Исследование диапазонов эффективного применения унифицированных космических платформ для геостационарных спутников связи

В современном мире, где многие ведущие спутникостроительные фирмы предлагают схожую по основным техническим и эксплуатационным характеристикам продукцию, на первое место в конкурсе за контракт выходят проекты, обладающие лучшими показателями эффективности, а также меньшей длительностью реализации проекта. Особенно данная тенденция справедлива для коммерческих космических аппаратов (КА) связи [1-3].

КА, как правило, создаются с использованием принципа модульности построения, при котором модуль полезной нагрузки (МПН) разме

щается на космическую платформу (КП) [1; 4-9]. Модульное построение КА позволяет проводить автономное изготовление и испытание МПН параллельно с изготовлением и испытанием КП, что значительно сокращает общее время создания КА. Кроме того, использование унифицированной космической платформы (УКП) для различного типа МПН снижает затраты на разработку КА.

Одним из эффективных механизмов ускоренной реализации КА модульного построения является использование принципа, при котором МПН - это новый модуль, который размещается на УКП. В этом случае возникает актуальная проблема выбора типоразмера УКП, оценки эффективности ее использования с учетом необходимости ее модернизации под конкретный проект.

В статье описана методика оценки диапазона эффективного применения УКП как без

КИЕ АППАРАТЫ И

Том 5

доработки, так и с модернизацией, а также приведены результаты исследования диапазона эффективного применения существующей УКП разработки АО «ИСС» для геостационарного спутника связи.

1. Проектная модель оценки эффективности КА с УКП

Для обобщенного анализа бюджеты ресурсов (массы и энергопотребления) КА модульного построения представим в следующем виде [1-4]:

M КА = М ПН + М УКП , W КА = W ПН + W УКП , ⁽¹⁾

стей и их интеграцию в составе КА, зависят от его целевой эффективности, надежности, массы, энергопотребления и т. д. Учитывая тот факт, что масса КА ограничена энергетическими возможностями ракеты-носителя и полностью используется для реализации целевых задач с заданной эффективностью и надежностью, при проектных исследованиях ее используют в качестве эквивалента стоимости изготовления КА [1; 3]:

С изг = С уд.и ∙ M КА . (5)

где М _КА и W _КА – масса и энергопотребление КА; М _ПН и W _ПН – масса и энергопотребление МПН; М _УКП и W _УКП – масса и энергопотребление УКП.

При параметрическом анализе возможности размещения новой полезной нагрузки на УКП ре-

Значение удельного показателя С _уд . _и определяется на основании обработки статистических данных по КА – аналогам.

В результате получим функциональную зависимость стоимости затрат на проведение опытно-конструкторских работ от массы КА:

С _ОКР = K _ОКР ∙ С _уд.и ∙ M _КА . (6)

ализуется принцип максимального удовлетворения потребностей полезной нагрузки в ресурсах КА в виде обобщенной массы полезной нагрузки М _ПН.об. [1–4]:

MПН.об. = Mпн + Kw " Win = Мпн " апн,

^а ПН

W

ПН

W и

^M ПН

Полученная система уравнений позволяет сформировать однокритериальную целевую функцию скалярного вида Э _КА , определяемую как отношение показателя целевой эффективности ( М ПН.об. ) к показателю финансовых затрат на создание КА ( С _ОКР ):

где K W - средний коэффициент парциальных за-

^M ПН.об.

КА    р

С ОКР

^M ПН.об.

.

^K ОКР ' ^С уд.и ' ^M КА

трат массы КА на генерирование электроэнергии и сброса тепла, кг/Вт; а _ПН - коэффициент парциальных затрат ресурсов на обеспечение потребностей полезной нагрузки.

В этом случае обобщенная масса полезной нагрузки М _ПН . _об . может использоваться для формирования показателя целевой эффективности КА. Одновременно, при сравнительном анализе, может быть использован удельный обобщенный коэффициент парциальных затрат ресурсов КА на решение целевой задачи [1; 3; 10]:

K пн =   ПН ⁰⁶" = а м '«пн ,           (3)

M КА

где а_м = “ПН — коэффициент затрат массы КА на полезную нагрузку.

Затраты на проведение опытно-конструкторских работ по разработке КА согласно проектным методикам [1] в первом приближении счита-

С использованием предложенной проектной модели КА и выбранной однокритериальной целевой функции разработаны методики и проведена оценка диапазонов эффективного применения базовой УКП для двух вариантов МПН:

• •    потребности МПН в ресурсах удовлетворяются УКП с избытком (УКП-ИР);

• •    для удовлетворения потребностей МПН в ресурсах требуется доработка УКП (УКП-М).

В качестве базового КА разработки АО «ИСС» для размещения новой полезной нагрузки рассмотрен геостационарный спутник коммерческой связи, использующий УКП «Экспресс-1000» (табл. 1):

Таблица 1

ются пропорциональными затратам на изготовление КА ( С изг ):

С _ОКР = K _ОКР ∙ С _изг .              (4)

Значение коэффициента K _ОКР определяется новизной разрабатываемого КА и его составных частей, объемом наземной экспериментальной отработки КА и его составных частей (полезной нагрузки, космической платформы).

