Юный техник, 2005 № 01

Фаворит гонки — красный Sandstorm («Песчаная буря») на базе внедорожника Hummer М998.

Собственно, соревнование под громким названием «Большой вызов» состоит из двух этапов. Первый из них — это квалификационный заезд. Здесь роботы должны продемонстрировать способность самостоятельно передвигаться и объезжать различные естественные и рукотворные препятствия — овраги, водные преграды, линии электропередачи… От машин требуется умение двигаться по дорогам с разным покрытием, поскольку на протяжении главной трассы соревнований, помимо асфальтированных, есть грунтовые, песчаные и каменистые отрезки дорог.

Аппараты, прошедшие испытание на прочность, выносливость и сообразительность, смогли принять участие в главной гонке.

Хотя основной упор был сделан на умение ориентироваться и правильно выбирать маршрут, «физическая» выносливость, а точнее, возможность быстрого передвижения и маневрирования, а также способность «выживать» в тяжелых условиях тоже очень важны. Поэтому неудивительно, что прототипами гонщикам послужили гражданские и военные внедорожники.

Так, например, команда Университета штата Огайо Team Теггашах установила два радара, шесть видеокамер и четыре лазерных сканера на огромном трехосном грузовике. Однако увеличение количества датчиков может и навредить: каждый из них посылает мощный поток информации, и компьютеры робота могут не справиться с ее обработкой. Поскольку машина подпрыгивает и трясется, результаты локационных обзоров могут показаться роботу противоречивыми и сбить его с толку. К тому же совсем не просто объединить данные от воспринимающих устройств разных типов: лазерные сканеры генерируют облака точек, радары выдают прямоугольные отметки, а стереокамера формирует так называемую карту несоответствий. Нужно быть очень осмотрительным, чтобы совместить достоинства датчиков, а не их недостатки.

Карта трассы гонки.

Среди лидеров, как уже говорилось, числилась команда из питтсбургского Университета Карнеги-Меллона под предводительством профессионального конструктора роботов Уильяма Уиттейкера, выставившая на старт красный четырехколесный Sandstorm («Песчаная буря») на базе внедорожника Hummer М998.

Сделать автомобиль-робот не так уж сложно, считает руководитель команды. В Институте робототехники Уиттейкеру уже приходилось строить самоуправляющиеся машины для разбора завалов, уборки урожая, составления карт горных выработок и поиска метеоритов в Антарктиде. Под его же руководством были построены два самоходных робота для обследования вулканов. Однако он прекрасно понимал, что оснастить вездеход необходимым оборудованием — лишь часть дела. Главное отладить приборы так, чтобы в пути не было сбоев.

Кроме того, чтобы выиграть, Sandstorm должен двигаться со средней скоростью не менее 10 м/с (36 км/ч), т. е. примерно в 10 раз быстрее экспериментальных роботов, созданных в ходе четырехлетней программы DARPA по разработке наземных транспортных средств, функционирующих без вмешательства человека.

На схеме Sandstorm цифрами обозначены:

_{1 — видеопроцессор; 2 — стереокамера; 3 — лазер дальней зоны; 4 — пневмопривод; 5 — антенна радара; 6 — лазер ближней зоны; 7 — ограждение радиатора; 8 — амортизатор; 9 — электронный блок; 10 — дизель-генератор для питания оборудования; 11 — сверхточный измеритель пройденного расстояния; 12 — компьютер управления; 13 — навигационный компьютер; 14 — компьютеры принятия решений; 15 — винтовые пружины и амортизаторы; 16 — лазер ближней зоны задней полусферы; 17 — антенны GPS-системы.}

Тем не менее, 30 апреля 2003 года в конференц-зале Института робототехники Университета Карнеги-Меллона встал высокий человек и заявил: «Разрешите представиться: Уиттейкер, директор Центра полевой робототехники. Я намерен возглавить одну из команд и привести ее к победе в Лас-Вегасе. Добровольцев прошу подойти ко мне»…

Из нескольких десятков записавшихся энтузиастов предстартовую гонку выдержали лишь 14 человек. Последние недели им пришлось работать буквально сутками, мерзнуть и мокнуть во время полевых испытаний. Причем, Уиттейкер прекрасно понимал, что шансов выиграть у команды не так уж много. Даже саму возможность того, что Sandstorm просто доедет до финиша, он никогда не оценивал выше, чем в 40 процентов.

