Текст книги "Юный техник, 2009 № 09"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 5 страниц)

ЖУРНАЛ «ЮНЫЙ ТЕХНИК»
_{НАУКА ТЕХНИКА ФАНТАСТИКА САМОДЕЛКИ}
№ 9 сентябрь 2009

Популярный детский и юношеский журнал.

Выходит один раз в месяц.

Издается с сентября 1956 года.

КУРЬЕР «ЮТ»
Фестиваль роботов

В мае во Дворце спорта Московского государственного университета приборостроения и информатики (МГУПИ) состоялся очередной XI Всероссийский фестиваль «Мобильные роботы-2009». На фестивале побывали и наши специальные корреспонденты Станислав ЗИГУНЕНКО и Александр ИЛЬИН.

Вот что они там увидели и узнали.

Фестивали молодежи «Мобильные роботы» проводятся с 1998 года. В них участвуют не только отечественные, но и зарубежные команды. Так, в этом году своих роботов выставили представители Франции, Южной Кореи и Туниса. Должна была прибыть еще команда из Мексики, но ситуация со свиным гриппом помешала ребятам.

Всякий раз фестиваль включает в себя не только собственно соревнования мобильных роботов, но и научную школу-конференцию, показательные выступления роботов, демонстрацию новейших робототехнических систем и комплексов, а также турнир по компьютерному футболу.

Команда МГУПИ, который готовит специалистов в области приборостроения, робототехники, защиты информации и других, была победителем в 2007 и 2008 годах, поэтому подобные соревнования для них – дело привычное. Согласно регламенту команда, победившая на прошлых соревнованиях, становится организатором следующего тура. Сами же соревнования проводятся в несколько этапов.

Каждая команда может выставить несколько видов роботов. Самые простые из них – роботы-футболисты.

Робот-футболист – это тележечка размерами примерно 15x15 см и высотой около 10 см. Команды управления подаются со стандартного игрового пульта по про– водам. Задача такого робота – затолкать шарик корпусом в ворота противника.

Обычно в спортивном зале МГУПИ проводятся тренировки и соревнования по волейболу, баскетболу и мини-футболу. В данном же случае все пространство было отдано энтузиастам робототехники.

Построение команд перед началом соревнований.

Ну, а поскольку перед роботом противника стоит та же задача, на игровом поле, огражденном бортиками, то и дело происходят стычки роботов между собой. В этой игре есть свои хитрости. Например, видя, что столкновение с противником неизбежно, игрок закручивает своего робота, словно волчок, с таким расчетом, чтобы он углом ударил по Шарику, а тот, отразившись от бортика, попал в ворота противника. На следующей ступеньке по сложности стоят роботы-сумоисты. Их главная задача – вытолкнуть противника за пределы круга, очерченного на игровом поле.

Но это все, так сказать, игрушки. Перед настоящими спортивными роботами стоят задачи сложнее. Выставляемые по очереди на полигон, роботы должны самостоятельно пройти по определенному маршруту за минимальное время. В следующей попытке задача усложняется: робот должен двигаться по маршруту, четко останавливаясь на светофоре при красном свете. А когда загорится зеленый, определить, куда ему лучше двигаться – вперед или, скажем, налево. И наконец, в третьей попытке роботу предстоит одолеть самую настоящую полосу препятствий, лавируя между препятствиями, разбросанными на его пути.

Все ошибки, а также время прохождения дистанции фиксируют судьи. Команда набирает или теряет баллы, сумма которых в конечном итоге и определяет победителя.

Об условиях соревнований нам рассказали ребята из команды AJIKO («Алюминиевая колесница») Московского института электроники и математики.

По словам капитана команды Руслана Семенова, он и его друзья – Михаил Овчинников и Игорь Долгий – новички в данном виде соревнований и готовились к ним всего полтора месяца.

– Конечно, этого мало, – сказал Руслан. – Обычно на подготовку уходит года полтора, а самые опытные команды выступают одним и тем же составом года три-четыре.

