CC BY
327
УДК 269.783
Вестник СибГАУ Том 17, № 1. С. 118-124
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ УНИФИЦИРОВАННЫЕ ПЛАТФОРМЫ МАЛОГО КЛАССА
И. И. Зимин*, М. В. Валов, А.В. Яковлев
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: [email protected]
Рассмотрены результаты разработки перспективных платформ малого класса, а также малые космические аппараты (МКА), создаваемые на их базе. Целью работы является создание серии унифицированных платформ, в полной мере отвечающих мировым тенденциям развития космической техники и современным техническим требованиям. Унифицированные платформы предназначены для дальнейшей установки и адаптации на них полезной нагрузки и обеспечения её всеми условиями для штатного функционирования и выполнения поставленных перед МКА задач. Проектирование МКА на базе перспективных унифицированных платформ, обладающих определённой степенью универсальности, в состав которых входит неизменная базовая конструкция и отработанная аппаратура бортовых обеспечивающих систем, ведет к сокращению времени разработки и снижению стоимости изготовления и запуска МКА.
Серия базовых унифицированных платформ разрабатывается АО «ИСС» совместно с ООО «НПЦ «МКА» и включает в себя три унифицированные платформы: НТ-50, НТ-100 и НТ-400. Каждая из платформ семейства НТ отличается высокими техническими характеристиками и новыми конструктивно-компоновочными решениями. Серия перспективных негерметичных платформ предназначена для создания на их базе новейших МКА различного целевого назначения, таких как МКА связи, ДЗЗ, научно-экспериментальные и технологические МКА. Бортовые системы платформ построены на приборах и оборудовании, произведенных в Российской Федерации. МКА на базе платформ семейства НТ смогут выводиться на низкую круговую орбиту функционирования как одиночным запуском (в том числе и попутным), так и групповым запуском в составе блока из нескольких МКА.
Ключевые слова: малый космический аппарат, МКА, космическая платформа, платформа.
Vestnik SibGAU Vol. 17, No. 1, P. 118-124
ADVANCED UNIFIED MICRO SERIES PLATFORMS
I. I. Zimin*, M. V. Valov, A. V. Yakovlev
JSC "Information satellite systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected]
The paper presents the results of designing the advanced micro series space platforms and the small satellites created on their basis. The objective of this scientific work is creation of the series unified space platforms, which will fully comply with the world trends of space technology progress and the current technical requirements. The unified platforms are intended to subsequent payload mounting and adaptation on them and providing all conditions for the payload required for operation and performance of the small satellite objectives. The small satellites designing based on advanced unified platforms featuring the certain versatility, which includes the permanent-type basic design and the proven equipment of on-board subsystems, results in reducing development time and cost of manufacturing and launch of the small satellite.
Series of basic unified space platforms is developed in JSC "Information satellite systems" named after academician M. F. Reshetnev" in common with R&P Small Satellites Center LLC and includes three unified platforms - NT-50, NT-100 and NT-400. Each platform from NT series features the high technical performances and the new engineering solutions. Series of advanced unpressurized space platforms is intended to creation of the new small satellites for different purposes on their basis, such as communication small satellites, the Earth remote sensing small satellites, research and development and technological small satellites. Space platform on-board subsystems are based on devices and equipment manufactured in the Russian Federation. The small satellites based on platforms from NT series could be launched into low circular operational orbit by single launch (including concurrent launch), as well as by tandem launch as part of several small satellites unit.
Keywords: small satellite, spacecraft, space platform.
Введение. В настоящее время космические технологии находят все более широкое применение во всех областях человеческой деятельности. Растущие потребности в использовании космической техники в различных сферах требуют создания все более совершенных космических аппаратов (КА), способных решать всевозможные задачи.
Особенно актуальным в последнее время стало создание малых космических аппаратов (МКА), это связанно с рядом преимуществ МКА перед большими КА.
С точки зрения разработки, создания и запуска спутника малая масса обеспечивает ряд преимуществ экономического характера.