И он оказался прав. До финиша 350-километрового маршрута не добрался ни один из участников. Все они по тем или иным причинам были вынуждены остановиться.

Наш герой Sandstorm, например, попросту заплутал в пустыне и не смог прибыть к финишу в указанный срок. Впрочем, здесь, как и в Олимпийских играх, участие куда важнее победы, заявил Уиттейкер по окончании соревнований. И, похоже, не один он так считает. Когда профессор спросил свою «Красную команду», кто хочет продолжить участие в соревнованиях на следующий год, руки подняли все.

В. ЧЕТВЕРГОВ

Еще один участник гонки шестиколесный Terrahawks.

СОЗДАНО В РОССИИ

Мне сверху видно все…

…Картинка на экране компьютерного монитора будто показывает игрушечную страну. Вот домики, похожие на кукольные, между ними вьется дорога среди деревьев. А через поля шагают опоры ЛЭП — линии электропередачи. При желании можно увидеть даже, насколько провисают провода между опорами.

И это еще что! На электронных картах, создаваемых сотрудниками Центра экологического и техногенного мониторинга, отчетливо видно даже то, что находится не на земле, а под землей — например, нитки нефте- и газопроводов.

— Не так давно наш центр, к примеру, работал над проектами строительства трубопровода от Байкала (Ангарск) до Тихого океана (Находка), — пояснил заместитель генерального директора центра Ceргей Корсей. — Протяженность трассы более 2500 километров, рельеф и условия строительства чрезвычайно сложные. Центр собрал исчерпывающую информацию из самых различных источников: получил и обработал космические сканерные снимки местности, сделал цифровую аэрофотосъемку, провел воздушное лазерное сканирование. Затем данные дешифрировали, проанализировали и создали математическую модель местности…

В итоге заказчик получил автоматизированную геоинформационную систему, причем планы местности имеют трехмерное изображение. Так что на плане какого-нибудь города, к примеру, нетрудно выяснить, кроме всего прочего, и этажность, высоту того или иного дома.

При прокладке же трубопроводов такая методика позволяет учитывать более 300 факторов, осложняющих строительство, и сравнить между собой разные варианты трасс, выбрав в итоге оптимальную. Экономический эффект огромный. Только на одном участке в Прибайкалье длиной в 120 км экономия составила около 12 % стоимости всего проекта. А он, между прочим, «тянет» на 2,6 млрд. долларов.

Заодно специалисты решили и такой сложный вопрос: как проложить трассу в Прибайкалье, чтобы трубопровод не прошел по водосборным бассейнам множества больших и малых рек, впадающих в Байкал? А потребовалось на это два… часа.

Создание электронного плана трассы — это, конечно, лишь начало дела. После того как она построена, за нею надо постоянно следить — нет ли где утечки? Эту работу тоже можно вести с помощью самой современной техники.

— Наш прибор предназначен для обнаружения эмиссии или утечки природного газа на промышленных промыслах, компрессорных станциях, нефтегазопроводах, подземных газохранилищах, — рассказал мне один из создателей уникального устройства, доктор физико-математических наук, профессор Павел Филиппов. — При этом определяется не только количество выделенного газа, но и конкретное место его утечки…

Причем в данном случае рабочим не нужно идти, например, вдоль газопровода, неся с собой этот прибор. Он скомпонован в небольшой капсуле, которая на внешней подвеске цепляется к любому вертолету. Тот поднимается в воздух и следует вдоль трассы на высоте примерно 100 м. Длина троса — около 30 м. Таким образом, датчик располагается над поверхностью земли на высоте порядка 70 м.