Девушки в золотистых костюмах – это группа поддержки МГУПИ, выступившая с оригинальной танцевальной программой.

Вот так выглядит подготовка спортивного робота к старту.

Так что ребята и не надеялись занять призовое место; их первоочередная задача – накопление боевого опыта. Зато представители команды «Зоркий» – хозяева нынешних соревнований, понятное дело, были настроены повторить свои успехи. И для этого у них имелись определенные предпосылки.

Во-первых, опыт соревнований у них не маленький.

Во-вторых, солидная подготовка позволяет не только составлять оптимальные программы поведения роботов, но и обкатывать их не только на спортивных, но и на экспериментальных роботах.

Взять хотя бы робота-змею, который способен пролезть в любую щелку.

– Такая конструкция выбрана специально, чтобы робот мог быть использован, например, при спасательных работах после землетрясений, когда под завалами домов могут оставаться люди, – пояснил нам студент МГУПИ Сергей Рязанов.

Этот робот обладает еще и завидной выносливостью. При собственной массе 1,5 кг он способен нести до 10 кг полезного груза – видеокамер, инфракрасных датчиков, аппаратуры связи. А при необходимости робот-змея способен доставить пострадавшему воду, еду и медикаменты. Повышенную проходимость роботу обеспечивают множество колес, расположенных, не только снизу, но и по бокам, и даже сверху.

Еще один экспериментальный робот – «Иванушка-1» задумывался поначалу как своего рода игрушка, рассказал нам студент четвертого курса кафедры ИТ-7 МГУПИ Дмитрий Орлов. Но по ходу дела выяснилось, что конструкция, для которой ребята разработали собственное компьютерное обеспечение, оригинальную конструкцию микроконтроллеров и даже придумали особый язык программирования, позволяющий быстро вносить изменения в программу, годится и для более серьезных дел.

– Сейчас мы собираемся установить на «Иванушку» видеокамеру, и он получит возможность наблюдать окружающую обстановку и реагировать на ее изменения, – сказал Дима. Это значит, что прототип «Иванушка-2» сможет быть не просто игрушкой, но и исполнять конкретные обязанности – например, сторожа, дворника или официанта.

Матчи роботов-футболистов проходят на специальном столе, огражденном по краям бортиками.

В перерыве соревнований для журналистов была проведена пресс-конференция, на которой ректор института – доктор технических наук, профессор Игорь Владимирович Голубятников и другие организаторы фестиваля ответили на вопросы журналистов.

Ведущие специалисты страны полагают, что подобные соревнования дают возможность приобщиться к современной робототехнике студентам и школьникам нашей страны и их сверстникам из других государств.

Не случайно студентами и аспирантами МГУПИ выставлено 197 экспонатов на различных выставках, 172 из них были удостоены различных медалей и дипломов. Институт активно сотрудничает с исследовательскими лабораториями США, Канады, Франции, Словении, Китая. В общем, не случайно 2009 год на территории стран СНГ объявлен не только Годом молодежи, но еще и Годом науки и инноваций.

Р.S.К сказанному остается добавить, что по итогам соревнований команда МГУПИ снова заняла первое место. Поздравляем!

ИНФОРМАЦИЯ

СПАСЕНИЕ С НЕБА. Мэр Москвы Юрий Лужков, как известно, является еще известным пчеловодом и изобретателем. Его очередное изобретение касается проблемы спасения утопающих.

«Хотя известная российская поговорка и гласит, что спасение утопающих – дело рук самих утопающих, – заявил Юрий Михайлович, – лучше все-таки к этому делу привлекать профессионалов».

