אולימפיאדה צעירה ע"ש אילן רמון שלב ג' 2013

Παρουσίαση με θέμα: "אולימפיאדה צעירה ע"ש אילן רמון שלב ג' 2013"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 אולימפיאדה צעירה ע"ש אילן רמון שלב ג' 2013
אולימפיאדה צעירה ע"ש אילן רמון שלב ג' 2013 מגישים: כיתות ח' מצטיינים בית חינוך תיכון אזורי גליל מערבי

2 תוכן עניינים: מטרת המשימה שכבות השמש השוואה בין משימות החומרים לבניית החללית חישוב טמפ' בסביבת השמש תכנון גוף החללית מנגנון החזרת הדגימות אסיפת חלקיקי רוח השמש מבנה החללית מסלול החללית תיאור התנועה אמצעי הנעה חזרה לכדו"א החזרת הדגימות ביבליוגרפיה

3 מטרת המשימה: תכנון חללית אשר תטוס אל השמש, תאסוף את חלקיקי רוח השמש ותחזור לכדור הארץ.

4 העטרה של השמש: העטרת השמש נמצאת מעל הכרומוספרה ומשתרעת למרחק מיליוני קילומטרים וגבולה העליון אינו מסוים, שכן היא מתמזגת בהדרגה ברוח השמש - זרם החלקיקים המסיביים. למרבה ההפתעה, טמפרטורת העטרה גבוהה ביותר, ועולה על 2 מיליון קלווין.

5 השוואה בין משימות שמהן אנו למדים:
ג'ניסיס סולר פרוב פלוס מסלול הגעה לנקודה מול רוח השמש כ- 148,097,887 ק"מ מהשמש בנקודת לאגרנג' סיורים בתוך עטרת השמש כ-7 מיליון ק"מ מפני השמש לוחיות לוחיות לאיסוף חלקיקים שמטרתם לתפוס את החלקיקים לוחיות לאיסוף מידע מהשמש שאמורות לאסוף מידע כגון טמפרטורה תמונות לחץ וכו' מטרה החזרת דוגמיות של חלקיקי השמש למידה על עטרת השמש ובדרך לגלות קצת על נוגה נתונים טכניים בחללית היו לוחיות לאיסוף רוח השמש, שקלה 494 ק"ג . החללית מורכבת מגליל שבצדדיו לוחיות סולריות ולוחיות לאיסוף חלקיקים, חיישנים ומצלמות להעברת מידע מדיוק על ההתרחשויות בעטרת השמש. מסת החללית היא 480 ק''ג. זמן המשימה שנתיים 5 חודשים ו-19 ימים עד כ-7 שנים מ2015 עד 2022 תאריך שיגור 3 לספטמבר 2001 תאריך צפוי ב-2015 תאריך חזרה התרסקה ב-8 לספטמבר 2004 תאריך חזרה צפוי ב-2022 נקודות מיקוד: מסלול כל משימה ומרחק מהשמש, ומסת שתי המשימות.

6 מסקנות: ההבדל העיקרי בין שתי משימות הוא המרחק המינימאלי מהשמש שאליו מגיעה החללית, המשימה סולר בפרוב פלוס מגיעה פי 20 קרוב יותר לשמש מאשר חללית ג'ניסס. לכן אם אנו בוחרים להגיע למרחק מהשמש של 7 מיליון ק"מ (כמו חללית סולר פרוב פלוס) לא נוכל להשתמש בלוחיות איסוף של ג'ניסס. חייבים להוסיף מסקנות על הנתונים של השוואת המשימות.