Длина волны полупроводникового лазера рассчитана таким образом, чтобы она поглощалась имеющимся в атмосфере метаном. А поскольку этот газ легче воздуха, то он поднимается от земли и попадает в воздухозаборник прибора. Здесь он попадает под лазерный луч. И если концентрация метана в воздухе превышает определенный порог, лазер тут же на это реагирует.

Изменение лазерного сигнала фиксируется фотоприемником. Затем полученные данные преобразуются в цифровой код, и соответствующие данные высвечиваются на экране дисплея перед оператором. Как только утечка обнаружена, в бортовом компьютере запускается специальная программа. С учетом метеоусловий и скорости вертолета прибор тут же рассчитывает вероятное место утечки и ее величину. При желании эти данные можно уточнить повторным зондированием непосредственно над местом аварии.

При этом, как показали испытания, аппаратура получилась весьма чувствительной. Так, обычная концентрация метана в атмосфере составляет примерно 1,8∙10-4 процента. А порог чувствительности лазерного метанометра вдвое меньше.

Таким образом, прибор можно использовать не только для поисков утечек, но и для экологического мониторинга. С его помощью можно измерять концентрации метана над болотами, мусорными свалками, сельскохозяйственными фермами.

Наконец, электроника может и прогнозировать будущие неприятности. Специалисты предложили Газпрому провести диагностику действующих трубопроводов. Их множество, общая протяженность всех «труб» — десятки тысяч километров. А в каком они состоянии сейчас, спустя годы эксплуатации, неизвестно.

Чтобы определить это, выявить даже незначительные повреждения, используют опять-таки самую современную технику — высокочувствительные тепловизоры в сочетании с аэрофотосъемкой и лазерным сканированием местности. Вертолет с тепловизором и прочей аппаратурой на борту проводит съемку местности в различных спектральных диапазонах, в том числе в тепловом.

Вот, допустим, карта Саратовской области. Синяя линия на ней — действующий газопровод, а темное пятно, обнаруженное на одном из его участков в результате съемки, означает: здесь происходит утечка газа. Она вызвала падение давления в трубе, температура в этом месте понизилась — что и уловил тепловизор, позволяя предотвратить миллионные убытки.

Точность определения координат объектов — 8 — 12 см, а размер минимально видимого объекта на снимках — 10 см.

…Так работает геоинформационная система, содержащая детальное описание местности, позволяющая обходиться без традиционных бумажных карт, планов и описаний. Причем ее модернизировать можно хоть каждый день, внося в нее все новые и новые данные…

В.ВЛАДИМИРОВ

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ

Электростанция на орбите

Каждый космический корабль, вы знаете, должен нести с собой, кроме всего прочего, и источники энергии: химическое ракетное топливо, батареи фотоэлементов или ядерные реакторы. Однако топливо имеет свойство быстро кончаться, против использования ядерных реакторов активно возражают экологи, а фотоэлементы эффективны лишь в тех случаях, когда поблизости находится наше светило.

Так нет ли в космосе еще какого-нибудь источника энергии, которым можно было бы пользоваться примерно так же, как на Земле мы используем, например, энергию падающей воды? Оказывается — есть!

Первым эту идею еще сто лет тому назад высказал К.Э. Циолковский, описывая в своих «Грезах о Земле и небе» прототип конструкции орбитальной станции с искусственной тяжестью. Он полагал, что обеспечить искусственную гравитацию можно вращением аппарата. Причем лучше, если вращение это будет происходить не вокруг собственной оси, а вокруг общего центра масс системы «аппарат — противовес», соединенной цепью.

Такую систему, как мы знаем, не построили и по сей день. Однако она послужила отправной точкой для дальнейших рассуждений.

Например, известный инженер прошлого века Ф.Л. Цандер еще в 1910 году рассчитал конструкцию лунного «космического лифта». По его мнению, трос, протянутый с Луны в сторону Земли, должен был обеспечить функционирование некой транспортной системы, способной переправлять грузы с Луны на Землю и обратно. О космическом лифте мы тоже уже не раз писали (см., например, «ЮТ» № 5 за 2003 г.), а потому не будем повторяться. Тросовые системы можно использовать и в других целях.