В ближайшем будущем спасение на водах, по мнению Ю.М. Лужкова, должно выглядеть таким образом. Над прудом или прибрежной зоной озера или моря на небольшой высоте барражирует небольшой спасательный дирижабль. С его борта пилот и спасатель-наблюдатель внимательно осматривают акваторию. Заметив утопающего, дирижабль зависнет прямо над ним. Спасатель прыгает в воду, а пилот спускает с борта трос с подвесной системой. Дело спасателя – прикрепить утопающего к тросу. Затем спасаемый будет буквально выдернут из воды и за несколько минут доставлен на берег, где его уже будет поджидать вызванная по радио «Скорая помощь». Спасатели-профессионалы своей оценки идее пока не дали.

ДОМ ДЛЯ СЕВЕРА. Юный техник Даниил Бибнев из города Усолье-Сибирское Иркутской области по совету своего учителя Юрия Рябченко вот уже два года занимается проектированием дома, который даже в условиях Сибири будет расходовать примерно втрое меньше топлива, чем обычно. В системе водяного отопления дома Даниил предлагает использовать вихревой обогреватель с очень высоким КПД, а саму систему водяного отопления предлагает сделать двойной – трубу с горячей водой он предлагает помещать внутри другой трубы большего диаметра, чтобы общая площадь отдачи тепла была таким образом существенно увеличена.

ПЛАВУЧАЯ АЭС УЖЕ СТРОИТСЯ. На Балтийском заводе в Петербурге начался монтаж первой в мире плавучей АЭС. Работы были перенесены сюда из Северодвинска не случайно. Здесь имеется лучшее оборудование для таких работ, нежели на Северной Двине.

Кроме прославленных питерских корабелов, в проекте принимают участие сотрудники Ижорского завода, где строят корпуса для реакторов, и СКБ машиностроения имени Африкантова, где готовят комплектующие узлы для реакторных установок. По плану, в конце 2012 года первая АЭС будет готова. Это будет несамоходная баржа длиной 144 и шириной 30 метров, в корпусе которой установят два реактора – аналоги тех, что были уже испробованы на атомных ледоколах.

По мнению начальника отдела проектирования ядерных реакторов КБ Дмитрия Бученко, такие АЭС будут работать в районах Севера и Дальнего Востока, куда невыгодно завозить обычное топливо. А учитывая, что станция может снабжать население не только электричеством и теплом, но и пресной водой – до 400 000 тонн в сутки, – подобными конструкциями уже заинтересовались и представители других государств. В особенности тех, где проблема пресной воды уже сегодня стоит достаточно остро.

Работать станция может 38 лет – три периода по 12 лет и время, необходимое для перезарядки ядерных реакторов.

ЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКА
Поле против силы

В фантастических фильмах довольно часто можно увидеть, как в случае опасности звездолет окружает себя защитным силовым полем, непроницаемым для ракет и снарядов противника. Интересно, а можно ли создать такое поле в действительности? Делают ли такие попытки специалисты?

Андрей Сумароков, г. Нижний Новгород

Спасибо Фарадею!

Начнем с прописных истин: знанием о том, что в природе существуют силовые поля, мы обязаны знаменитому английскому физику Майклу Фарадею. Во всех учебниках описано сделанное им в 1831 году открытие. Пронося постоянный магнит над проволочной рамкой, он заметил по отклонению стрелки гальванометра, что в рамке возникает электрический ток.

Заинтересовавшись этим явлением, Фарадей, по существу, и создал современную электротехнику. Ведь все современные электрогенераторы и моторы работают на основе открытого им закона электромагнитной индукции.

За прошедшие с той поры полтора с лишним столетия ученые выяснили, что, кроме открытых Фарадеем электромагнитных сил, в природе существуют еще так называемые сильные и слабые взаимодействия, проявляющие себя на сверхмалых расстояниях внутри атомного ядра, а также сила тяготения, или гравитация, которая, напротив, может проявлять себя на сверхбольших, астрономических расстояниях.