7 חומר ממנה בנויה החללית:
הקריטריונים לבחירת חומרים: עמידות בלחץ פנימי, עמידות בטמפ' גבוהה, אי התמגנטות, משקל סגולי נמוך. רניום

8 טבלת סיכום חומרים: שם החומר טמפרטורת התכה תכונות נוספות מגנזיום
טמפ' התכה 650 מעלות צלזיוס. מתכת חזקה וקלה מאוד. רניום טמפ' התכה 3185 מעלות צלזיוס. כבד מאוד. לא מתמגנט. טיטניום טמפ' התכה 1668 מעלות צלזיוס. מתכת חזקה במיוחד. עמידה מאוד בפני חימצון. חיסרון- הופך להיות מאוד ראדיואקטיבי לאחר חשיפה לקרינה אלקטרו מגנטית. אלומניום: טמפ' התכה 600 מעלות צלזיוס. לא מתמגנט, מוליך חשמל, קל. פחמן מחוזק עמיד בחום עד 1650 מעלות צלזיוס. עמיד ללחץ אטמוספירי, לא מתמגנט. הפחמן המחוזק עשוי מסיבים של פחמן. טונגסטן טמפ' התכה 3422 מעלות צלזיוס. קשיח מאוד, מוליך חום. אריחים קרמים (אלומינה) טמפ' התכה 2054 מעלות צלזיוס. לא מתמגנט, מוליך חשמל גרוע, מבודדי חום.

9 חישוב הטמפרטורה (מעלות צלזיוס) במרחק של 7 מיליון ק"מ מן השמש-
חישוב הטמפרטורה (מעלות צלזיוס) במרחק של 7 מיליון ק"מ מן השמש- נוסחה: חישוב: מקרא: הטמפרטורה במרחק הרצויT = טמפרטורה בפוטוספירהTs = רדיוס השמשRs = המרחק מהגוף אל השמשD = במאמר של נאס"א על סולר פרוב פלוס כתוב כי הטמפ' ב-7 מיליון ק"מ מהשמש היא 1427 מעלות צלזיוס.

10 תכנון גוף החללית: את גוף החללית ניתן לייצר ממספר חומרים שונים בעלי תכונות שונות. שילוב של החומרים מקנה ניצול מירבי של תכונותיהם החיוביות. השכבה הפנימית ביותר היא אלומיניום – יתרונות: קל חזק וגמיש, חסרונות עמידות בטמפ נמוכה. ריק מבודד חום לכן ימנע מהחום להגיע לאלומיניום. אריחים קרמים - יתרונות: עמידות בטמפ' גבוהה וחומר קל יחסית, חסרונות: שביר. טונגסטן – יתרונות: עמידות בטמפ' גבוהה, חיסרון: כבד יחסית ומוליך חום. את החום שיקבל הטונגסטן יבודדו האריחים והריק כך הלא יגיע חום לאלומיניום. אלומיניום ריק טונגסטן אריחים קרמים

11 מנגנון החזרת הדגימות לכדור הארץ:
במעבורת שלנו יהיו שתי שכבות אריחים שנועדו להגן על המעבורת מהחום שמצטבר כאשר החללית נכנסת לאטמוספירה של כדור הארץ. בין שתי שכבות האריחים, ובין השכבה הפנימית למעבורת- יהיה ריק (ספייסר) שיבודד את החום בין האריחים לגוף המעבורת. כל החללית חוזרת???

12 תכנון האריחים: אריחי הטונגסטן המצופים בפחמן מחוזק במעטפת קרמית.
האריחים יהיו עשויים מטונגסטן מכיוון שטמפ' שלו גבוהה והוא מספיק קשיח. בנוסף שכבת האריחים הראשונה תהיה מצופה בפחמן מחוזק ובמעטפת קרמית. הספייסרים בין שכבות אריחיי הטונגסטן יכילו ריק סגור, לבידוד החום מגוף המעבורת. אריחי הטונגסטן המצופים בפחמן מחוזק במעטפת קרמית.

13 אסיפת רוח השמש על ידי לוחיות:
כל מערך לוחיות הורכב מלוחיות משושים שונות העשויות מסיליקון, זהב, ספיר, יהלום וחומרים נוספים. בהרכב חומרים אחר, המהירות הגבוהה בה נעים חלקיקי רוח השמש יכולה הייתה להשמיד אותם בעת פגיעה בלוחיות, אך הלוחיות הורכבו מחומרים בעלי צפיפות נמוכה, שאפשרו לחלקיקים להיטמע בהם תוך כדי האטת מהירותם. חלקיקי האטום למעשה "נדבקו" אל הלוחיות וניצלו מהרס, למשל כמו שגולה  עשויה להינצל משבירה אם תיפול על חמאה רכה ותחדור אליה.