Одним из этих преимуществ является рентабельный запуск. Вывод спутника на орбиту требует значительной части средств от общей стоимости проекта. Цена рассчитывается, исходя из высоты орбиты, веса спутника, стоимости ракеты-носителя (этот параметр зависит не только от класса - тяжелые, средние и легкие РН, но и от страны-изготовителя).
Вывод аппаратов малой массы осуществляется на низкие орбиты с помощью более дешевых средств легкого или среднего класса, в том числе российских конверсионных ракет, предназначенных для утилизации путем запуска с полезной нагрузкой. Кроме того, часто малые спутники запускаются не поодиночке, а целой группой в составе блока из нескольких МКА, что удешевляет себестоимость запуска одного аппарата. Также возможен «попутный запуск» в качестве сопутствующей нагрузки к большому спутнику.
Еще одним преимуществом МКА перед большими КА являются сжатые сроки создания (1-3 года вместо 5-10 лет). Сокращение производственного цикла связано с узкой специализацией спутника, использованием серийных компонентов, унифицированных платформ, традиционных конструкторских и технологических требований к разработке, созданию, запуску и эксплуатации. Сжатые сроки создания способствуют скорейшему возврату инвестиций.
Еще одним плюсом МКА является ценовая привлекательность. Процесс создания малого спутника, предназначенного для решения серьезных прикладных задач, таких как ДЗЗ, нельзя назвать дешевым, в данном случае в названии концепции уместно заменить термин «дешевый» на «недорогой». Тем не менее, цена аналогичного большого спутника оказывается в разы больше.
В настоящее время тренд развития больших спутников идет по пути реализации максимальных характеристик по основным потребительским параметрам одновременно. Для малых КА разработчики не стремятся реализовать предельные характеристики сразу по всем направлениям, а сосредоточиваются на одном или нескольких из этих параметров, реализуя коммерчески привлекательный для потребителей МКА [1; 2].
Для создания современных малых космических аппаратов различного целевого назначения в достаточно сжатые сроки целесообразно использовать унифицированные космические платформы (УКП).
Проектирование спутника с использованием УКП, обладающей определённой степенью универсальности, в состав которой входит неизменная базовая кон-
струкция и отработанная аппаратура бортовых обеспечивающих систем, ведет к сокращению времени разработки и снижению стоимости изготовления и запуска МКА.
УКП предназначена для дальнейшей установки и адаптации на ней полезной нагрузки (ПН) и обеспечения её всеми условиями для штатного функционирования и выполнения поставленных перед МКА задач [3-9].
Семейство перспективных космических платформ негерметичного конструктивного исполнения обеспечит создание на их базе малых космических аппаратов различного целевого назначения со стартовой массой от 40 кг (на базе платформы НТ-50) до 400 кг (на базе платформы НТ-400). Бортовые системы платформ построены на приборах и оборудовании, произведенных в Российской Федерации.
Семейство платформ НТ разрабатывается АО «ИСС» в кооперации с ООО «НпЦ «МКА - СибГАУ» и включает в себя три вида космических платформ -НТ-50, НТ-100 и НТ-400.
Каждая из вышеперечисленных платформ подходит для создания на ее базе МКА различного целевого назначения. Далее рассмотрим подробно каждую платформу из семейства НТ, а также перспективные МКА на их базе.
Космическая платформа НТ-50. Унифицированная космическая платформа негерметичного конструктивного исполнения НТ-50 служит для создания на ее базе МКА со стартовой массой от 40 до 80 кг. Данная платформа подходит для создания МКА научно-экспериментального и технологического назначения. Платформа имеет в своем составе грубую трехосную систему ориентации и стабилизации (СОС) на базе магнитометра и трех электромагнитных устройств, способную обеспечивать точность ориентации по каждой из осей ±10°. Использование такого построения СОС значительно уменьшает стоимость платформы. Космическая платформа НТ-50 подходит для проведения научных экспериментов, отработки новейшей аппаратуры, квалификации перспективных приборов, а также для образовательных целей [10-12].
Кроме того, простота построения, малый вес и сжатые сроки создания платформы делают ее привлекательной для небольших частных организаций и образовательных учреждений.
Основные технические характеристики платформы НТ-50 показаны в табл. 1.
