البرنامج التعليمي لمقياس التسارع CubeSat: 6 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

المكعبات هي نوع من الأقمار الصناعية المصغرة لأبحاث الفضاء التي تتكون من مضاعفات 10 × 10 × 10 سم من الوحدات المكعبة ولا تزيد كتلتها عن 1.33 كجم لكل وحدة. تتيح الأقمار الصناعية المكعبة إرسال كمية كبيرة من الأقمار الصناعية إلى الفضاء وتسمح للمالك بالتحكم الكامل في الماكينة بغض النظر عن مكان وجودها على الأرض. المكعبات هي أيضًا بأسعار معقولة أكثر من أي نماذج أولية أخرى. في النهاية ، تسهل المكعبات الانغماس في الفضاء وتنشر المعرفة حول شكل كوكبنا والكون.

Arduino عبارة عن منصة ، أو كمبيوتر من نوع ما ، يستخدم لبناء مشاريع الإلكترونيات. يتكون Arduino من لوحة دوائر قابلة للبرمجة وجزء من البرنامج ، يتم تشغيله على جهاز الكمبيوتر الخاص بك ، ويستخدم لكتابة وتحميل رمز الكمبيوتر على اللوحة.

بالنسبة لهذا المشروع ، سُمح لفريقنا باختيار أي جهاز استشعار أردنا اكتشاف أي جانب معين من مكونات كوكب المريخ. قررنا استخدام مقياس التسارع ، أو جهاز كهروميكانيكي يستخدم لقياس قوى التسارع.

لجعل كل هذه الأجهزة تعمل معًا ، كان علينا إرفاق مقياس التسارع بلوحة توصيل Arduino ، وإرفاق كلاهما بداخل المكعبات ، والتأكد من أنه صمد أمام محاكاة الطيران واختبار الاهتزاز. سيغطي هذا الدليل كيفية إنجازنا لذلك والبيانات التي جمعناها من Arduino.

الخطوة 1: تحديد الأهداف (أليكس)

كان هدفنا الرئيسي لهذا المشروع هو استخدام مقياس التسارع (لا تقلق سنشرح ما هذا لاحقًا) الموضوعة داخل CubeSat ، لقياس التسارع بسبب الجاذبية على المريخ. كان علينا أن نبني CubeSat ، ونختبر متانته بعدة طرق. كان أصعب جزء في تحديد الأهداف والتخطيط هو إدراك كيفية احتواء Arduino ومقياس التسارع داخل CubeSat بطريقة آمنة. للقيام بذلك ، كان علينا التوصل إلى تصميم CubeSat جيد ، والتأكد من أنه كان 10x10x10 سم ، والتأكد من أن وزنه أقل من 1.3 كجم.

لقد قررنا أن Legos ، ستثبت في الواقع أنها متينة وسهلة البناء أيضًا. كانت الليجو أيضًا شيئًا يمكن لأي شخص امتلاكه بالفعل ، بدلاً من إنفاق المال على أي مواد بناء. لحسن الحظ ، لم تستغرق عملية ابتكار التصميم وقتًا طويلاً ، كما سترى في الخطوة التالية.

الخطوة 2: تصميم Cubesat

بالنسبة لهذا المكعبات المعين ، استخدمنا ليغو لسهولة بنائها وتثبيتها ومتانتها. يجب أن يكون حجم المكعب 10 × 10 × 10 سم ووزنه أقل من 1.33 كجم (3 أرطال) لكل يو.س يجعل من السهل الحصول على مقاس 10 × 10 × 10 سم بالضبط أثناء استخدام قاعدتي Lego للأرضية وغطاء المكعبات. قد تضطر إلى الاطلاع على قواعد Lego للحصول عليها بالضبط بالطريقة التي تريدها. داخل مكعبات ، سيكون لديك اردوينو ولوح التجارب والبطارية وحامل بطاقة SD كلها متصلة بالجدران باستخدام أي مادة لاصقة تريدها. استخدمنا الشريط اللاصق لضمان عدم ارتخاء القطع بالداخل. لربط المكعبات بالمركبة المدارية ، استخدمنا خيطًا وأشرطة مطاطية وربطة عنق مضغوطة. يجب لف الأربطة المطاطية حول المكعبات كما لو كان الشريط ملفوفًا حول هدية. ثم يتم ربط الخيط بمركز الشريط المطاطي على الغطاء. ثم يتم لف الخيط من خلال رابط مضغوط يتم ربطه بعد ذلك بالمركبة المدارية.

الخطوة الثالثة: بناء الأردوينو

كان هدفنا من هذا CubeSat ، كما قلنا من قبل ، هو تحديد التسارع بسبب الجاذبية على المريخ باستخدام مقياس التسارع. مقاييس التسارع عبارة عن دوائر أو وحدات متكاملة تستخدم لقياس تسارع جسم متصل به. تعلمت في هذا المشروع أساسيات الترميز والأسلاك. لقد استخدمت mpu 6050 الذي يستخدم كجهاز كهروميكانيكي يقيس قوى التسارع. من خلال استشعار مقدار التسارع الديناميكي ، يمكنك تحليل الطريقة التي يتحرك بها الجهاز على المحور X و Y و Z. بعبارة أخرى ، يمكنك معرفة ما إذا كان يتحرك لأعلى ولأسفل أو من جانب إلى آخر ؛ يمكن لمقياس التسارع وبعض الرموز أن يمنحك بسهولة البيانات لتحديد تلك المعلومات. كلما كان المستشعر أكثر حساسية ، كلما كانت البيانات أكثر دقة وتفصيلاً. هذا يعني أنه بالنسبة لتغيير معين في التسارع ، سيكون هناك تغيير أكبر في الإشارة.