14 ואסיפת רוח השמש בחללית שלנו...
תחילה היה מאוד קשה למצוא מערך לוחיות חדש העומד בטפרטורות השמש לכן נשתמש באותו מערך לוחיות של ג'ניסס ונשפר אותו לטובתנו. הרעיון הוא להשתמש במגן שכיוונו יהיה כל הזמן עם הפנים לשמש. קוטרו 2.7 מטרים וכולו יהיה עשוי פחמן מחוזק שצלו יגן על החללית מקרינת השמש. מעגלי המשושים יהיו מתחת למגן כך שרק חציים יהיה חשוף לשמש, והם יסתובבו בקצב קבוע. כאשר החצי המעגל יגיע לשטח צלו של המגן הוא ייכנס למערכת הקירור. מפני שאיסוף של סוגים שונים של חלקיקים ברוח השמש דורש זמן חשיפה שונה, נחליף את המשושים במחזוריות שונה. (למשל חומר מסוג א' פעם בסיבוב וחומר מסוג ב' פעם בשלושה).

15 מבנה החללית כולל מיכשור:
מבנה החללית כולל מיכשור: גודל החללית רוחב 2.7 מטר, גובה 5 מטרים. מסה: כ- 500 ק"ג. מבנה: גוף החללית כולל בתוכו את כל מכשירי הניווט, חיישני תנועה, מכשירי קשר, וכו'. לוחות סולריים ליצירת אנרגיה למערכת החשמל הפנימית. מגן מפחמן מחוזק. לוחות איסוף + מערכת קירור. מנוע יוני. לו"ז – 6-7 שנים ייקח לתכנון ובניית החללית. חצים, מנוע, גודל.

16 מדוע נשתמש בחמה ולא בנוגה במסלול החללית -
מדוע נשתמש בחמה ולא בנוגה במסלול החללית - מעבר (טרנזיט) של כוכב לכת חמה מול פני השמש. המצב מתרחש כאשר כדור-הארץ וכוכב-חמה נמצאים ב"התקבצות תחתונה", על קו ישר אחד כאשר שניהם מאותו צד של השמש. אחת לכמה שנים מתלכדים המישורים בהם נעים כדור הארץ וחמה באופן בו חמה עובר בדיוק מול השמש. טרנזיט של כוכב-חמה יתרחש עוד 14 פעם במאה הקרובה, בממוצע אחת ל-7 שנים, והוא נדיר יחסית אך לא נדיר כטרנזיט של נגה. המעבר הבא בו יתרחש המעבר יהיה ב-9 במאי 2016 ולכן נעזר בו למסלולינו לשמש. ישנה מחזוריות מסוימת בה הטרנזיט של נוגה מתרחש. המעברים מתרחשים בהבדל של 8 שנים בין כל זוג מעברים ובין כל זוג לזוג מפרידות שנים. המעבר האחרון שהתרחש של נוגה מול השמש ביוני 2012, המעבר הבא יתרחש רק בעוד ולכן איננו נוכל להיעזר בנוגה בשביל מסלולינו לשמש. צריך לכתוב את זה לפני תאור המסלול החדש?

17 מסלול החללית: את השיגור נבצע לקראת הבוקר בגלל שבבוקר הצד של כדו"א שממנו אנו משגרים את החללית מתחיל לפנות לשמש. את החללית נשגר כשכדו"א יהיה במרחק מינימאלי (147,000,000 ק"מ) כדי לחסוך בזמן. את החללית נשגר בכיוון התנועה של כדו"א אבל בגלל סיבוב של כדו"א סביב עצמו היא תנוע בזווית, מהירות מילוט מכדו"א היא 11 קילומטר בשנייה. מפני ששיגרנו את החללית בכיוון התנועה של כדו"א סביב השמש, מהירותו (30 קילומטר בשנייה) יחד מהירות החללית 41 ק"מ בשנייה. עד המרחק 1.5 מיליון ק"מ מכדו"א נצטרך להשתמש בדלק בגלל ששם נמצאת נקודת לגראנז' (L1) שבה כוחות המשיכה מאוזנים, ואחריה כוחות המשיכה של השמש כבר יופעלו.

