Проекты

Модель первой русской подводной лодки

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Машиностроение, транспорт» среди работ учащихся 7–9 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа имени Маршала В.И. Чуйкова
Предметы: Физика, Информатика
Классы: 9 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Первая подводная лодка была построена в России при Петре I. Её создатель – плотник казённой верфи Ефим Прокопьевич Никонов. Первая модель «Потаённого судна» прошла испытания летом 1721 г.

Никто до этого момента не делал уменьшенную рабочую модель «Потаённого судна», мотивируя сделать это первым.

Цель

Создать работающую модель подводной лодки на основе «Потаённого судна» Ефима Никонова.

Задачи

  1. Разработать этапы моделирования подлодки.
  2. Определить механизм её работы (погружения, всплытия, движения).
  3. Создать декоративную модель судна. Смоделировать макет функционального модуля подводной лодки.
  4. Провести опыты с моделью.
  5. Придать функциональному модулю исторический облик.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Плата Arduino Nano,
  • Источник питания Li-ion
  • 3 двигателя насоса
  • Балластная цистерна
  • Персональный компьютер с установленным ПО: Arduino IDE, Autodesk Inventor
  • 3D-принтер

Описание

Этапы работы над проектом

1 этап. Подготовка к созданию модели

Подбор материалов для изготовления модели: пластиковый корпус с крышкой, шприц, грузики, клей. Дополнительные компоненты: программный модуль управления Arduino, источник питания, 3 двигателя, сервопривод.

Инструменты: ножовка, дрель, линейка, отвёртка, наждачная бумага, напильник, клеевой пистолет, шуруповёрт.

2 этап. Основной. Создание модели

Состав и схема размещения внутренних компонентов модели:

в дне проделать отверстие, равное диаметру трубки шприца, вставить трубку, сделать отверстия под выход проводов для двигателей. Подключить все компоненты к источнику питания и сделать герметичным место между крышкой отсека и внешним пространством.

Ко дну корпуса с помощью изоленты прикрепить груз, он будет при погружении подводной лодки тянуть её ко дну. Механизация работы движения подводной лодки с использованием электродвигателя и сервоприводов.

Источником питания (ИП) модели служит литий-полимерный аккумулятор, соединённый с программным модулем управления Arduinо, управляющим всеми компонентами.

Погружение и всплытие подлодки осуществляется с помощью забора воды в балластную цистерну (БЦ). По закону Архимеда, чтобы тело полностью погрузилось в воду, его вес должен равняться весу вытесненной им воды. Для погружения подлодка принимает балласт – воду – в цистерну. Для всплытия балласт продувается: вода вытесняется из цистерны сжатым воздухом. Мотор управляет шпилькой, которая накручивает на себя гайку, прикреплённую к поршню. Направление движения шпильки задаёт соответствующее направление поршню.

Программный модуль, источник питания и балластная цистерна заключены в герметичный корпус. Из корпуса выходят только провода к двигателю и штуцер БЦ. Такой корпус можно сделать из пластиковой банки с закручивающейся крышкой.

Подводный ход лодки (поступательное и вращательное движение в горизонтальной плоскости) реализуется за счёт работы миниатюрных насосов.

Внутренняя часть корпуса подводный лодки с механизмом, обеспечивающим её движение.

3 этап. Испытание модели

Для испытания модели была наполнена ёмкость объёмом приблизительно 15 литров. Испытание длилось 4 минуты. Видеозапись проведённого эксперимента представлена по ссылке https://www.youtube.com/watch?v=QnXnPBtjP-k&t=60s

Результаты работы/выводы

Итогом работы стала модель «Потаённого судна».

  1. Реализована система погружения и всплытия подводной лодки, основанная на балластной цистерне.
  2. Напечатан внешний корпус модели v.1.0.
  3. Корпус сбалансирован с помощью грузов.
  4. Алгоритм движения подлодки реализован на базе модуля управления Arduino.
  5. Движение подлодки в горизонтальной плоскости создаётся за счёт миниатюрных насосов.
  6. Концепция устройства подлодки в целом работоспособна. Выявлена проблема герметизации модели.

Перспективы использования результатов работы

Модель является выставочным объектом и будет экспонатом в музее.

Проект является заказом музея Санкт-Петербурга «Петровская Акватория».

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Исторический музей-макет «Петровская Акватория»

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа

Балтийский научно-инженерный конкурс – призёр