12. Мятишкин Г.В. Космический аппарат гидрометеорологического назначения "Метеор"

>> К списку публикаций >> К содержанию сборника

УДК 669:78

Мятишкин Г.В.

Научный руководитель - доцент Тимшин В.Т.

XXI век можно по праву считать веком космических технологий. В перспективах развития космических систем можно выделить два крупных направления:

- фундаментальные исследования космологических, физических и химических процессов небесных тел и вселенной в целом, их формирования и эволюции;

- решение прикладных задач обеспечения человеческой жизнедеятельности.

В рамках этих направлений уже в настоящее время жизнь диктует необходимость разработки качественно новых программ, реализация которых будет осуществляться в XXI веке.

Анализ тенденций развития космических технологий показывает, что одним из наиболее перспективных путей их совершенствования является применение малых космических аппаратов (МКА) и систем на их основе. По оценкам зарубежных специалистов затраты на изготовление малых космических аппаратов в 5-10 раз меньше (за килограмм полезной нагрузки) по сравнению с крупными космическими аппаратами. Следует отметить и ещё одно положительное качество МКА, связанное со сроком исполнения этих работ. Как показывает практика проектирования, срок реализации проектов не превышает 2-3 лет.

Понятие малый космический аппарат характеризует не только качественное понятие малой массы, стоимости и многотипности космического аппарата (КА), но и является результатом перехода научно-технического прогресса на более высокую ступень развития, характеризующуюся организацией на новом техническом уровне процессов проектирования, изготовления, испытаний, запуска и обеспечения функционирования.

Переход к малым космическим аппаратам продиктован объективной реальностью, складывающейся в последние годы, а именно:

- широкое внедрение прогрессивных материалов в конструкциях КА;

- совершенствование технологий и образцов элементной базы, что обеспечивает снижение массо-габаритных характеристик, энергопотребления;

- внедрение новых технологий создания КА и средств выведения на основе модульности построения, унификации, негерметичности КА.

Экономическая эффективность и возможность быстрого тиражирования позволяет использовать МКА в качестве “полигонов отработки” ключевых элементов космической техники, а также проведения исследований и экспериментов в космосе, отработки новых космических технологий. Использование МКА возможно и в такой области космических исследований, как дистанционный мониторинг Земли.

В настоящей работе рассматривается назначение и устройство спроектированного гидрометеорологического космического аппарата “Метеор”, рис. 1, входящего в состав системы мониторинга Земли: “Ресурс-Метеор”. Целевой задачей проектируемого КА является ряд прикладных задач дистанционного мониторинга Земли. В задачи КА входит сбор информации об изменениях природной среды; прогнозирование возможных землетрясений; исследование циклонических изменений воздушных масс; изучение ледовой обстановки в бассейнах рек, морей, океанов; сбор метеорологической информации для нужд народного хозяйства и заинтересованных служб и организаций.

Рис. 1. Космический аппарат “Метеор”

Спроектированный КА имеет следующие характеристики:

- высота рабочей солнечно-синхронной круговой орбиты -900км;

- масса КА -1310кг;

- срок активного существования 7 лет.

В работе по проектированию КА “Метеор” использованы наиболее перспективные направления по созданию автоматических систем дистанционного зондирования. Конструкция КА выполнена по модульному принципу и имеет два отсека: 1) - отсек полезной нагрузки (ОПН); 2) - отсек обеспечивающих систем на базе универсальной космической платформы (УКП).

Такое представление конструкции КА позволило рационально планировать массовую сводку каждого из отсеков. Составной принцип построения КА из отдельно проработанных и сопрягаемых отсеков позволяет повысить надежность и эффективность работы основных систем КА. Элементная база УКП и ОПН подобраны на основе последних разработок организаций - смежников в области создания МКА.