В настоящее время на базе платформы НТ-50 создается малый космический аппарат. В задачи МКА будет входить проведение ряда экспериментов, обеспечение летной квалификации платформы и отработка перспективных приборов. Запуск МКА запланирован в 2017 г.
Внешний вид платформы НТ-50 показан на рис. 1.
Космическая платформа НТ-100. Космическая платформа НТ-100 предназначена для создания на ее базе МКА массой от 130 до 220 кг. В данной платформе применена активная трехосная система ориентации и стабилизации, основной контур которой построен на базе звездных датчиков и управляющих
двигателей-маховиков. Такое техническое решение позволяет использовать космические аппараты на базе платформы НТ-100 для решения задач высокоточной съёмки поверхности Земли в различных
Основные технические хара
оптических и радиодиапазонах, а также производить, в случае необходимости, перенацеливание спутника для съёмки объектов, не охватываемых подспутниковой полосой обзора [13-14].
Таблица 1
еристики платформы НТ-50
Характеристика Значение
Масса платформы, кг 30
Масса, выделяемая для полезной нагрузки, кг До 50
Пиковая мощность, Вт 90
Средневитковая мощность, Вт 30
Конструктивное исполнение Негерметичное
Система ориентации и стабилизации: тип ориентации точность ориентации по трем осям, град Трехосная активная ±10
Система электропитания: напряжение питания бортовой аппаратуры, В 27,0 ± 0,5
Бортовые радиолинии: КИС, кбит/с СРЛ (Б-Ьада), кбит/с 2,5 2x32
САС КА на базе платформы, лет 1-3
Средства выведения Выведение на любом типе РН, в том числе и попутной нагрузкой
Рис. 1. Космическая платформа НТ-50
В состав платформы входит СТР на базе тепловых труб и электрообогревателей, которая предназначена для поддержания в требуемых диапазонах температуры расположенных в приборных отсеках блоков служебной и целевой бортовой аппаратуры, а также для обеспечения теплового режима ряда приборов, устройств и элементов конструкции, расположенных вне приборных отсеков, на всех этапах функционирования.
В состав системы электропитания (СЭП) входят арсенид-галиевые фотопреобразователи, литий-ионная аккумуляторная батарея (АБ) и автоматика СЭП. Система электропитания обеспечивает непре-
Основные технические хара]
рывное питание бортовой аппаратуры МКА на базе платформы постоянным током на всех этапах функционирования.
Также платформа имеет в своем составе систему коррекции на базе термокаталитической двигательной установки, что позволяет обеспечить САС аппаратов на базе платформы не менее 5 лет на низкой круговой орбите высотой 450 км.
Основные технические характеристики платформы показаны в табл. 2.
Внешний вид платформы НТ-100 в стартовом и рабочем положении показан на рис. 2.
Таблица 2
фистики платформы НТ-100
Характеристика Значение
Масса платформы, кг 120
Масса, выделяемая для полезной нагрузки, кг 100
Пиковая мощность, выделяемая для полезной нагрузки, Вт 120
Конструктивное исполнение Негерметичное
Система ориентации и стабилизации: тип ориентации точность ориентации, град: - крен - тангаж - рыскание точность стабилизации с погрешностью по каждой из осей, град/с Трехосная активная ±0,08 ±0,08 ±0,08 0,0004
Система электропитания: напряжение питания бортовой аппаратуры, В 27 ± 0,5
Система коррекции тип ДУ тип топлива масса топлива Термокаталитическая Гидразин 8 кг
Бортовые радиолинии: командная целевая 10 Мбит/с 2x120 Мбит/с
САС КА на базе платформы, лет 5
Средства выведения РКН «Старт-1», РН «Союз-2 1В», РН «Ангара-1.2»
Космическая платформа НТ-400. Унифицированная космическая платформа НТ-400 создается с целью построения на ее базе малых космических аппаратов массой до 400 кг, способных решать широкий спектр задач:
- обеспечение различных видов связи;
- наблюдение поверхности Земли, сбор данных о космическом пространстве;
- проведение научных и экспериментальных работ;
- выполнение всевозможных задач в интересах Министерства обороны.
