно перейти к изготовлению рулевого устройства. Чтобы не усложнять аппарат, поворот его будет осуществляться только в одну сторону с фиксацией повернутого руля, то есть аппарат после поворота направо или налево будет двигаться по кругу.

Изготовьте из трех дощечек рулевую вилку. Укрепите ее на деревянной оси, поставьте на место колесо, пропустите через подшипники и отверстие в колесе коротенькую ось. В платформе просверлите отверстие и над ним приклейте стоечку с таким же сквозным отверстием. Наденьте на поворотную ось руля металлическую или пластмассовую шайбу, чтобы она уменьшала трение между вилкой и платформой. Наверху к вертикальной оси руля приделайте деревянную планку, назовем ее на морском языке румпелем. Концы румпеля должны растягиваться пружинками в противоположные стороны. Чтобы руль стоял в положении «прямо», нужно повернуть румпель, натянув пружинки, и застопорить одно из его плеч кусочком проволоки, который в нужный момент может сдвинуться и освободить конец румпеля. Тогда под действием двух пружинок руль повернется, и аппарат пойдет по кругу.

Теперь нужно поставить на платформу батарейку от карманного фонаря и произвести соединения электрической цепи.

Укрепите на платформе два контактных устройства, через которые электрический ток из батарейки может пройти в микроэлектродвигатель. Контактные устройства состоят из одной английской булавки и одного контакта каждое. В первом контактном устройстве, служащем для запуска двигателя, контакты состоят из согнутой латунной пластинки и ножки английской булавки. Булавку следует укрепить так, чтобы, когда она полностью открыта, ее ножка с острием касалась бы латунного контакта. Чуть сожмите булавку — контакт разомкнется.

Проложите между ее ножкой и специальным упором маленький, величиной с горошину, кусочек сахара-рафинада. Английская булавка — отличная пружина. Она стремится полностью раскрыться, но ее от этого сейчас удерживает кусочек сахара. А если на этот кусочек капнуть воду, он моментально рассыплется, булавка раздвинется и замкнет контакты электрического двигателя. Второе контактное устройство будет служить для остановки двигателя. Капля воды, попавшая на другой кусочек сахара, раскрывает другую булавку, и она при этом размыкает контакты цепи питания двигателя.

Что же касается рулевого устройства, то около кусочка проволоки (стопора), удерживающего румпель от поворота, нужно закрепить еще одну английскую булавку и ее ножку — острый подвижной конец сцепить с петелькой на стопоре. «Водяной импульс» размочит кусочек рафинада, булавка раскроется, сдвинет стопор, и румпель под действием пружинок повернет руль.

Если вы захотите, можете сделать и другие устройства, работающие от посылаемого, в данном случае водяного сигнала, которым мы с вами заменили радиосигналы.

Конечно, это очень простые устройства, и они предназначены только для того, чтобы показать, как могут выполняться такие команды, как пуск, поворот, остановка. В данном случае три команды: три импульса — три исполнения.

Для новой демонстрации нашего устройства его исполнительные органы нужно вновь зарядить, подготовить к повторению всей программы.

При желании планетоход можно снабдить картонным корпусом, а в его крышку вставить трубочки, направленные на те места, куда должны попасть «водяные импульсы». И надписи около наружных концов трубочек «ход», «поворот», «стоп» покажут, куда какую команду подавать.

Несколько автоматических узлов

Если вас увлечет идея создания более совершенного управляемого на расстоянии планетохода, то для ее осуществления нужно познакомиться с некоторыми автоматическими узлами, которые заменят пружины — булавки. С этими узлами лучше всего поработать на маленьком стенде — небольшой гладкой доске, на которой их можно собрать, отрегулировать, а затем уже поставить на модель планетохода, которую вы сделаете.

Начнем с узла включения и выключения двигателя. Установите на стенде небольшую стоечку, а на ней маленькое коромысло, сделанное из деревянной палочки. Коромысло должно легко вращаться вокруг горизонтальной оси. На концах коромысла должны быть две лопаточки, а под одной из них медный контакт, прикрепленный перпендикулярно к лопаточке. Если опустить это плечо коромысла до самого низа, до дощечки, на которой оно смонтировано, его контакт должен войти в выемку второго контакта, сделанного в виде буквы «М» из узкой латунной или медной полоски. Неподвижный контакт соедините с одним полюсом батарейки для карманного фонаря, а второй полюс через микродвигатель или лампочку присоедините к стойке коромысла. От стойки по плечу коромысла подведите провод к контакту, укрепленному под лопаточкой. Над лопаточками, когда коромысло расположено горизонтально, укрепите вертикально две трубки. Одна трубка должна доходить до лопатки с контактом, а конец второй должен быть на такой высоте, чтобы в него могла упереться лопатка второго плеча коромысла, когда коромысло повернуто и контакты другого плеча замкнуты. Вы уже, наверное, догадались, как будет работать наше устройство.