18 מסלול החללית: במרחק של כ-110 מיליון קילומטר מהשמש נעזר בכוח המשיכה של כוכב לכת נוגה כדי להפנות יותר לכיוון השמש ולהאיץ עוד את החללית. לאחר מכן נתקדם לכיוון השמש בעזרת כוח המשיכה של השמש. כאשר נגיע למרחק 7 מיליון קילומטר מהשמש נשתמש במנוע כדי להיכנס למסלול שבו נסתובב סביב השמש ע"י כוח המשיכה של השמש. סביב השמש נעשה כסיבוב ושלושת רבעי כדי לאסוף יותר חלקיקים מהשמש ונגיע לכדו"א בזמן. ולאחר מכן נשתמש במפרשי שמש כדי להתרחק מהשמש לכיוון כדו"א. בסה"כ זמן המשימה הוא כ-116 יום , בערך שליש שנה. חישוב מבוסס על מהירות הממוצעת של חללית שהיא 41 קילומטר בשנייה.

19 חישובים של הזמנים ומרחקים: מהירות החללית:41 ק"מ בשנייה
חישובים של הזמנים ומרחקים: מהירות החללית:41 ק"מ בשנייה. מרחק מכדו"א לנוגה :50,000,000 ק"מ. זמן: מרחק מנוגה לשמש (לא כולל מרחק בטיחות) 113,000,000 ק"מ זמן: היקף השמש: רדיוס (כולל מרחק בטיחות) : 7,696,000 ק"מ היקף: 1.3/4 סיבוב אחד סביב השמש: יום יום יום יום חזרה לכדו"א 163,000,000 ק"מ זמן: סה"כ זמן הטיסה = יום יום הוא זמן הטיול. יום

20 דרך שעוברת חללית מתחילת השיגור
מרחק, ק''מ זמן, ימים מרחק של חללית מהשמש מרחק, ק''מ הגרפים נכונים לתכנון החדש?? זמן, ימים

21 מסקנה – כדי לעבור 41.6 ימים מסביב לשמש נעשה 3.05 סיבובים מסביב לשמש.
חישוב הקפת השמש: בחישוב זמן הקפת השמש התייחסנו לעובדה שאנחנו צריכים לצבור לפחות 1,000 שעות מסביב לשמש, מה שמצאנו מאמר של סולר פרוב פלוס של נאס"א. כדי לבדוק כמה ימים זה חילקנו את 1000 ב24 כדי להפוך את השעות לימים. 41.6=1000/24 הרדיוס עליו אנו מסתובבים סביב השמש הוא 7,696,000 (7,000,000 מרחק בטיחות פלוס 696,000 רדיוס השמש). כדי לחשב את היקף המעגל נשתמש בנוסחא: 2Π*R. היקף- 48,330,880 ק'מ= 3.14*2*7,696,000 זמן בימים שבו נעבור סיבוב- 13.6=48,330,880/60/60/24/41 מספר סיבובים סביב השמש- 3.05= 41.6/13.6 מסקנה – כדי לעבור 41.6 ימים מסביב לשמש נעשה 3.05 סיבובים מסביב לשמש.

22 חישוב מסלול החללית: בהתחלה החללית משוגרת לעבר כוכב חמה ועוברת מרחק של כ- 90,000,000 ק"מ אם כך נחשב את מספר הימים שלוקח לחללית לעבור את המרחק =90,000,000/60/60/24/ ימים ייקח לחללית להגיע ליד כוכב חמה. החללית תמשיך בדרכה לכיוון השמש מרחק של כ-51,000,000 ק"מ =51,000,000/60/60/24/41 לאחר מכן נסתובב סביב השמש כ-41.6 ימים (ראה חישוב). לבסוף נחזור לכדור הארץ שנמצא במרחק של כ-140,000,000 ק"מ מאיתנו =140,000,000/60/60/24/41 *עד כה החללית עברה 120.8= 120.8 ימים.