В основу разработки платформы положен принцип максимальной преемственности с более ранними разработками платформ АО «ИСС» в части использования приборов и конструктивных решений.
Бортовые системы платформы НТ-400 построены на приборах и оборудовании, произведенных в Российской Федерации. Платформа обеспечивает создание космических аппаратов со стартовой массой до 400 кг, при этом масса полезной нагрузки составляет не менее 50 % от общей массы спутника, что полностью соответствует мировым аналогам.
В платформе применена активная трехосная система ориентации и стабилизации, основной контур которой построен на базе звездных датчиков и управляющих двигателей-маховиков. Такое техническое решение позволяет использовать космические аппараты на базе платформы НТ-400 для решения задач высокоточной съёмки поверхности Земли, а также производить, в случае необходимости, перенацеливание спутника для съёмки объектов, не охватываемых подспутниковой полосой обзора.
Крылья солнечных батарей имеют возможность изменять угол относительно корпуса платформы, что
позволяет использовать платформу для создания КА, работающих на низких круговых орбитах с любым наклонением.
Также платформа имеет в своем составе систему коррекции на базе термокаталитической двигательной установки, что позволяет обеспечить САС аппаратов на базе платформы не менее 5 лет.
Для обеспечения оперативности доставки информации на наземные комплексы приема платформа НТ-400 имеет в своем составе межспутниковую линию связи с КА-ретранслятором типа «Луч».
Основные технические характеристики платформы показаны в табл. 3 [15].
Платформа обеспечивает возможность одиночного и группового выведения МКА на низкие орбиты на различных типах РН легкого, среднего и тяжелого классов.
Космическая платформа НТ-400 позволит в максимально сжатые сроки при относительно небольшой стоимости создавать МКА различного целевого назначения:
- МКА связи;
- МКА в интересах Министерства обороны;
- МКА ДЗЗ в интересах различных заказчиков (таких как министерства и ведомства РФ, исполнительные органы власти в регионах РФ, управляющие структуры и субъекты экономической деятельности, региональные центры космических услуг и информационно-аналитические центры, предприятия горнодобывающей промышленности, сельского, лесного и рыбных хозяйств и т. д.).
Внешний вид платформы НТ-400 в рабочем положении показан на рис. 3.
Таблица 3
Основные технические характеристики платформы НТ-400
Характеристика Значение
Масса платформы, кг 170
Масса, выделяемая для полезной нагрузки, кг До 230
Пиковая мощность, выделяемая для полезной нагрузки, Вт До 385
Собственное средневитковое энергопотребление АБ платформы, Вт 150
Конструктивное исполнение Негерметичное
Система ориентации и стабилизации: тип ориентации точность ориентации по трем осям, град точность стабилизации, град/с: - по тангажу и крену - по развороту скорость перенацеливания платформы, град/с Трехосная активная 0,05 0,0005 Не более 0,01 2
Система электропитания: напряжение питания бортовой аппаратуры, В 27,0 ± 0,5
Система коррекции: тип ДУ тип топлива масса топлива, кг Термокаталитическая Гидразин 8
Бортовые радиолинии: КИС (Б-Ьалф СРЛ (Х-Ьадё) МКА - КА Р (КА-Ьадё) 32 кбит/с 2x150 Мбит/с 300 Мбит/с
САС КА на базе платформы, лет 5
Рис. 3. Космическая платформа НТ-400 в рабочем положении
Заключение. Унифицированные космические платформы серии ИТ могут быть использованы для создания малых космических аппаратов стартовой массой от 40 до 400 кг в обеспечение решения всевозможных целевых задач, таких как задачи связи, ДЗЗ, научно-экспериментальные и исследовательские. Использование перспективных платформ серии ИТ в качестве унифицированной космической платформы сможет сократить время создания МКА и существенно снизить его стоимость. Кроме того, бортовые системы платформ серии ИТ построены на приборах и оборудовании, произведенных в Российской Федерации, что является важным фактором в современной геополитической ситуации.