Нам понадобится шарик, стальной шарик от шарикового подшипника. Его размер и обусловит величину коромысла и диаметр трубок. Трубки служат для опускания в них в нужный момент шариков — командных импульсов.

Когда все будет подготовлено, провода присоединены к своим местам, можно приступить к испытанию нашего устройства. Коромысло должно стоять в исходном положении горизонтально. Бросьте в трубку, которая установлена над контактным концом коромысла, шарик. Ударившись в лопаточку, он двинет конец коромысла вниз, контакт замкнется и будет удерживаться благодаря пружинящим изгибам нижнего контакта, имеющего, как уже говорилось, форму М. Микродвигатель или лампочка включится. Теперь бросьте шарик в другую трубку. Контакты должны быть так отрегулированы, чтобы была и надежная электрическая цепь и чтобы они легко размыкались при ударе шарика о вторую лопатку. Шарик упал, коромысло повернулось, контакты разомкнулись, двигатель остановился, а если была включена лампочка, то она погаснет.

Радиосигнал, который производит нужное включение или выключение через соответствующую аппаратуру, в нашем опыте заменен шариком.

Для того чтобы коромысло вращалось достаточно легко и при этом не раскачивалось в стороны, на ось нужно надеть шайбочки (можно из пластмассы или сделанные из канцелярских кнопок, у которых спилены напильником острые концы, а круглым надфилем проделаны отверстия соответствующего диаметра).

Теперь перейдем к изготовлению поворотного устройства. Его тоже нужно собрать на стенде.

Доску нашего стенда поставьте на две подставки высотой в несколько сантиметров, просверлите в доске отверстие, в которое должна быть вставлена круглая деревянная палочка диаметром 6–7 миллиметров. Вырежьте из толстой доски кусочек толщиной 2–3 сантиметра. Перед тем как вы его отпилите, просверлите в нем отверстие того же диаметра, какое вы просверлили в доске стенда. Приклейте к стенду этот кусочек — отверстия должны совпасть. Для этого воспользуйтесь круглой палочкой, вставив ее в оба отверстия. Конечно, надо позаботиться, чтобы она не приклеилась и не застряла в отверстиях, в которые вставлена. Эта палочка будет осью будущего руля планетохода. Когда клей высохнет, вставьте ось руля в отверстие и укрепите на ней пластмассовую катушку из-под любительской кинопленки. Конец оси должен немного выступать над катушкой и к нему надо приделать планочку длиной примерно 10 сантиметров.

К концам планочки, румпелю, приделайте две не очень сильные резинки. Другие концы резинок укрепите на некотором расстоянии от румпеля, привязав их к приклеенным к доске стенда стойкам. Ось должна свободно вращаться в своем подшипнике, а резинки должны при каждом повороте (но не больше чем на 40 градусов) возвращать ее в первоначальное положение. Укрепите около катушки микроэлектродвигатель с редуктором. Ось его должна быть расположена вертикально, прижимаясь концом с надетым на него кусочком ниппельной резинки к бортику пластмассовой катушки. При подключении к двигателю батарейки катушка начнет вращаться. Одна из резинок натянется, а другая ослабнет. Двигатель должен выключаться, как только катушка повернулась на 40 градусов, после этого она вернется благодаря резинке в прежнее положение. Вместо планочки, румпеля с резинками можно укрепить на оси спиральную пружинку, которая будет возвращать катушку в первоначальное положение. Для чего это нужно? Когда вы едете на велосипеде и хотите повернуть в сторону, вы поворачиваете руль, а затем ставите руль опять в положение «прямо», конечно, если вы не захотите описывать круги на одном месте. Так же и здесь после окончания поворота нужно поставить руль в положение «прямо».

Приступим к изготовлению контактного включателя.

Он даст нам возможность поворачивать аппарат в нужную сторону. Команда будет осуществляться «импульсами», в роли которых будут шарики.