23 חללית כדו"א שמש חמה המסלול...

24 תיאור התנועה – מעודכן: 1.את החללית נשגר במהירות של 11.2 קילומטר בשנייה. לאחר היציאה מכדו"א החללית תאיץ כי תתוסף לה גם המהירות של כדו"א. 2. לאחר מכן כוחות המשיכה של כדור הארץ ישפיעו עלינו אבל בגלל שעד נקודת לגראנז אנחנו משתמשים במנוע אז המנוע יאזן את המהירות (הקצב יהיה קבוע). 3.אחרי נקודת לגראנז החללית תאיץ בגלל כוחות המשיכה ההולכים ומתחזקים של השמש כנסתובב סביב חמה החללית שוב תאיץ. 4.כשנגיע למסלול סביב השמש נפעיל את המנוע (רק כדי להיכנס למסלול ואז נכבה אותו) ואז החללית תישאר במהירות קבועה בסיבוב סביב השמש. 5.בחזרה לכדו"א ויתרנו על השימוש במפרשי השמש בגלל שלאחר חישובים גילינו שקצב החללית בעזרתם קטן ובמקומם אנחנו נשתמש בלוחות סולאריים שישמשו אותנו כמקור כוח להפעלת המכשירים. 6.אחרי נקודת לגראנז' החללית תאיץ בגלל כוחות המשיכה של השמש. 7.בקרבת כדור הארץ החללית תחל להאט ע"י שימוש במנוע, נאט את החללית כדי לא להגיע במהירות גדולה מדי לכדור הארץ.

25 מרחק מהשמש ק"מ 150,000,000 זמן 1.החללית מאיצה 2.קצב קבוע
3.החללית מאיצה 4.קצב קבוע 5.החללית מאטה 6.החללית מאיצה 7.החללית מאטה מה????? זמן

26 אמצעי הנעה, חזרה לכדו"א - מפרשי שמש
מפרש שמש הוא מעיין שמשיה הקולטת קרינה ודוחפת את העצם אליה היא מחוברת לכיוון אליו הקרינה ממשיכה. היתרונות: שימוש במפרש שמש יאפשר להקטין את מסת המעבורת כיוון שמפרשי השמש שקלים יחסית הם במקום דלק רב, שכבד הרבה יותר. הם ניתנים לקיפול ולפרישה, כך שאפשר לפרוש אותם בעת הצורך וכך לא יפריעו להתקדם לכיוון השמש. אפשר להאיץ מפרשית שמש במשך זמן ארוך מאוד – כל עוד תפגע קרינה במפרש, החללית תמשיך להאיץ. חסרונות: יכולת התמרון של החללית, ובכלל הבלימה בהגיעה ליעדה – מוגבלת, ובשלב זה של תכנון מפרשיות שמש, יותקנו בהן גם כמה מנועי תמרון בסיסיים. המפרש העצום בגודלו יהיה חשוף לסכנת פגיעה של גופים, הנדירים אמנם בחלל, ובכל זאת קיימים ולכן צריך יהיה לתכנן את נתיב המפרשית תוך התחשבות בגרמי שמיים קטנים. להשאיר כדי להראות את השינויים?

27 מפרש שמש – לא שימושי למפרש השמש יש מגבלות במיקום, ניתן להתקרב לשמש באזור 37,500,000 ק"מ מהשמש או 0.25 Auאחרת המפרש שמש יותך. אם נניח לזה ונגיד שהצלחנו להתקרב לשמש איתו, כנראה שלא נצליח לצאת. מכיוון שמפרש השמש אינו יכול להוסיף מספיק מהירות החללית תשאר במסלול כח המשיכה של השמש. למפרש שמש האצה נמוכה מאוד אחרי שעה 3.6 מטר בשנייה (0.003 ק"מ בשנייה), שזה אחרי יום 86.4 מטר בשנייה ( ק"מ בשנייה). למפרש שמש יש המון בעיות של משתנים שמפריעים בחישוב כך שלעולם לא יצא חישוב מדויק משתנים כמו הפרשי טמפ' כמות וריכוז וספיגת הפוטונים(מנות אור) ועוד. למפרש בעיות גם בתמרון השינוי בכיוון נמוך מאוד עשוי להגיע למעלה אחת ביום. לאור כל הנתונים החלטנו לוותר על מפרשי השמש. ולהשתמש במנוע יוני. לכן נשתמש ב.....?