Библиографические ссылки
1. Звездин И. А. Малые космические аппараты: перспективы рынка [Электронный ресурс]. URL: http://www.telenir.net/transport_i_aviacija/vzlyot_2005_0 1/p75.php. (дата обращения: 28.10.2013)
2. Dan Ward. Faster, Better, Cheaper Revisited: Program Management Lessons from NASA // Defense AT&L. 2010. Р. 48-52.
3. Чеботарев В. E., Косенко В. E. Основы проектирования космических аппаратов информационного обеспечения : учеб. пособие / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2011. 488 с.
4. Чеботарев В. E. Проектирование космических аппаратов систем информационного обеспечения. В 2 кн.
Кн. 2. Внутреннее проектирование космического аппарата / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2005. 168 с.
5. Чеботарев В. Е. Проектирование космических аппаратов систем информационного обеспечения : учеб. пособие. В 2 кн. Кн. 1. Внешнее проектирование космического аппарата / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2004. 132 с.
6. Гущин В. Н. Основы устройств космических аппаратов : учебник для вузов М. : Машиностроение, 2003. 272 с.
7. Туманов А. В., Зеленцов В. В., Щеглов Г. А. Основы компоновки бортового оборудования космических аппаратов : учеб. пособие. М. : Изд-во Моск. гос. техн. ун-та им. Н. Э. Баумана, 2010. 344 с.
8. Технология производства космических аппаратов : учебник / Н. А. Тестоедов [и др.] ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2009. 352 с.
9. Алексеев К. Б. Управление космическими летательными аппаратами. М. : Машиностроение, 1974. 343 с.
10. Малый космический аппарат «Михаил Решет-нев». Результаты работы / И. И. Зимин [и др.] [Электронный ресурс] // Труды МАИ. 2013. № 65. URL: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=35908 (дата обращения: 19.01.2016).
11. Малый космический аппарат «Михаил Решет-нев». Результаты работы / И. И. Зимин [и др.] // Авиация и космонавтика - 2012. : 11-я Междунар. конф. (13-15 нояб. 2012, г. Москва). СПб. : Мастерская печати, 2012. С. 97.
12. Зимин И. И., Валов М. В., Яковлев А. В. Перспективная универсальная платформа микрокласса // Инновационный арсенал молодежи : труды пятой науч.-техн. конф. / ФГУП «КБ «Арсенал» ; Балт. гос. техн. ун-т. СПб, 2014. С. 115-117.
13. Перспективная унифицированная платформа HT-100-01 / И. И. Зимин [и др.] // Актуальные проблемы создания космических систем дистанционного зондирования Земли : тезисы докладов III Междунар. науч.-техн. конф. М. : ОАО «Корпорация «ВНИИ-ЭМ», 2015. С. 15-17.
14. Зимин И. И., Валов М. В. Разработка малого космического аппарата дистанционного зондирования Земли [Электронный ресурс] // Труды МАИ. 2015. № 81. URL: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php? ID=57807 (дата обращения: 19.01.2016).
15. Зимин И. И, Валов М. В., Яковлев А. В. КА ДЗЗ на базе универсальной платформы НТ-400 // Актуальные вопросы проектирования автоматических космических аппаратов для фундаментальных и прикладных научных исследований / сост. В. В. Ефанов. Химки : ФГУП «НПО имени С. А. Лавочкина», 2015. С. 86-89.
References
1. Zvezdin I. A. Malye kosmicheskie apparaty: perspektivy rynka [Small spacecraft: market prospects]. (In Russ.) Available at:http://www.telenir.net/transport_i_ aviacija/vzlyot_2005_01/p75.php. (accessed 28.10.2013).
2. Dan Ward. Faster, Better, Cheaper Revisited. Program Management Lessons from NASA. Defense AT&L, 2010 (March-April). Р. 48-52.
3. Chebotarev V. E., Kosenko V. E. Osnovy proektirovaniya kosmicheskikh apparatov informatsion-nogo obespecheniya [Fundamentals of designing information support spacecrafts]. Krasnoyarsk, SibSAU Publ., 2011, 488 p.
4. Chebotarev V. Е. Proektirovanie kosmicheskikh apparatov sistem informatsionnogo obespecheniya. Kn. 2: Vnutrennee proektirovanie kosmicheskogo apparata. [Designing spacecraft information support systems. Vol. 2: The internal design of the spacecraft]. Krasnoyarsk, SibSAU Publ., 2005, 168 p.