Секрет контактного включателя заключается в том, что он работает только тогда, когда по трубке длиной 10–15 сантиметров катится шарик. За эти несколько секунд должен произойти поворот руля. Трубку, по которой будет катиться стальной шарик, склейте из тонкого картона. Диаметр трубки должен быть на 2–3 миллиметра больше диаметра шарика. Подбираете такого же диаметра, как и трубка, цилиндрический стержень. Это будет шаблон. Сгибаете по шаблону картон, чтобы получилась трубка, отмечаете карандашом место будущей склейки, отрезаете лишнее и разворачиваете трубку. Затем вырезаете из станиоля (например, от упаковки чая) две узкие полоски и приклеиваете их к распрямленной заготовке трубки. Перед приклеиванием под каждую полоску подложите тонкую медную или лагунную пластинку с припаянным к ней кусочком медной проволоки. Станиолевые полоски наклеиваются с зазором в два миллиметра между ними; когда будет свернута трубка, другие стороны этих полосок не должны смыкаться. Сверните на шаблоне трубку и склейте ее. Трубка монтируется горизонтально с очень небольшим наклоном. Перпендикулярно к немного приподнятому концу трубки нужно приделать другую трубку такого же диаметра, но без станиолевых наклеек. Получится «колено». Брошенный в это колено стальной шарик упадет на станиолевые контакты, замкнет электрическую цепь и покатится. Цепь будет замкнута до тех пор, пока шарик не выскочит из второго, свободного конца трубки. Тогда цепь разорвется. Таких трубок с коленом должно быть две. Одна для осуществления правого поворота планетохода, другая — левого.

На чертеже показано, как нужно соединить провода.

Когда планетоход во время движения нужно повернуть направо, вы бросаете шарик-импульс в одно колено, шарик замыкает станиолевые контакты и катится по ним. Микроэлектродвигатель включился и начал поворот руля. Планетоход идет вправо. Как только шарик выкатится наружу, двигатель руля остановится, руль под действием резинок вернется в прежнее положение, и планетоход после поворота пойдет прямо до следующей команды. Когда вы захотите повернуть планетоход налево, опускаете шарик в левую трубку. Опять замыкаются контакты, включается вторая батарейка, и на контакты двигателя руля попадает ток уже в другом направлении, потому что изменилась полярность. Двигатель теперь вращается в другую сторону, и руль поворачивается влево. Из схемы видно, что для управления рулем на планетоходе нужно установить две батарейки от карманного фонарика. На стенде отрегулируйте рулевое устройство. Натяжение резинок должно быть очень слабым, чтобы микроэлектродвигатель легко его преодолевал. Продолжительность включения двигателя можно регулировать, подкладывая в выходную часть трубки кусочек бумажки или изменяя наклон трубки, по которой катится шарик.

Когда на стенде все будет хорошо отрегулировано, можно приступить к изготовлению и самого планетохода. Когда планетоход будет уже собран, может понадобиться дополнительная регулировка. Например, окажется, что одного микродвигателя недостаточно, тогда придется поставить второй. Конечно, настоящие конструкторы делают расчеты и чертежи заранее, строят опытный образец и на нем уже проверяют, все ли учтено и предусмотрено. А нам с вами приходится довольствоваться теми материалами, которые есть под рукой, и добиваться поставленной цели опытным путем.

Модель более сложного планетохода

Этот планетоход сделайте на шести колесах. Для колес используйте пустые пластмассовые катушки от любительской кинопленки. Два колеса, посаженные вместе на одну ось, будут ведущими, два колеса рулевыми, а два промежуточных свободными. В случае если ваш микроэлектродвигатель окажется слишком слабым, можно будет на эти промежуточные колеса поставить еще один двигатель.

Ведущая ось с колесами присоединяется к двигателю через червячную передачу, как и в предыдущей модели. Если не найдете червячного винта, то используйте одну из маленьких шестеренок старого ненужного будильника. Микроэлектродвигатель должен быть со встроенным в него редуктором. Двигатель нужно монтировать на кронштейне, который может поворачиваться и закрепляться. Это облегчит регулировку зацепления «червяка» на оси двигателя с шестерней ведущих колес.

Для рулевых колес нужно сделать поворотную каретку из планки и кусочков фанеры, в ней установить ось с колесами. К середине планки каретки прикрепить ось руля. Она вставляется в отверстие платформы. Сверху на платформе должна находиться приклеенная к ней деревянная втулка, а над втулкой укрепите поворотное колесо и румпель, которые вы уже сделали и отрегулировали на стенде.

На платформе сверху расположите и закрепите батарейки, трубки с контактами. Соедините проводами батарейки через контакты с микроэлектродвигателями. Когда все будет готово, опробуйте работу планетохода. Поставьте его на пол и, взяв в руку стальной шарик, опустите его в трубку «ход». Контакты замкнутся, и планетоход начнет свое путешествие по полу. Сразу проверьте, как он реагирует на команду «стоп». Достаточно ли усилия падающего шарика на плечо коромысла, чтобы разомкнуть контакты и остановить двигатель. Если все в порядке, запустите двигатель вторично и, действуя рулем, посылая в рулевые контакты шарики-импульсы, ведите планетоход по комнате, не дотрагиваясь до него руками. Если у вас получилась не очень тяжелая конструкция и двигатель или два двигателя хорошо «тянут», то можно перенести испытания и на открытый воздух.

