Файл: Проектный облик перспективного малого космического аппарата с маршевой электроракетной двигательной установкой Власенков Е. В. 1.pdf

1
Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 68
www.mai.ru/science/trudy/
УДК 629.78
Проектный облик перспективного малого космического
аппарата с маршевой электроракетной двигательной установкой
Власенков Е.В.
1*
, Комбаев Т.Ш.
1*
, Крайнов А.М.
2**
, Черников П.С.
1*
,
Шаханов А.Е.
2***
1
Научно-Производственное Объединение им. С. А. Лавочкина Калужский филиал, ул.
Октябрьская, 17, г. Калуга, 248000, Россия
2
Научно-Производственное Объединение им. С. А. Лавочкина, ул. Ленинградская, 24,
г. Химки, Московская область, 141400, Россия
*
e-mail: npo-lavochkina@yandex.ru
**
e-mail: krainov@laspace.ru
***
e-mail: shakhanov@laspace.ru
Аннотация
В данной работе определен проектный облик МКА с ЭРДУ, оценены параметры служебных систем, предложен возможный состав научной аппаратуры для МКА, а так же выявлены первостепенные проблемы, с которыми столкнутся разработчики МКА.
Проработка МКА проведена с учѐтом попутного выведения, в качестве конечной цели перелѐта с ЭРДУ выбрана Луна. На аппарате предполагается провести отработку ряда новых решений и при этом обеспечить выполнение актуальной научной задачи.
Ключевые слова:
малый космический аппарат, электроракетная двигательная установка, проектный облик, исследования Луны, состав бортовой аппаратуры
1.Постановка задачи и обзор аналогов
В условиях быстрого развития микроэлектроники сфера задач решаемых малыми космическими аппаратами растѐт с каждым днѐм. В настоящее время малые космические аппараты (МКА) решают различные научные и прикладные задачи, используются они и в качестве межпланетных научных космических аппаратов (КА) – малая масса позволяет вывести их на высокоэнергетические орбиты и использовать в качестве маршевых

2 двигательных установок двигатели малой тяги (электроракетные двигательные установки
(ЭРДУ)).
С самого начала космической эры использование маршевых ЭРДУ на межпланетных
КА широко исследовалось. Множество теоретических работ посвящено баллистическим исследованиям доказывающим эффективность ЭРДУ в сравнении с двигательными установками других типов при решении определѐнного круга задач. В современной космонавтике ЭРДУ нашли широкое применение в системах коррекции ориентации КА, преимущественно они используются на КА большой массы с мощной системой электроснабжения. Лидером по применению ЭРДУ на КА в нашей стране является ОАО
«ИСС им. М.Ф. Решетнѐва». В настоящее время актуальность создания малой платформы с маршевой ЭРДУ приобретает всѐ большую значимость, поскольку современные научные аппараты создаются для решения широкого круга задач [1]. Данную платформу можно использовать не только в качестве базового модуля межпланетных МКА, но и для околоземных МКА, назначение которых предполагает работу на различных орбитах. В мире существовало несколько КА использующих в качестве маршевого двигателя ЭРДУ (рисунок
1-4), большинство из них попадает по классификации в раздел малых аппаратов, на многих отрабатывались новые решения и технологии.
Рисунок 1 - КА Deep Space-1 (m = 374 кг, P = 2.5 кВт, Запуск – 1998 г., США)

3
Рисунок 2 - КА Hayabusa (m = 510 кг, P = 2.6 кВт, Запуск – 2003 г., Япония)
Рисунок 3 - КА Smart-1 (m = 367 кг, P = 1.9 кВт, Запуск – 2003 г., Европа)
Рисунок 4 - КА Dawn (m = 725 кг, P = 2.6 кВт, Запуск – 2007 г., США)
В данной работе определен проектный облик МКА с ЭРДУ, оценены параметры служебных систем, предложен возможный состав научной аппаратуры, а так же выявлены