Скажем, для поддержания Международной космической станции на орбите заданной высоты (360 км) в течение 10 лет потребуется 77 т топлива. Поскольку доставка груза на орбиту обходится примерно в 15 тыс. долларов за каждый килограмм груза, то нетрудно подсчитать, что для этого потребуется около 1,2 млрд. долларов.

Можно, конечно, сэкономить, если поставить на станцию электродинамические двигатели и запитывать их током от солнечных батарей. Но ведь доставка и обслуживание солнечных батарей тоже стоит немало, так что неплохо бы поискать иной источник энергии. И вот здесь на сцену снова выступают тросовые системы.

Оказывается, на объект (скажем, космическую станцию), находящийся на стабильной орбите, упрощенно говоря, действуют две взаимно противоположные силы: центробежная, обусловленная орбитальным движением, и сила притяжения планеты. В центре массы тела они уравновешивают друг друга, и наблюдатель на борту находится в условиях нулевого тяготения.

Если же столкнуть со станции какой-нибудь массивный предмет, связанный с нею тонким прочным тросом, то получится связка, обладающая интересными свойствами. Сила гравитационного притяжения планеты и центробежная сила опять-таки окажутся уравновешенными в центре масс связки, но она, эта точка, теперь будет находиться где-то между двумя объектами. А сами они оказываются неуравновешенными. По мере удаления от планеты сила притяжения уменьшается, а центробежная возрастает, и их равнодействующая направлена в сторону от планеты, оттягивая спутник от нее. И наоборот, по мере приближения к планете разность этих сил притягивает к ней спутник.

В итоге объект, движущийся на более низкой орбите с большей скоростью, тащит другой за собой подобно буксиру. При этом импульс более удаленного от планеты объекта увеличивается за счет импульса спутника, ближайшего к ней. Поскольку спутники стремятся разойтись в противоположные стороны, привязь всегда остается натянутой. Более того, регулируя ее длину, можно тем самым регулировать и параметры движения объектов на орбите, не тратя на это ни грамма топлива.

И это еще не все.

Если станцию и спутник связать тросом, проводящим электричество, образуется электродинамическая связка, которая может работать и как электрический генератор. Ведь при движении проводника в магнитном поле нашей планеты на заряженные частицы действует электродинамическая сила, перпендикулярная направлению движения и магнитному полю. При перемещении, например, связки с востока на запад в магнитном поле Земли, расположенном с юга на север, на электроны в проводнике привязи будет действовать сила, направленная от Земли.

Таким образом, можно не только корректировать орбиту, но и получать электроэнергию. Ведь привязь обменивается электронами с ионосферой и, захватывая свободные электроны у положительно заряженного конца (анода или коллектора), испускает их у отрицательно заряженного (катода или эмиттера), имеющего заряд. Ионосфера, проводящая электричество, замыкает цепь, и возникает непрерывный ток, который может служить источником энергии для бортовых систем. Скажем, низкоорбитальный спутник с привязью длиной в 20 км сможет генерировать мощность около 40 кВт — этого достаточно для работы научного оборудования и систем жизнеобеспечения на станции.

Расчеты были в свое время подкреплены экспериментами. Так, еще в 70-х годах прошлого века Марио Гросси из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже и Джузеппе Коломбо из Падуанского университета в Италии впервые начали изучать возможности космической ЭДС в опытах. Их поддержали другие исследователи, и всего за прошедшие десятилетия в космос было запущено более полутора десятков экспериментальных устройств с тросами различной длины.

В первых связках тефлоновый чулок полностью изолировал проводящую часть привязи, а анодом служил большой проводящий шар. Однако такие аноды оказались неэффективными коллекторами электронов. Тогда в 90-х годах прошлого века НАСА и Итальянское космическое агентство запустили два спутника с 20-км привязью, в которых электроны собирал металлический шар.