Сильное и слабое взаимодействия в качестве силового поля не подходят из-за своего малого радиуса действия. О гравитации тоже пока говорить трудно. Во-первых потому, что сегодня мы все еще практически ничего не знаем о физической сущности гравитации, хотя со времени открытия закона всемирного тяготения соотечественником Фарадея Исааком Ньютоном тоже лет миновало немало. Во-вторых, как справедливо подчеркнул Ньютон, гравитация – это сила притяжения; это она притягивает небесные тела друг к другу. Нам же нужна в данном случае сила отталкивания, то есть антигравитация, о которой мы знаем еще меньше…

В общем, получается, надеяться нам остается лишь на электромагнитные силы. О них и поговорим.

От электростатики к динамике

Из школьного курса физики известно, что электрические заряды бывают двух видов – положительные и отрицательные. Причем заряды одного знака взаимно отталкиваются, в то время как заряды противоположных знаков взаимно притягиваются.

Этим свойством давно пользуются в ускорителях элементарных частиц, заставляя их, эти самые частицы, как правило, имеющие тот или иной заряд, направляться точно в заранее выбранное место, например, в мишень.

Но можно, в принципе, решить и обратную задачу – отгонять элементарные частицы от мишени. Стало быть, задача создания защитного силового поля могла бы быть решена, стреляй противник заряженными частицами. Но ракеты и снаряды отвратить от цели куда сложнее. Тем не менее, можно.

Суть такой динамической защиты можно понять опять-таки из школьного опыта. Вспомните, что будет, если внутрь катушки-соленоида с обмоткой вставить металлический сердечник. Стоит подать импульс тока – и сердечник вылетает из катушки, словно из пушки.

Кстати, подобные электромагнитные орудия еще до Второй мировой войны предлагал инженер Александр Казанцев, прославившийся впоследствии своими фантастическими произведениями. Но, если гвозди из соленоида с силой попадали в деревянные мишени, то все попытки перенести эксперименты на полигон, а тем более на поле боя и по сей день кончаются ничем.

На самом деле, оказывается, в комплекте вместе с электромагнитной пушкой надо иметь еще целую электростанцию для зарядки батареи сверхмощных конденсаторов, которые затем и разряжаются в доли секунды, формируя сверхмощный импульс.

Такая технология еще худо-бедно годится для посылки, например, снарядов на Луну (подробности см. в «ЮТ» № 3 за 2009 г.). Но создать защитный силовой экран вокруг танка, самолета или космического корабля она вряд ли поможет. Хотя, впрочем, первые попытки создания электромагнитной защиты для танков все же ведутся. Но опять-таки эксперименты пока еще не вышли за пределы полигона.

Обратимся к плазме

В тех же фантастических фильмах иногда можно видеть, как звездолеты при включении силового поля окутываются неким голубоватым сиянием. Так кинематографисты хотят наглядно показать, что создание защитного поля может быть связано с образованием облака плазмы.

Плазма – это четвертое состояние вещества, которое отличается от твердого, жидкого и газообразного тем, что атомы в плазме не связаны между собой и лишены электронов. Кстати, видимое вещество Вселенной существует по большей части как раз в форме плазмы; из нее состоят Солнце, звезды и межзвездный газ.

В данном же случае для нас интересно то, что атомы, лишенные электронов, обладают электрическим зарядом. А стало быть, ими можно управлять при помощи электромагнитных полей. Так, например, в термоядерных реакторах типа «токамак» именно с помощью таких полей плазме стремятся придать форму тонкого кольцевого шнура, из которого потом собираются черпать энергию.

Таким образом, плазму можно удерживать в определенном объеме и придать ей нужную форму. К примеру, плазме можно придать форму листа. Этим, кстати, уже пользуются на практике. Так в 1995 г. физик Эдди Гершкович из Брукхейвенской национальной лаборатории (Лонг-Айленд, штат Нью-Йорк) придумал так называемое «плазменное окно».

Понадобилось оно ему вот для чего. В некоторых областях промышленности, например в ракетной, наряду с обычной электрической или газовой сваркой применяется и электронная, когда две металлические детали соединяют между собой, нагревая их края пучком электронов. Такой способ сваривать металлы быстрее, чище и дешевле, чем обычная сварка. Но есть у него и недостаток – электронную сварку необходимо осуществлять в вакууме. Иначе в сварной шов тут же попадают примеси из окружающего воздуха и качество соединения резко ухудшается.