4 первостепенные проблемы, с которыми столкнутся разработчики такого МКА. Стоит отметить, что МКА прорабатывался с учѐтом попутного выведения, а в качестве конечной цели перелѐта с ЭРДУ выбрана Луна. На аппарате предполагается провести отработку ряда новых решений и при этом обеспечить выполнение актуальной научной задачи.
Луна и окололунное космическое пространство занимают важное место в космических исследованиях [2]. Что вполне понятно и оправданно. Луна - ближайшее к нашей планете небесное тело Солнечной системы. Естественно, что Луна и явилась первоначальным объектом изучения с помощью средств космической техники, так как далеко не все ее характеристики можно определить только наземными способами наблюдений и исследований.
Поиск воды (водяного льда) на поверхности Луны в районе ее полюсов, в кратерах, где никогда не бывает солнечного света, является одной из приоритетных задач лунных исследований. Наличие или отсутствие воды на естественном спутнике Земли во многом определяет стратегию и пути малых и крупных задач, решение которых не требует значительных материальных затрат и принципиально реализуемо существующими на сегодняшний день научно-техническими средствами.
Данные исследования целесообразно проводить с помощью радиолокационного зондирования методом пассивной или активной радиолокации. Зондирование методом активной радиолокации в диапазоне 35-40 МГц позволит исследовать структуру подповерхностных слоев грунта планеты до глубин порядка несколько сотен метров.
Зондирование методом пассивной (бистатической) радиолокации позволит определить распределение плотности пород лунного грунта на глубине до 1 км в видимой с Земли части
Луны. Аппаратуру для данных исследований можно разместить на малом космическом аппарате. А наличие ЭРДУ на МКА позволит провести исследования на разных орбитах.
Стоит отметить, что исследование Луны методом бистатической локации ещѐ не проводились и их реализация представляла бы высокую научную значимость.
В качестве комплекса научной аппаратуры (КНА) в части глубинного зондирования лунного грунта методом активной радиолокации был выбран локатор, работающий в диапазоне 35-40 МГц с глубиной проникновения в сотни метров с конструкцией двух лепестковой антенны в виде мелкоячеистой сетки на тыльной стороне солнечных батарей.
Так же в состав КНА входит базовый бортовой сенсор накопленной дозы для изучения изменения ионизирующего фона близ МКА и спектрометр галактических космических лучей
ГАЛС-ВО для изучения потоков протонов энергией более 600 Мэв.

5
Рассматривается перелет МКА под действием силы тяги ЭРДУ с начальной орбиты искусственного спутника Земли (ОИСЗ), на которую МКА выводится в качестве попутной полезной нагрузки. В качестве схемы перелета МКА с маршевой ЭРДУ были выбраны следующие этапы [3]:

компланарный межорбитальный перелет МКА из перицентра начальной околоземной высокоэллиптической орбиты (круговая H = 42164 км, i = 51.4°) на промежуточную круговую ОИСЗ;

перелет с промежуточной ОИСЗ в коллинеарную точку либрации L1 системы Земля-
Луна;

перелет из L1 на конечную круговую, полярную ОИСЛ с высотой 100 км.
В качестве ЭРДУ был выбран КМ-60 (мощность 670 Вт, тяга 36 мН, удельный импульс 1716 с, ресурс 4100 часов), установленный в двухстепенном подвесе.
Состав космического комплекса, проектный облик МКА с маршевой ЭРДУ,
основные характеристики
1.1 Состав космического комплекса
Создаваемый космический комплекс предназначен для решения следующих задач:

подготовка и осуществление старта;

выведение космического аппарата на заданную орбиту;

проведение траекторных измерений;

прием и анализ поступающей телеметрической информации о состоянии бортовых систем МКА с маршевой ЭРДУ;

проведение измерений с использованием научных приборов, установленных на космическом аппарате.
В состав космического комплекса должны входить:

МКА с маршевой ЭРДУ;

головной обтекатель;

ракета-носитель;

технический комплекс;

стартовый комплекс;

наземный сегмент системы управления полѐтом.