Вы можете сделать корпус из картона, сверху сделать отверстия для подачи импульсов и надписать, какая команда через это отверстие должна подаваться.

Спереди у планетохода можно укрепить стержень, который остановит двигатель, если планетоход упрется в не проходимое для него препятствие. Можно сделать и так, что планетоход, наткнувшись на препятствие, пойдет назад.

Подумайте, что для этого надо сделать. Ключ к решению этой задачи в механизме управления поворотами.

Грунт с другой планеты

На Луну посылались советские автоматические станции за пробой лунного грунта. Буры специальной конструкции углублялись в лунную поверхность и брали грунт. Затем лунный грунт доставлялся на Землю, а в лабораториях наши ученые исследовали его.

На Луне грунт может быть только сухой — твердый или сыпучий. Но на тех планетах, где есть и атмосфера и вода, можно встретиться с грунтом самого разнообразного вида. Очевидно, и приборы для взятия разного по своим физическим качествам грунта должны быть разные.

Предположим, что нам поручено разработать устройство, которое сможет взять твердый, но податливый для бура или просто сыпучий грунт на Марсе или Венере.

Нам предстоит сконструировать действующую модель такого устройства.

Какой она должна быть?

Очевидно, самым подходящим будет устройство, которое называют «винт Архимеда». С этим винтом вы хорошо знакомы. Когда вы дома разбираете мясорубку, вы держите в руке массивный витой вал — это и есть винт Архимеда. Назначение этого вала двигать к ножам мясорубки те куски мяса, которые вы накладываете в приемное отверстие.

Винт Архимеда широко используется как транспортер для передвижения сыпучих и тестообразных веществ. Даже существуют насосы, которые с помощью такого винта поднимают воду.

В нашей модели мы тоже используем винт Архимеда. Но это будет модель, работающая без нагрузки. Сделать модель, которая могла бы по-настоящему брать пробу, ну хотя бы песка, нам не позволит мощность микроэлектродвигателя.

Сначала нужно достать корпус для нашего прибора — прозрачную пластмассовую трубку диаметром 2–3 сантиметра. В такой трубке будет хорошо видно, как в ней вращается винт. В один конец трубки нужно вставить деревянную пробку с отверстием в центре. Около пробки в трубке тоже должно быть сделано отверстие для высыпания в бункер добытого грунта.

Теперь приступим к изготовлению винта.

Возьмите тонкую деревянную палочку диаметром 4–5 миллиметров (для нашей цели подойдет ненужная кисточка для рисования) и резиновую трубку с наружным диаметром 5–6 миллиметров. Длина палочки должна быть больше длины корпуса прибора на пять сантиметров. Заострите один конец палочки и крепко привяжите к нему, немного отступя от конца, срезанный наискось конец резиновой трубки. Хорошо обмотайте место соединения ниткой, добившись плавного перехода от острия палочки к поверхности трубки. Затем намотайте трубку на палочку, не доходя до ее другого конца на 3–4 сантиметра. При наматывании делайте большие расстояния между витками, наматывайте свободно, чтобы трубка не сминалась. Закрепите второй конец трубки, крепко примотав его нитками к палочке.

У вас получился винт Архимеда. Правда, обычно он делается не так. Настоящий винт Архимеда представляет собой плоскую металлическую ленту, навитую ребром на вал. Мы же заменили ее трубкой. Теперь вставим вал-винт в пластмассовый корпус, продев тупой конец палочки (валика нашего винта) в отверстие деревянной пробки, и присоединим к нему микроэлектродвигатель.

Конец валика должен выступать из пробки на два сантиметра. На него нужно надеть кусочек резиновой трубки, из которой сделана спираль. К свободному концу трубки присоедините через переходную муфту (кусочек палочки с концами разной толщины) ниппельную трубочку, надетую на ось редуктора электродвигателя. Получилось гибкое соединение. Оно дает возможность ставить наш двигатель под некоторым углом к оси винта.

Укрепите корпус нашего прибора на подставке или кронштейне и присоедините к двигателю батарейку. Винт начнет вращаться. Посмотрите, в какую сторону он вращается. Углубляясь в воображаемый грунт, винт должен гнать его к выходному отверстию у пробки и высыпать в бункер.

А теперь вы сами можете разработать систему пуска и остановки двигателя; можете разработать систему поворота корпуса с винтом в нужном направлении. Для этого используйте те устройства, с которыми вы познакомились, когда имели дело с моделями планетоходов.