ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В СТУДЕНЧЕСКОМ ЭСКИЗНОМ ПРОЕКТЕ КОМПЛЕКСА ЛУННОГО БАЗИРОВАНИЯ

На примере инициативной студенческой разработки, выполненной с применением современных информационных технологий, рассмотрен вариант возможной оптимизации геометро-графической инженерной подготовки

Неотъемлемой частью геометро-графической подготовки студента является оперативное комплексное освоение графических компьютерных программ и информационных технологий. Это способствует оптимизации процесса графической подготовки студентов технических специальностей на первом курсе и выбору учащимися необходимого информационного обеспечения для выполнения последующих графических работ в учебном заведении и в своей производственной деятельности. Актуальным является выполнение заданий, имитирующих реальную проектно-конструкторскую деятельность [1]. Понимание методов компьютерной графики, знание алгоритмов, используемых в графических программах, является необходимым условием быстрого интенсивного решения трудоемких задач, которые ставятся перед специалистом по инженерной графике. В частности, без такого знания невозможна оперативная разработка изделий с большим количеством деталей.

На  кафедре графики Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П.А. Соловьева (РГАТУ) поддерживается творческая инициатива студентов, в частности, при  выполнением итоговых курсовых работ, при участии в конкурсах, сдаче сертификационных экзаменов [2 – 7].

Ниже приведено описание элементов инициативной творческой студенческой работы, выполненной автором данной публикации. Работа посвящена техническому воплощению идеи создания грузооборота Земля – Луна – Солнечная система, и представляет собой модель комплекса по добыче, переработке и доставке топлива к космическим кораблям (рис. 1). Изображения конструктивных элементов комплекса в виде геометрической модели опубликованы в материалах конкурса АСКОН «Будущие асы цифрового машиностроения» в номинации «3D-проектирование. Студенческие проекты» (https://edu.ascon.ru/main/competition/gallery/items/?bm_id=65113). Разработке присвоено третье место.

Автором принята следующая последовательность выполнения творческой работы: заинтересованный выбор темы, проведение предварительных расчётов, эскизирование вручную на миллиметровке основных узлов будущего изделия, разработка компьютерных двумерных заготовок, трёхмерное моделирование, по возможности изготовление элементов моделей в определённом масштабе и сборка изделий, проведение уточнённых расчётов, корректировка геометрической модели и технологии.

Разрабатываемые автором работы не ограничиваются выполнением графических работ, а имеют междисциплинарный характер. Необходимым является привлечение материалов из различных дисциплин, в том числе изучаемых в РГАТУ.

При этом одной из значимых целей данной работы, выполняемой на этапе инженерного образования, является обязательное представление и защита результатов деятельности на разных уровнях: в курсовых проектах, в публикациях, в конкурсах и на конференциях [8 – 10]. При этом активизируется деятельность самого студента, а также преподавателя и однокурсников, например, после краткого выступления автора разработки на практическом занятии.

Конструкция разрабатываемых изделий и их геометрические модели существенно зависят от условий функционирования. В частности, представленный в данной публикации комплекс ориентирован на работу в условиях космоса. Несмотря на огромное количество небесных тел в Солнечной системе, лишь немногие из них могут похвастаться пригодными условиями для обитания человека. Из планет земной группы, в «зоне жизни» находятся только Земля и Марс. Однако полёт до Марса потребует больших временных, энергетических и финансовых затрат. Поэтому, разумнее начинать экспансию человечества в Солнечную систему с промежуточных этапов, станций и баз. Таким этапом может быть наша соседка Луна. Её близость и низкая гравитация делают Луну идеальным кандидатом для создания там инфраструктуры, пригодной как к существованию человека, так и для осуществления «прыжка в космос».

Существенная проблема, стоящая перед человечеством, состоит в необходимости постоянного функционирования системы "Земля – Луна". Поскольку это связано с финансовыми трудностями, требуется разработать систему не просто экономически выгодную для одного-двух полётов, а долговременную программу по созданию, выработке энергии и ресурсов, необходимых для существования и работы всех систем с полным покрытием нужд, как самого комплекса, так и будущих космических перелётов. Одним из вариантов подобных систем, автономно существующих лунных станций может стать стартово-посадочный комплекс лунного базирования «Селена».