6 1.2 Проектный облик МКА с маршевой ЭРДУ и основные характеристики
В результате анализа поставленных перед МКА целевых задач, а также рассмотренных конструктивно-компоновочных схем, был принят принцип модульно- блочного построения аппарата, как наиболее соответствующий требованиям оптимизации и унификации одновременно.
Такое решение основывается на том, что КА, разработанный на этом принципе, имеет высокие массово-энергетические характеристики, а блоки и модули, составляющие аппарат, обладают значительной степенью автономности и могут быть использованы в составе космических аппаратов, предназначенных для решения широкого круга задач.
Одна из основных целей упомянутой идеологии построения – обеспечение перехода от создания уникальных единичных изделий с длительным циклом разработки и изготовления к технологии ускоренного и экономичного производства малоразмерных КА, содержащих в своем составе максимальное количество унифицированных функционально законченных модулей. При этом при рассмотрении вопросов унификации должны рассматриваться вопросы унификации как конструктивного исполнения и систем в целом, так и интерфейсов, протоколов сопряжения, алгоритмов управления, элементной базы, технологических процессов изготовления, стандартов обеспечения качества, методов экспериментальной отработки, испытаний и приемки.
Современные служебные системы для МКА должны быть построены на основе отказоустойчивого модульно-магистрального принципа с единой коммутационной средой.
Также необходимо обеспечить высокую скорость разработки систем, простоту тестирования и испытаний систем, отказоустойчивость к спецфакторам, быстродействие системы, малый вес, размер и энергопотребление системы в целом.
МКА с маршевой ЭРДУ состоит из космической платформы (КП) и комплекса научной аппаратуры (КНА).
Исходя из задач, предъявляемых к функционированию МКА, аппаратуру КП можно разделить по функциональному назначению на следующие системы, группы приборов и элементы конструкции.
1.2.1 Бортовой комплекс управления (БКУ)
В состав БКУ входят:

бортовой вычислительный комплекс – ЦВМ-25 (АНО «НТИЦ ТехКом») состоит из двух полукомплектов, неактивная половина работает в горячем резерве. Предыдущая

7 версия вычислительной машины проходит лѐтную квалификацию в качестве полезной нагрузки на аппарате Ямал;

адаптеры связи (АНО «НТИЦ ТехКом») выполняющие функции системы электроавтоматики под управлением ЦВМ-25. Каждый адаптер связи состоит из двух одинаковых полукомплектов, переключение которых осуществляется по командам из
ЦВМ 25. Предварительный список и назначение адаптеров связи: АС-01 – устройство управления коммутацией приборов БКУ и КНА; АС-02 – устройство управления системой обеспечения теплового режима (СОТР) и антенно-фидерной системой
(АФС); АС-03 – устройство управления приводом солнечных батарей; АС-04 – устройство управления приводом ЭРДУ; АС-05 – устройство управления газовыми двигателями разгрузки двигателей маховиков, подрывом пиротехники и опросом телеметрии элементов конструкции.

командно-измерительные приборы: a) оптический солнечный датчик – 347К (ОАО «НПП Геофизика-Космос») – 2 прибора; b) звездный датчик – Астрол-12 (ЗАО «НПО Лептон») – 2 прибора; c) бесплатформенный инерциальный блок БИБ (ОАО «НПО ИТ») – 1 прибор.

исполнительные органы: a) двигатели-маховики ДМ-1-10 (ОАО «НПЦ Полюс») – 4 прибора; b) газовые двигатели ГД50 – разгрузка двигателей маховиков по каналу крена и построения ориентации и стабилизации в некоторых режимах – 12 штук; c) механизм ориентации ЭРДУ – обеспечивает прохождение вектора тяги двигателя
КМ-60 через центр масс МКА и разгружает ДМ по каналам тангажа и рыскания –
ОАО «ОКБ Факел»; d) приводы солнечной батареи.

запоминающее устройство;

бортовое программное обеспечение.
1.2.2 Бортовой радиокомплекс (БРК)
Бортовой радиокомплекс предназначен для:

приема командно-программной информации от наземной станции (НС), декодирования, дешифрации и передачи принятой информации в БКУ и систему электроснабжения (СЭС);

8

передачи научной информации и телеметрической информации на НС;

приема цифровой телеметрической и научной информации от телеметрической системы (ТМС) и КНА, формирование общего информационного потока, формирования кадров передачи и передачи их на НС.
В состав БРК входит антенно-фидерная система (АФС) состоящая из антенн Х- диапазон – двух средненаправленных антенн на основе коммутации разнонаправленных излучателей и двух малонаправленных антенн. Основные параметры БРК представлены в таблице 1. таблица 1
Наименование параметра
Значение параметра
Диапазон рабочих частот:

приѐмника

передатчика
7145-7235 МГц
8400-8500 МГц
Дальность радиосвязи: от 200 до 400 000 км
Скорость передачи ТМИ, КПИ при вероятности ошибки на бит 10
-5
Не менее 25 кбит/с
Мощность ПРД не более 10 Вт
Масса не более 4 кг
1.2.3 Телеметрическая система (ТМС)
Телеметрическая система предназначена для решения следующих задач:

сбор информации с сигнальных и аналоговых датчиков;

сбор информации с цифровых датчиков;

приѐм управляющих сигналов от БКУ;

запоминание ТМИ в виде ТМ-кадров в запоминающем устройстве;

воспроизведение ТМИ из запоминающего устройства и формирование кадров ТМИ с передачей в БРК.
1.2.4 Электроракетная двигательная установка (ЭРДУ)
В состав ЭРДУ входят:

9

двигательный блок на основе стационарного плазменного двигателя КМ-60, который содержит два модуля регулирования расхода, двигатель при этом размещается на подвижной части механизма ориентации ЭРДУ;

блок хранения ксенона композитный шаробаллон объемом 42 л, массой – 13 кг; внешним диаметром – 450 мм;

блок клапанов (БКЛ), соединяющих ЭРДУ с блоком хранения ксенона;

блок управления расходом (БУР);

блок подачи ксенона в анод (БПК-АМ) двигателя на маршевом режиме;

блок подачи ксенона в катод (БПК-К) двигателя;

блок подачи ксенона в анод (БПК-АК) двигателей на режиме разгрузки двигателей маховиков;

межблочные трубопроводы;

блок подачи ксенона в газовые двигатели ГД50 (БПК-ГД).
1.2.5 Система обеспечения теплового режима (СОТР)
В состав МКА с маршевой ЭРДУ входят активные и пассивные средства теплового регулирования. К активным средствам относятся электронагреватели, к пассивным средствам относятся:

экранно-вакуумная теплоизоляция теплоизоляция (ЭВТИ);

тепловые сотопанели (с тепловыми трубами);

калиброванные термосопротивления (термические развязки);

калиброванные термооптические характеристики поверхностей.
Для поддержания аппаратуры в требуемых диапазонах температур предлагается устанавливать ее на тепловые сотовые панели (ТСП). С помощью тепловых труб размещенных внутри ТСП тепловые потоки распределяются по всей ТСП и направляются на внешнюю сторону ТСП, которая имеет специальное термооптическое покрытие, позволяющее излучать в космос поступающие потоки тепла. Тепло, выделяемое аппаратурой с помощью тепловых труб, распределяется по поверхности ТСП и затем излучается в космос.
1.2.6 Система энергоснабжения (СЭС)
В состав СЭС входят:

комплекс автоматики и стабилизации (КАС) – ОАО "НПЦ "Полюс";

10

система преобразования и управления (СПУ) КМ-60 – выбор СПУ обусловлен использованием одного ЭРДУ КМ-60. В настоящее время в НПЦ «Полюс» разработана СПУ-КР, позволяющее управление двумя КМ-60. Для использования в состав МКА с целью уменьшения массы СПУ-КР подвергается минимальной модификации;

аккумуляторные батареи (АБ) – две литий-ионные аккумуляторные батареи 6ЛИ-25 производства ОАО «Сатурн», суммарная номинальная разрядная емкость 50 А·ч, диапазон рабочего напряжения от от 16.2 до 24.6 В;

батареи солнечные (БС), основные характеристики приведены в таблице 2:
Таблица 2
Наименование
Значение характеристики
Срок активного существования (САС), лет
3
Выходная мощность в конце САС, Вт
1309
Количество створок в панели
3
Общая солнечной батареи, м
2 4.61
Масса фотопреобразователей (ФП), кг
Масса кабельной сети, кг
6.8 1.9
Тип ФП
Трехкаскадные из арсенида галлия на германиевых подложках типа 3G30C с
КПД

25%
Поставщик ФП
ОАО «Сатурн» (г. Краснодар)
Также в состав космической платформы входит бортовая кабельная сеть (БКС) и элементы конструкции.
1.3 Конструктивно-компоновочная схема МКА с маршевой ЭРДУ
В соответствии с модульно-блочной структурой построения МКА конструкция платформы также предусматривает модульное построение. Основным конструктивно- силовым элементом платформы является негерметичный приборный контейнер - прямоугольный параллелепипед, бескаркасно собранный из отдельных модулей, представляющих собой трехслойные сотопанели, состоящие из углепластиковых обшивок повышенной теплопроводности и алюминиевого сотозаполнителя, с предусмотренными посадочными местами для установки целевой или служебной аппаратуры [4] (рисунки 5-14).