В общем, такой сваркой удобно пользоваться в условиях космического вакуума, но весьма проблематично на Земле. Приходится помещать свариваемые части изделия в вакуумную камеру. Ну, а. если ведется сварка дюз огромной ракеты, значит, получается, и вакуумная камера должна быть соответствующих размеров?..

И тогда Гершкович пошел на хитрость. Он предложил изолировать от атмосферы только ту часть свариваемого изделия, где сварка ведется как раз в данный момент. А для этого прикрыть данный фрагмент своеобразным «плазменным флюсом». При обычной сварке, как известно, именно флюс, плавясь, прикрывает непроницаемой для воздуха коркой место сварки. А тут роль флюса выполняет плазма, которую получают в плазмогенераторе – устройстве около 1 м в высоту и порядка 30 см в диаметре. Внутри его газ нагревается до температуры 6500 °C, и получается плазма, которая сразу же попадает в ловушку электромагнитного поля и обволакивает место сварки. При этом частицы плазмы, как и любого газа, оказывают давление, которое не дает воздуху прорваться к месту сварки, и обеспечивают надлежащее качество сварного шва.

Но можно ли использовать плазменный «щит» против ударов ракет и снарядов? По идее, не так сложно представить себе некий генератор плазмы, который будет формировать сильную струю, которая заставит взрываться и плавиться летящие ракеты и снаряды еще на подлете к цели.

Но для работы такого генератора опять-таки понадобится немалое количество энергии. Кроме того, плазменное поле как разновидность электромагнитного более действенно против тел, имеющих электрический заряд. Такой заряд довольно просто навести в металле.

Но что будет, если кому-то в голову придет идея вспомнить старое?.. Некогда стреляли каменными ядрами, а в XXI веке можно стрелять, например, снарядами с керамическими наконечниками…

Придется, видимо, подумать о многослойной защите. Возможно, каждый слой сам по себе не будет достаточно прочным, чтобы остановить пушечное ядро, но вместе они сделают это достаточно эффективно.

Невидимая броня в несколько слоев

Попробуем же представить себе структуру такого силового поля. Первый, внешний, слой, к примеру, может представлять собой нечто вроде плазменного щита, где плазма разогрета до температуры, достаточной для испарения металлов. Затем следует второй слой, представляющий собой решетку из высокоэнергетических лазерных лучей. Она будет испарять те объекты (скажем, керамические стержни), которые прорвались через первую линию обороны.

Далее – третий рубеж защиты, представляющий собой пространственную решетку из «углеродных нанотрубок». Такие трубки во много раз прочнее стали.

Пока самая длинная из полученных в мире углеродных нанотрубок имеет длину всего около 15 мм, но, вероятно, в будущем технологи смогут создавать углеродные нанотрубки произвольной длины и плести из них сети чрезвычайной прочности. Эти сети будут вылавливать те объекты, которые смогут проникнуть через два предыдущих рубежа защиты.

Экран из нанотрубок будет невидим, так как каждая отдельная нанонить по толщине сравнима с атомом. А значит, ей будет свойственен один недостаток – она не сможет задерживать лазерное излучение. Поэтому, чтобы остановить лазерный луч, наш многослойной щит должен будет обладать еще и сильно выраженным свойством фотохроматичности, или переменной прозрачности.

В наши дни материалы с такими характеристиками используются при изготовлении солнечных очков. Переменная прозрачность материала достигается за счет использования молекул, которые могут существовать, по крайней мере, в двух состояниях. При одном состоянии молекул такой материал прозрачен. Но под воздействием УФ-излучения молекулы мгновенно переходят в другое состояние, и материал теряет прозрачность. Примерно на том же принципе действуют и очки, предохраняющие глаза военных пилотов и солдат пехоты от слепящего лазерного излучения. Так что со временем, вероятно, можно будет создавать и целые экраны из фотохромного стекла, способные противостоять самому сильному лазерному излучению.