Данная работа, имеющая эскизный характер, посвящена техническому воплощению идеи создания трафика Земля – Луна – Солнечная система. Принцип работы этого комплекса заключается в наличии на Луне уникального изотопа гелия – гелия три, который является сырьём в перспективных термоядерных реакторах. Однако речь идёт не о перспективах, а о реалиях текущих разработок. Гелий три можно использовать не только для управляемого термоядерного синтеза, но и для получения в процессе его десорбции побочных продуктов и синтезировать топливо для космических кораблей, автоматических межпланетных станций и зондов, что позволит обеспечить топливно-энергетическую независимость лунных баз. Если к этому добавить разработки лунного грунта, наладить его добычу, можно получать металлы и сплавы высокого качества, коими богат лунный реголит.

Автор считает нужным начинать программу уже сейчас, путём отправки на Луну комплекса роботов, а затем постепенно наращивать мощность программы, увеличивая парк роботов, одновременно работающих на производстве. Нужно позаботиться  и о космических перелётах, для которых и будут вырабатываться данное топливо и ресурсы. Следовательно, необходима постройка инженерного сооружения (или его отправка), выполняющего роль космического порта с собственной системой доставки и производства топлива, а также имеющее дальнейший промышленно-производственный потенциал. Исходя из вышесказанного, целесообразно отправлять космические терминалы, загруженные роботами доставки и разработки полезных ископаемых к местам синтеза ископаемых в топливо, обеспечив, таким образом, работу и контроль целого стартового и посадочного комплекса (рис. 1).

Предложенная геометрическая модель стартово-посадочного комплекса включает 12542 детали, поэтому возникают сложности в графической обработке на компьютерах средней мощности, установленных в дисплейных классах учебных заведений. А именно, медленная регенерации изображения, неполнота показа составных частей модели, сложность в демонстрации анимаций и сложных сечений. Чтобы предотвратить вышеперечисленные сложности в обработке графики в данной работе пришлось применить: умышленное сокрытие ребер моделей, полутоновое изображение, условное уменьшение полигонов моделей и условное представление подсборок в виде цельных геометрических объектов.

Терминал (показан на рис. 1 сверху) выполняет роль спускаемого аппарата, лаборатории по переработке сырья, родительского корабля и диспетчерской башни. Терминал несёт в себе роботов-разработчиков грунта (рис. 2) и роботов доставки грунта и компонентов ракетного топлива (рис. 3) в лабораторию на своём борту. Терминал обладает системой мягкой посадки, а также солнечными батареями для нормального функционирования всех электронно-вычислительных и телеметрических систем. Имеет радиоантенну для контроля зоны посадки и мониторинга орбитальной группировки Луны. В этом заключается его работа как диспетчера космических перелётов.

Роботы-разработчики грунта (см. рис. 2), находящиеся на борту терминала, выезжают на выработку гелия три из лунного реголита. В своих внутренних заводах они охлаждают гелий три практически до температуры космоса, и собирают побочные продукты десорбции в газовые баллоны. Получив команду на выход из терминала, радиоизотопный термоэлектрический генератор подаёт энергию на ходовую часть робота-разработчика грунта, приводя его в движение и выводя его в район добычи грунта. Генератор обеспечивает энергией систему водяного охлаждения, а также частично электродвигателей и цепей нагревания. По прибытии в район добычи, начинается развёртка робота-разработчика, приводятся в движение рельсовые двигатели солнечных батарей. По окончании раскрытия солнечных батарей, производится нагревание спирали пневматической системы. Инертный газ при нагреве расширяется, оказывая давление в телескопическом цилиндре, раскрывая таким образом «руку» с мотовило. Одновременно с этим, всё таким же рельсовым двигателем производится отвод мотовило из его ложе (из коробки пневматики отходят две трубки подачи газа и оказания давления). С завершением раскрытия «руки» с мотовило разворачивается система гелиоколлекторов. При этом на этапе развёртки не требуется одновременное функционирование всех систем, а именно, работы ходовой и двигателей развёртки. Дифференциация и распределение энергии на этапе развёртки способны сэкономить ресурсы машины. Развёртка гелиоколлекторов должна осуществляться до определённого положения, в котором возможно такое отражение света, чтобы отражённый луч падал в окно фокусировки.