5. Chebotarev V. Е. Proektirovanie kosmicheskikh apparatov sistem informatsionnogo obespecheniya. Kn. 1: Vneshnee proektirovanie kosmicheskogo apparata. [Designing spacecraft information support systems: Vol. 1: The external design of the spacecraft]. Krasnoyarsk, SibSAU Publ., 2004, 132 p.
6. Gushchin V. N. Osnovy ustroystv kosmicheskikh apparatov [Spacecrafts design fundamentals], Moscow, Mashinostroenie Publ., 2003, 272 p.
7. Tumanov A. V., Zelentsov V. V., Shcheglov G. A. Osnovy komponovki bortovogo oborudovaniya kosmi-
cheskikh apparatov [Fundamentals of spacecraft on-board equipment lay-out], Moscow, Izd-vo Mosk. gos. tekhn. un-ta im. N. E. Baumana Publ., 2010, 344 p.
8. Testoedov N. A., Mikhnev M. M., Mikheev A. E. Tekhnologiya proizvodstva kosmicheskikh apparatov [Spacecraft manufacturing technology], Krasnoyarsk, Sib. gos. aerokosmich. un-t Publ., 2009, 352 p.
9. Alekseev K. B. Upravlenie kosmicheskimi letatel'nymi apparatami [Control of space aircraft]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1974, 343 p.
10. Zimin I. I., Valov M. V., Yakovlev A. V., Galochkin S. A. [Small satellite "Mikhail Reshetnev. Results of operations]. Trudy MAI, 2013, No. 65 (In Russ.). Available at: http://www.mai.ru/science/trudy/ published.php?ID=35908 (accessed 19.01.2016)
11. Zimin I. I., Valov M. V., Yakovlev A. V., Galochkin S. A. [Small satellite "Mikhail Reshetnev. Results of operations]. 11-ya Mezhdunarodnaya konferentsiya "Aviatsiya i kosmonavtika — 2012". Tezisy dokladov. [11th International Conference "Aviation and Cosmonautics - 2012" (13-15 November 2012, Moscow). Abstracts]. SPb., Masterskaya pechati Publ., 2012, P. 97 (In Russ.).
12. Zimin I. I., Valov M. V., Yakovlev A. V. [Perspective unified micro class platform] Innovatsionnyy arsenal molodezhi: trudy pyatoy nauch.-tekhn. konf. [Innovative arsenal of youth: proceedings of the fifth scientific and engineering. Conf.]. SPb. FGUP "KB "Arsenal", Balt. gos. tekhn. un-t Publ., 2014, P. 115-117 (In Russ.).
13. Zimin I. I., Valov M. V., Yakovlev A. V., Popov V. V. [Perspective unified platform "NT-100-01"]. Tezisy dokladov Tret 'ey mezhdunarodnoy Nauchno-tekhnicheskoy konferentsii "Aktual'nye problemy sozda-niya kosmicheskikh sistem distantsionnogo zondirovaniya Zemli". [Scientific conference abstracts of the Third International Scientific-Technical Conference "Actual problems of development of space systems for remote sensing of the Earth"]. Moscow, 2015, P. 15-17 (In Russ.).
14. Zimin I. I., Valov M. V. [Designing the small satellite for the Earth observation]. Trudy MAI, 2015, No. 81 (In Russ.). Available at: http://www.mai.ru/science/ trudy/published.php?ID=57807 (accessed 19.01.2016).
15. Zimin I. I, Valov M. V., Yakovlev A. V. [Spacecraft for the Earth observation based on the space platform NT-400]. Aktual'nye voprosy proektirovaniya avtomaticheskikh kosmicheskikh apparatov dlya fundamental'nykh i prikladnykh nauchnykh issledovaniy. [Topical issues of designing unmanned spacecraft for fundamental and applied research / compiled by V. V. Efanov. Khimki. FSUE "NPO named after S. A. Lavochkin]. Khimki, 2015, P. 86-89 (In Russ.).
© Зимин И. И., Валов М. В., Яковлев А. В., 2016