28 מנוע יוני: מנוע יוני הוא מנוע המונע מקסנון (Xe), המבוסס על אנרגיה חשמלית תוך הדף יונים חיוביים. ההנעה מתרחשת בתהליך הבא. הקסנון מאוחסן בתוך תא היינון. יורים על הקסנון מטח אלקטרונים הנורים ממערכת האצה חשמלית (מאיץ קווי). אלקטרון שבאטום שנפגע מאלקטרון מואץ נחלץ מהאטום ומשאיר יון חיוביי. היונים נפלטים לחוץ מחללית מה שדוחף את החללית קדימה. מנועים אלה מייצרים דחף גבוה מאוד ביחס למנועים רקטיים רגילים.

29 החזרת הדגימות לכדו"א: בשלב הקודם בנינו מערכת להחזרת כל החללית, זה כמובן כבר לא בתוקף. בשלב זה החלטנו להחזיר רק את הדגימות. הדגימות מגיעות לכדור הארץ בגובה של 33 ק"מ יפתח מצנח שיאט את הדגימות. בגובה של6.7 ק"מ (כ 4 דקות לאחר מכן )מטוס בעל וו תפיסה באורך של 5 מטרים יתפוס אותם ובעדינות יבא אותם לקרקע. טרם יגעו הדגימות יבצעו כמה חזרות כוננות לוודא שבזמן אמת הכול יתנהל כהלכה. במשימה הקודמת (ג'נסיס) היה בעיות בחיישן תאוצה ומצנח לא נפתח. למרות שזה היה ב2004 והטכנולוגיה התקדמה והחיישנים היום יותר רגישים אנחנו נוסיף לחיישני תאוצה חיישני לחץ. שכאשר ניכנס לאטמוספרה יופעל לחץ של האוויר במידה מסוימת גם כן יפתח המצנח שהוא מצנח עוגן ואם יהיה תקלה באחד השני יגבה.

30 ביבליוגרפיה: מידע על שכבות השמש MjQ4MzlfNDE0ODczNjZfMTQ4Njg3MjAw-FreeYaan,00.html(אנציקלופדיה) מרחקים של כדו"א מהשמש C.D7.95.D7.9C_.D7.95.D7.94.D7.A1.D7.AA.D7.95.D7.91.D7.91.D7.95.D7.AA_.D7.9B.D7.93.D7.95.D7.A8_.D7.94.D7.90.D 7.A8.D7.A5 מהירות מילוט מכדו"א - %D7%98 מהירות כדו"א סביב השמש - נקודות לגראנג' %27 לוחיות לאסיפת רוח השמש – 95%D7%A9%D7%99%D7%AA%29 החזרת הלוחיות בבטחה – 9%D7%99%D7%AA) עוד קישורים על התוספות של שלב ג'......

31 ביבליוגרפיה (המשך): מידע על כוכבי לכת- מעבורת החלל קולומביה - a/ ספינת החלל ג'ניסס – סולר פרוב פלוס - obe_plus/ פחמן מחוזק – Refractory metals– 10 במרץ 2008-Solar Probe Plus mission engineering study report עוד קישורים על התוספות של שלב ג'......

32 ונבחרת כיתה ח' מצטיינים: גלעד חורש, עילי אפרת, תומר דנסקיר,
מגישים: המורה: אליס קוך ונבחרת כיתה ח' מצטיינים: גלעד חורש, עילי אפרת, תומר דנסקיר, אלי שבתאי, שוהם סיסו, קורין עטאללה, שולמית כמיסה, נתן אבזגאוז, וגל כהן. שם משפחה של נתן....