После развёртки робот-разработчик начинает непосредственную добычу и переработку реголита. Учитывая состав реголита (в основном металлы, оксиды металлов и кремний), можно использовать его магнитные свойства для забора и добычи. После разрыхления мотовилом, порода попадает под каток забора реголита. Каток работает по принципу создания магнитного поля [9], которым он и притягивает металлические магнитомягкие породы, что позволяет сократить механический износ и ограничиться только мотовилом. Каток находится на валу и связан с несущим валом радиально-упорным шарикоподшипником. После забора реголита он  доставляется в печь рельсовым приводом. Из реголита испаряется гелий три, который уходит из печи в криокамеру. Переработанный грунт сбрасывается открытием рельсовых заслонок с вибростенда, а затем и из самого робота-разработчика.

Робот-доставщик (см. рис. 3) представляет собой комплекс из ходовой части, аккумулятора, электродвигателя, системы управления и системы погрузки. Отличительной чертой робота-доставщика является ходовая часть. В отличие от разработчика, электродвигатель доставщика не шаговый, а короткозамкнутый на ротор. Это необходимо для его постоянной работы на больших оборотах. Система погрузки двигателя работает на магнитном захвате, перемещающимся вдоль двух осей. Из привезённых веществ в лаборатории формируются горючее и окислитель. Разработана примерная технология и произведены расчёты химических реакций для получения топлива.

Преимуществами комплекса являются:

- отсутствие необходимости в высокоточной посадке космических кораблей и аппаратов,

- наличие мобильных роботов разработки и доставки позволяет вести добычу полезных ископаемых в любом месте на лунной поверхности,

- возможность обеспечения технической и энергетической поддержки космических кораблей вне зависимости от их расположения на Луне.

Фирма АСКОН, в связи с присуждением проекту призового места в молодёжном конкурсе, предоставила возможность автору сделать доклад на "Дне машиностроителя с АСКОН" в городе Ярославль. Там же были вручены диплом победителя и ценные призы автору проекта (рис. 4). Кроме этого, РГАТУ награждена сертификатом на получение преподавательской лицензии КОМПАС-3D, и директором филиала ООО "АСКОН-ЦР" в г. Ярославль было вручено письмо от руководителя образовательной программы АСКОН с благодарностью автору разработки за изобретательность и отличное владение инструментами цифрового проектирования, ректору и преподавательскому составу РГАТУ за отличную подготовку будущих инженеров и внедрение современных технологий проектирования и производства в учебный процесс.