При проектировании КА определена и подобрана специальная аппаратура (СпА), в соответствии с требованиями на формат и объем получаемой и передаваемой целевой и оперативно-управляющей информации подобраны основные элементы системы управления и передачи данных. Установлена БЦВМ и запоминающее устройство (ЗУ) надлежащего быстродействия и емкости. В целях повышения скорости передачи информации с КА на наземные пункты приема информации (НППИ) установлена высокоскоростная радиолиния. В целях коммерческого использования целевой информации на КА установлены антенны, передающие целевую информацию как на отечественные, так и на зарубежные НППИ.

СпА и обеспечивающая аппаратура в работе потребляют достаточно большое количество электроэнергии и выделяют ее в виде тепла. Для обеспечения КА энергопитанием в систему электропитания включена раскладная солнечная батарея (СБ) и буферная аккумуляторная батарея. Площадь СБ рассчитана из условия работоспособности (при наличии деградации) в течение 10 лет, при предполагаемом сроке активного существования 7 лет. Такой запас заложен из соображений возможного продления срока существования КА или работы в течение всего срока пассивного спуска и возможных нештатных ситуаций в полете. Система терморегулирования КА построена раздельно для ОПН и УКП. Такое техническое решение позволяет повысить надежность системы обеспечения терморегулирования (СОТР) КА, поскольку СОТР ОПН (или СОТР УКП) может в случае нештатной ситуации брать тепловую нагрузку УКП (или ОПН) на себя. Такая перекладка работы может осуществляться либо автоматически, либо по команде с Земли. Панели СБ в походном положении находятся в сложенном состоянии. Панели СОТР ОПН раскладываются при выводе КА на рабочую орбиту. При этом раскладываются две панели из шести, а остальные панели конструктивно расположены на внешних поверхностях ОПН над вынесенными блоками СпА. Такое расположение панелей СОТР позволяет обеспечить защиту СпА от метеорно-техногенной опасности и жесткого космического излучения. Панели СОТР выполнены с двухсторонними каналами под охладитель не только для повышения их защитных свойств, но и в целях повышения надежности, а также увеличения равномерности излучения с поверхности. Все посадочные места СпА снабжены терморегулирующими платами.

Отдельное внимание при проектировании было уделено силовой схеме ОПН. Силовая схема ОПН выполнена в виде фермы из углепластиковых стержней, скрепленных в узловых точках металлическими кронштейнами. Такое построение позволяет уменьшить стоимость производства и сборки фермы. Фиксация стержней в кронштейнах осуществляется эпоксидным клеем. Грани ферменной конструкции ОПН укрываются листами 0.5мм из Д16АТ и экранно-вакуумной теплоизоляцией (ЭВТИ). Их установка предназначена для улучшения условий работы (приближения условий к условиям герметичных корпусов КА) основной СпА, установленной внутри ОПН. Расчет стержней фермы и их деформаций осуществлялся с применением ЭВМ матричным методом перемещений. Для стержней проведена проверка на устойчивость.

Нижняя грань ОПН, выполненная в виде трехслойной сотовой панели, включающей в себя тепловые трубы для терморегулирования мест установки СпА. Нижняя грань ОПН является местом сосредоточения большого количества СпА, а термостабилизированная панель упрощает расположение и крепление аппаратуры. В целях увода КА с орбиты и экономии массы топлива КА установлен пассивный аэродинамический тормоз. Тормоз выполнен в виде надувного шара с тросовым креплением к ОПН.

Выполнен расчет характеристик полета КА: компланарный перелет с орбиты выведения на рабочую орбиту, трёхосная ориентация КА, поддержание заданной орбиты, сход с орбиты на предпусковую орбиту с последующим спуском в плотные слои атмосферы с использованием пассивного аэродинамического тормоза. Сход с орбиты предполагается с использованием пассивного тормоза, раскрывающегося на высоте 450 км. Такой спуск КА в плотные слои атмосферы экономит 30-40кг топлива. Определены также основные этапы полета КА и затраты на них рабочего тела.