Однако и здесь исследователи столкнулись с рядом трудностей. Отрицательный заряд, скапливающийся вокруг большого сферического анода, тормозит прибывающие электроны подобно тому, как узкая дверь создает толчею, когда люди спешат покинуть помещение.

На схеме (слева) показано, как можно получать ток из тросовой системы. Схема справа показывает, как можно использовать ток для управления движением спутника.

Решением проблемы может стать применение «голой» привязи, имеющей геометрию тонкого цилиндра. Если привязь оставить неизолированной по всей длине, за исключением входа на станцию, она будет собирать электроны практически по всей длине. Привязь может и не быть круглой в сечении: такой же ток способна собирать тонкая лента, которая намного легче и прочнее.

Все электродинамические системы могут увеличивать или уменьшать орбитальную скорость. Ведь в магнитном поле на провод с током действует сила, направление которой определяется известным правилом правой руки. Скажем, если связка перемещается по низкой околоземной орбите с запада на восток, то электроны в привязи двигаются к Земле и эта сила направлена навстречу орбитальному движению аппарата. Поэтому электродинамическая система испытывает сопротивление движению, подобному аэродинамическому, которое и понижает орбиту системы.

Данное обстоятельство может заинтересовать специалистов, занимающихся очисткой околоземного пространства от космического мусора. Сегодня вокруг Земли обращается несколько тысяч объектов, космических аппаратов и спутников, из которых около 1500 имеют массы 100 кг. Аэродинамическое торможение способствует постепенному понижению орбит до тех пор, пока тела не сгорают в плотных слоях атмосферы. Однако на орбитах с высотами порядка 1000 км бесполезные уже спутники могут просуществовать около 2000 лет… А вот если запущенный спутник имеет трос, который может быть развернут к концу срока его работы, то снижение произойдет намного раньше.

Напротив, если подать в такую систему ток, скажем, от солнечных батарей, то получится своеобразный электродинамический двигатель, который можно использовать для перевода полезных грузов с низкой орбиты на более высокую. Но вернемся к космическим электростанциям.

Магнитная ионосфера Юпитера, как и земная, вращается вместе с планетой. Она простирается на 35 800 км от Земли и на 88 500 км над верхней границей облачного слоя Юпитера. А стало быть, здесь тоже, спустив с зонда длинный трос, можно обеспечить работу бортовой аппаратуры бесплатной электроэнергией. Кроме того, электромагнитными силами можно будет и корректировать параметры орбиты зонда.

Эта идея заинтересовала сотрудников НАСА и Европейского космического общества. Сейчас они прорабатывают технические тонкости данного проекта. Так что не исключено, в скором будущем юпитерианские исследовательские зонды начнут работать «на привязи».

А некоторые исследователи даже полагают, что к середине нынешнего века орбитальные электростанции смогут снабжать энергией и наземных потребителей, перебрасывая ее по микроволновому лучу.

К. АНДРЕЕВ

Схема движения тросовой системы в ионосфере Земли.

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

ГОЛОДНЫЕ ЖИВУТ ДОЛЬШЕ. Открытие, способное значительно продлить срок жизни человека, сделано учеными из Массачусетского технологического института. Оказалось, что в экстремальных ситуациях сильного голода организм млекопитающих и в том числе человека начинает вырабатывать особый протеин. Он раскрывает существующий для кризисных условий потенциал биологического организма. И, в частности, создает физиологические условия для продления срока жизни по меньшей мере на 50 процентов.

Ранее подобный механизм был обнаружен в дрожжах. Теперь опыты на мышах подтвердили его универсальный характер. Как оказалось, в условиях длительной нехватки пищи живые организмы перестраивают свою работу таким образом, чтобы все подчинить одной задаче — прожить как можно дольше. Именно в этот момент начинает работать ген, который в обычных условиях обилия пищи «спит».

В свете сказанного американские ученые обещают уже в самом ближайшем времени создать технологию, которая позволит продлить человеческую жизнь до 180 лет. А пока они советуют желающим самим активизировать «протеин жизни», используя умеренное голодание.