Список литературы

1. Александрова Е.П., Кочурова Л.В. Носов К.Г., Столбова И.Д. Модель проектного обучения при выполнении практикума по графическим дисциплинам // Проблемы качества графической подготовки студентов в техническом вузе: традиции и инновации. Материалы VII  Международной интернет-конференции (Пермь, февраль – март 2017 г.). Выпуск 4. С. 176 – 182.
2. Шевелев Ю.П., Токарев В.А. Эффективность комплексного применения в профессиональной подготовке специалистов различных типов графических программ при разработке геометрических моделей // Геометрия и графика. –  2013. – Vol. 1. Iss. 3–4. – C. 40–43. DOI: 10.12737/2132.
3. Токарев В.А., Шевелев Ю.П. Комплексная графическая подготовка в инженерном образовании // Труды Международной научно-практической конференции «Информатизация инженерного образования» — ИНФОРИНО-2016 (Москва, 12—13 апреля 2016 г.). — М.: Издательский дом МЭИ, 2016. С. 227 – 228.
4. Кащеева П.В., Шевелев Ю.П., Токарев В.А. Организация, проведение и итоги студенческой олимпиады «Инженерная и компьютерная графика» в ФГБОУ ВПО «РГАТУ имени П. А. Соловьева» // Проблемы качества графической подготовки: традиции и инновации. Материалы V  Международной научно-практической интернет-конференции. (г. Пермь, февраль – март 2015 г.). Выпуск 2. Изд. ПНИПУ, 2015. С. 403 – 410.
5. Токарев В.А., Шевелев Ю.П., Ширяева Т.В.  Сертификация пользователей графических программ в вузе // Проблемы качества графической подготовки: традиции и инновации. Материалы V  Международной научно-практической интернет-конференции. (г. Пермь, февраль – март 2015 г.). Выпуск 2. Изд. ПНИПУ, 2015. С. 517 – 522.
6. Токарев В.А. Интенсификация оперативного обучения графическим дисциплинам // Инновационные технологии в инженерной графике: проблемы и перспективы: сборник трудов Международной научно-практической конференции 20 апреля 2018 года Брест, Республика Беларусь Новосибирск, Российская Федерация / отв. ред. О.А. Акулова. – Брест: БрГТУ, 2018. С. 322-327.
7. Токарев В.А. Творческое выполнение студентами комплексных конкурсных графических работ  // Проблемы качества графической подготовки студентов в техническом вузе: традиции и инновации. Материалы VII  Международной интернет-конференции (Пермь, февраль – март 2017 г.). Выпуск 4. С. 363 – 370.
8. Токарев В.А., Грабовский И.И. Разработка изделий с большим количеством деталей в конкурсах  по компьютерному  геометрическому моделированию  // Наука. Образование. Общество. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. – Рыбинск: РГАТУ имени П.А. Соловьева, 2017. – Т. 2. С. 209 – 213.
9. Токарев В.А., Грабовский И.И. Разработка моделей транспорта и средств переработки сырья для спутников планет в рамках инженерного образования // Сборник научных трудов международной конференции «Современные инновационные технологии подготовки инженерных кадров для горной промышленности и транспорта 2018». – Украина, Днепр: НГУ, 2018. С. 315 – 322.
10. Грабовский И.И. Эскизный проект стартово-посадочного комплекса лунного базирования  // Гагаринские чтения – 2018: XLIV Международная молодёжная научная конференция: Сборник тезисов докладов. Том 3: М.: Моск. авиационный ин-т (национальный исследовательский университет), 2018. С. 53 – 54.