Но есть ведь еще микроволновое, рентгеновское и терагерцовое излучения, над защитой от которых еще придется подумать. Так что в силовом щите неизбежно появление все новых и новых слоев. Таким образом, извечное противоборство «меча и щита» будет продолжено, только на новом физическом уровне.

Публикацию подготовил С. НИКОЛАЕВ

СОЗДАНО В РОССИИ
Всем лазерам лазер

Новый инструмент науки удостоился особого упоминания в обзорном докладе президента РАН Юрия Осипована майском общем собрании Академии наук России. «Учеными Института химии высокочистых веществ и Центра волоконной оптики впервые в мире получена технология получения кварцевых световодов, легированных висмутом, созданы лазеры, излучающие в диапазоне 1300–1500 нанометров», – сказал академик Юрий Осипов.

Почему эти лазеры специально выделены среди множества других квантовых генераторов? Об этом мы попросили рассказать одного из разработчиков, директора Центра волоконной оптики, академика Евгения Дианова.

Сегодня через океанские линии связи с континента на континент передаются со скоростью 1 терабит в секунду телепрограммы, телеграммы и телефонные переговоры, информация Интернета… Казалось бы, огромная пропускная способность волоконных кабелей на многие годы обеспечит нам беспрепятственную передачу всевозможных сведений. Однако на самом деле глобальный поток информации удваивается каждый год. Так что вскоре ныне существующие каналы связи перестанут справляться. Что делать?

Надо уплотнять передачу данных, увеличивать скорость передачи информации. Добиться передачи 100 терабит в секунду можно с помощью расширения спектральной области передачи сигналов. В настоящее время используется лишь довольно узкая часть спектра шириной около 80 нанометров. И нужно этот диапазон значительно расширить.

Загвоздка лишь в том, что низкие потери светового сигнала в волокне получаются лишь на определенных частотах. Один из таких диапазонов лежит в промежутке 1300–1500 нанометров. Однако беда в том, что для него до недавнего времени не существовало ни волоконных линий связи, ни лазеров-передатчиков, ни усилителей, которые бы могли работать в таком диапазоне.

Недавно появилась работа японца Фуджимото Накасуко, который теоретически показал, что если легировать оптическое стекло висмутом, то возникает люминесценция как раз в интересующем нас диапазоне частот. Однако у самих японцев дела далеко не пошли. В экспериментах у них получалась недостаточная полоса свечения.

Но мы все-таки рискнули и сделали лазер на висмутовом стекле. А когда он заработал, нашли и способ заставить его функционировать во всем диапазоне 1300–1500 нанометров.

Висмут – весьма своеобразный химический элемент. Он очень чувствителен к составу стекла, к температуре его обработки. Так что нам пришлось немало повозиться, прежде чем были достигнуты первые успехи. Тем не менее, все трудности преодолены. И сегодня мы обладаем технологией, которая позволяет нам создать целое семейство висмутовых лазеров нужного диапазона.

Новые квантовые генераторы могут осуществить прорыв в самых разных областях науки и техники. Например, они весьма перспективны не только в технике связи, но и в медицине. Вторая гармоника висмутового лазера дает желтое излучение длиной 580 нанометров. А оно весьма благотворно может быть использовано в офтальмологии, дерматологии и некоторых других областях медицины.

Как только мы опубликовали статью о возможности получения желтых лазеров, к нам тут же пришло сообщение из Японии. «Мы готовы покупать у вас 100 таких лазеров ежегодно», – говорится в нем.

Вместе с сотрудниками Физического института имени П.Н. Лебедева нам удалось также получить лазер с излучением синего цвета (длина волны 470 нанометров) с накачкой электронным пучком. Таких лазеров тоже не было раньше. А это открывает новые возможности, например, для передачи высококачественного цветного телеизображения.

Публикацию подготовил В. БЕЛОВ