اضطررت إلى توصيل اردوينو ، الذي كان موصلاً بالفعل بمقياس التسارع ، بحامل بطاقة SD الذي سيخزن البيانات المستلمة أثناء اختبار الطيران حتى نتمكن بعد ذلك من تحميلها على جهاز كمبيوتر. بهذه الطريقة يمكننا عرض قياسات المحور X و Y و Z لمعرفة مكان وجود المكعبات في الهواء. يمكنك عرض في الصور المرفقة كيفية توصيل اردوينو بمقياس التسارع واللوح.

الخطوة 4: اختبارات الطيران والاهتزاز (أليكس)

من أجل ضمان متانة المكعب ، كان علينا إخضاعه لسلسلة من الاختبارات ، والتي من شأنها محاكاة البيئة التي سيتم إخضاعها لها ، في الفضاء ، وكان الاختبار الأول الذي أجريناه لوضع المكعب من خلاله يسمى اختبار الطيران.. كان علينا ربط اردوينو بجهاز يسمى المدار ، ومحاكاة مسار طيرانه حول الكوكب الأحمر. لقد جربنا طرقًا متعددة لربط المكعب جلسًا ، لكننا في النهاية تمكنا من الاستقرار على شريط مطاطي مزدوج كان ملفوفًا حول قاعدة المكعب. ثم تم ربط الخيط بالأربطة المطاطية.

لم يكن اختبار الطيران ناجحًا على الفور ، حيث بدأ بعض الشريط في الخروج في محاولتنا الأولى. ثم قمنا بتحويل التصميمات إلى خيار الشريط المطاطي المذكور في الفقرة السابقة. على الرغم من محاولتنا الثانية ، تمكنا من جعل الشبل يطير بالسرعة المطلوبة ، لمدة 30 ثانية ، دون حدوث أي مشاكل على الإطلاق.

كان الاختبار التالي هو اختبار الاهتزاز ، والذي سيحاكي بشكل غير محكم انتقال المكعب عبر الغلاف الجوي للكوكب. كان علينا وضع المكعب جالسًا على منضدة الاهتزاز ورفع الطاقة إلى درجة معينة. ثم جلس المكعب في اللباقة لمدة 30 ثانية على الأقل عند مستوى الطاقة هذا. لحسن الحظ ، تمكنا من اجتياز جميع جوانب الاختبار في محاولتنا الأولى. الآن كل ما تبقى هو جمع البيانات النهائية والاختبارات.

الخطوة 5: تفسير البيانات

باستخدام البيانات التي حصلنا عليها بعد إجراء الاختبار النهائي ، يمكنك معرفة مكان تحرك المكعب على المحور X و Y و Z وتحديد التسارع بقسمة الإزاحة على الوقت. يمنحك هذا متوسط السرعة. الآن ، طالما أن الجسم يتسارع بشكل منتظم ، فما عليك سوى ضرب متوسط السرعة في 2 للحصول على السرعة النهائية. لإيجاد العجلة ، عليك أن تأخذ السرعة النهائية وتقسمها على الوقت.

الخطوة السادسة: الخاتمة

كان الهدف النهائي لمشروعنا هو تحديد تسارع الجاذبية حول المريخ. من خلال البيانات التي تم جمعها باستخدام Arduino ، يمكن تحديد أن تسارع الجاذبية أثناء الدوران حول المريخ يظل ثابتًا. بالإضافة إلى ذلك ، أثناء السفر حول المريخ ، يتغير اتجاه المدار باستمرار.

بشكل عام ، كانت أكبر استنتاجات فريقنا هي نمونا في طلاقتنا في قراءة التعليمات البرمجية وكتابتها ، وفهمنا للتكنولوجيا الجديدة في طليعة استكشاف الفضاء ، ومعرفتنا بالأعمال الداخلية والعديد من استخدامات Arduino.

ثانيًا ، خلال المشروع ، لم يتعلم فريقنا فقط مفاهيم التكنولوجيا والفيزياء المذكورة أعلاه ، ولكن تعلمنا أيضًا مهارات إدارة المشروع. تتضمن بعض هذه المهارات الوفاء بالمواعيد النهائية ، وتعديل الإشراف على التصميم والمشكلات غير المتوقعة ، وإجراء اجتماعات الوقوف اليومية لمنح المسؤولية لمجموعتنا ، وبالتالي ، إبقاء الجميع على المسار الصحيح لتحقيق أهدافنا.

في الختام ، استوفى فريقنا كل متطلبات الاختبار والبيانات ، بالإضافة إلى تعلم مهارات فيزياء وإدارة الفريق لا تقدر بثمن والتي يمكننا القيام بها في الجهود المستقبلية في المدرسة وفي أي مهنة موجهة نحو العمل الجماعي.