Рисунки к докладу

Головнин Алексей Алексеевич (10 марта 2019 г. 15:43)	Здравствуйте Иван Игоревич, Владимир Адольфович! Владимир Адольфович, очень рад видеть Ваш доклад о Вашей очередной студенческой работе к которой, как и ко всем Вашим предыдущим, трудно найти кроме как превосходные эпитеты. В условиях, когда имеется признаваемое 40-летнее технологическое отставание, выйти на передовой уровень можно только работая на опережение. Конкурировать с бульдозерами или катками фирмы Катерпиллер не получится. А вот обогнать полет мысли Илона Маска можно и надо. Работа грандиозная, 12542 детали. Не верится, что это возможно. Но и работа не рядовая, самая лучшая, 3-я в стране. Тешу себя надеждой, что когда-нибудь смогу приблизиться, если учту Ваш опыт. Вопросы: 1. Сколько времени потребовала эта работа? (лет, месяцев, сколько часов в неделю?) 2. Соавтор делал это все один или на плечах гигантов? Это работа конструкторского бюро? Тогда хотелось бы немного узнать об организации работы коллектива. 3. Как справлялся с работой компьютер или компьютеры? 4. Насколько нова конструкция, имеются ли авторские идеи? Оформляете ли вы охранные документы? С уважением Головнин А.А.
Шахова Алевтина Бруновна (10 марта 2019 г. 17:35)	Здравствуйте Владимир Адольфович, доклад впечатляет, у меня вопросы аналогичные вопросам Алексея Алексеевича, не совсем поняла сколько человек учавствовало в разработке, и сколько на это потрачено времени, и конечно возраст студентов , какой курс, т.е. на базу каких знаний они опирались? Был ли прототип или это абсолютная новизна? Конечно большое кол-во повторяющихся деталей упрощает процесс моделирования, но в целом работа грандиозная. С уважением Шахова А.Б.
Токарев Владимир Адольфович (11 марта 2019 г. 18:36)	Здравствуйте Алексей Алексеевич и Алевтина Бруновна! Благодарю Вас за добрые слова! Работу "Стартово-посадочный комплекс лунного базирования «Селена»" (https://edu.ascon.ru/main/competition/gallery/items/?bm_id=65113) Иван выполнял один, заинтересованно над ней трудился около года ежедневно, совмещая учёбу в техникуме и затем учебу на первом курсе факультета авиадвигателестроения в РГАТУ. В настоящее  время Иван учится на втором курсе РГАТУ и решает не менее грандиозную задачу, на которую пока не оформлены охранные документы и не опубликованную. У Ивана есть ещё несколько общепризнанных работ со не менее значимыми наградами. Работа Ивана Грабовского «Мобильная лаборатория зондирования Титана - «Линза» (http://edu.ascon.ru/gallery/items/?bm_id=64133) в конкурсе АСКОН  «Будущие АСы КОМПьютерного 3D-моделирования 2016» заняла первое место в "Тяжелой» весовой категории". Необходимые расчеты и разработка модели были выполнены в 2016 году во время обучения в техникуме. В 2015 году (в 9 классе гимназии №22 г. Калининград) за проект «Солнечная электростанция башенного типа»  (https://edu.ascon.ru/main/competition/gallery/items/?bm_id=63049 ), выполненного под руководством учителя физики и информатики Артемьева Дмитрия Борисовича Иван получил Специальный приз экспертной комиссии «За лучший проект года света и световых технологий». На мой взгляд, интересное интервью с Иваном опубликовал АСКОН в своих новостях в разделе "Калининград" (https://edu.ascon.ru/main/news/items/?news=2238). В этом интервью содержатся в значительной степени ответы на Ваши вопросы, уважаемые Алексей Алексеевич и Алевтина Бруновна. С благодарностью за общение Токарев Владимир Адольфович
Головкина Валерия Борисовна (23 марта 2019 г. 14:58)	Уважаемые Владимир Адольфович и Иван Игоревич! Позвольте выразить искреннее восхищение результатами вашей работы. Для студента младшего курса это титанический труд. Радует, что в наше время есть молодые люди, переполненные творческими порывами, способные  реализовывать свои идеи в современных системах трехмерного компьютерного моделирования. Наша кафедра Автоматизированного проектирования и дизайна НИТУ «МИСиС» тесно работает с командой «АСКОН» много лет. Студентам первого курса, при введении в процесс овладения «Компасом», будет интересно увидеть, каких высот можно достичь, если постоянно учиться, приобретая что-то новое, а не ждать, что тебя научат. Обязательно дам ссылку на вашу статью. Большое спасибо за доклад. Желаю дальнейших побед!
Токарев Владимир Адольфович (26 марта 2019 г. 11:40)	Здравствуйте, уважаемая  Валерия Борисовна! Огромное спасибо за Вашу поддержку данной творческой инициативной студенческой работы!
Бойков Алексей Александрович (26 марта 2019 г. 12:04)	Уважаемые Владимир Адольфович и Иван Игоревич! Благодарю Вас за доклад. Работа впечатляющая - масштабная задача, "фантастическая" в том смысле, что студенты-первокурсники, работая в "Компас-3D", изучая азы, часто не понимают, что "крышки", "шпиндели" и "пробки" не самоцель, и что система геометрического моделирования, - инструмент, который в умелых руках может творить чудеса. Спасибо за напоминание и яркие примеры настоящей работы! с уважением, А.Бойков