Затраты на изготовление КА, как совокупность затрат на изготовление его составных ча-

Технические характеристики базового КА

№ п/п	Характеристика		Значение
1	Тип УКП		Э-1000
2	Масса базового КА, кг	M К б А	2771
3	Максимальная масса ПН, кг	M П б Н	1221
4	Максимальное энергопотребление ПН, Вт	W П б Н	3300
5	Коэффициент энергетической эффективности, кг/Вт	K W б	0,073

Продолжение таблицы 1

6	Обобщенная масса ПН	M ПбН.об.	1462
7	Коэффициент обобщенной полезной нагрузки	K П б Н	0,527
8	Коэффициент затрат массы КА на ПН	α б M	0,441
9	Коэффициент парциальных затрат массы на энергообеспечение ПН	α б ПН	1,197

Используя данные по базовому КА (α ^б _M ) и полагая а ПрН = а ПН , проведем оценку зависимостей между экономическими и техническими показателями, заданных уравнением (11). Результаты оценки диапазона эффективного применения УКП-ИР базового КА для размещения нового МПН приведены в табл. 2 и на рис. 1.

2. Методика оценки диапазона эффективного применения УКП-ИР

При проектировании нового КА на основе УКП-ИР, удовлетворяющей потребности новой МПН с избытком в ресурсах по массе и энергопотреблению, используются следующие уравнения для определения бюджета ресурсов КА (индекс «б» относится к базовому КА, а индекс «н» к новому КА):

M КА = M ПН + M УКП , M КА = M ПН + M УКП , (8)

ир

K ир = M K^

НБ     б

M _КА

= 1 -a M 1 -

V

M ™) M пн )

< 1,

ир       б

^M ПН ^{≤ M} ПН

ир      б       ир       б

" ПН - W nH , M КА - M КА .

Применение УКП базового КА с избыточным ресурсом для ПН создает предпосылки для ускоренного создания КА с новой ПН, снижает финансовые затраты на его разработку, однако, одновременно снижает целевую эффективность КА ( Э КА ) [1; 3].

Для оценки допустимого диапазона эффективного применения УКП-ИР для нового КА введем относительный (безразмерный) критерий (полагая одинаковым значения С _уд.и ):

н         ир        бб

δЭ  =ЭКА = MПН.об ⋅ MКА ⋅ KОКР ≥1.

ир ЭКбА MПбН.об ⋅ MКирА ⋅ KОирКР

Решая совместно уравнения (2), (9) и (10), получим соотношение между экономическими и техническими показателями, обеспечивающими оценку диапазона эффективного применения УКП-ИР:

ир     ир               ир

K ^ир = ^{M ПН} ⋅ ^{α ПН} ⋅    ≥ ^{K ОКР}

Э        б      б       ир       б

M ПН α ПН K НБ   K ОКР

Результаты параметрических исследований с использованием предлагаемой методики по оценке диапазона эффективного применения УКП-ИР геостационарного спутника связи разработки АО «ИСС» для размещения нового МПН приведены ниже.

Таблица 2

Диапазон эффективного применения УКП-ИР

M П ир Н M П б Н	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
ир K Э	0,641	0,729	0,807	0,877	0,942	1,0
ир K нб	0,78	0,824	0,868	0,912	0,956	1,0

^ир ^.ир

б

Рис. 1. Зависимость экономических и технических показателей УКП-ИР: ир              ир

а )      – K _нб ;      – K _Э .

На рис. 1 выделена зона значений K ^ир

≥

ир KОКР б , KОКР

при которых допустимо применение УКП-ИР для Mн заданных значений ПН (1а) и K ир (1б). Таким MПбН образом, создание КА с МПН, потребности которой в ресурсах удовлетворяются УКП с избытком (УКП-ИР), допустимо без снижения критерия эффективности (δЭир ≥ 1) при удовлетворении огра-

K ^ир ничений K ^ир ≥ ^ОКР Эб

K ОКР

.

Том 5

3. Методика оценки диапазона эффективного применения УКП-М

При проектировании нового КА на основе УКП, требующей доработки (УКП-М) для удовлетворения потребностей новой МПН в ресурсах (по массе и энергопотреблению), используются следующие уравнения для определения бюджета ресурсов КА (индекс «б» относится к базовому КА, а индекс «н» к новому):

M Ка = M Укп + M Пн +8 M УКП ,

бм  б   бм  б

⁸ M УКП = ^а м ( M ПН - M ПН ) ⁺ K W ( W IH - W IH ) ,

где M ^м и W _П ^м _Н – масса и энергопотребление полезной нагрузки нового КА, M ^б – масса базовой платформы.

После соответствующих преобразований получим следующее выражение для определения массы нового КА:

Таблица 3

Диапазон эффективного применения УКП-М

м W ПН б W ПН	M П м Н M П б Н	1	1,2	1,4	1,6
1	м K нб	1	1,127	1,254	1,381
	K Э м	1	1,065	1,116	1,158
1,2	м K нб	1,017	1,144	1,271	1,398
	K Э м	0,983	1,049	1,101	1,144
1,4	м K нб	1,035	1,162	1,289	1,416
	K Э м	0,966	1,033	1,086	1,130
1,6	м K нб	1,052	1,179	1,306	1,433
	K Э м	0,951	1,018	1,072	1,116

м    б    б    м   бм    б

^M КА = M КА - M ПН ⁺ M ПН ⁺ « м ⁽ M ПН - M ПН ) ⁺

+KW ( W™ - WIбН )= MКа • кНб , к™ = 1 +                                 (13)

+а

б

м

+ 0б)

м

м

M ПН мб

V ^пн

-

^м W ПН

б

ПН

К"6.Кэ

0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3 1,35 1,4 1,45 1,5 1,55 1,6 1,65 а

Для оценки допустимого диапазона эффективного применения УКП-М для нового КА введем относительный (безразмерный) критерий (полагая одинаковым значения С _уд.и ):

⁸ Э м =

н ЭКА б ЭКА

M ПН.об ■ M КА "  K ОКР

M ПН.об "  M КА "  K ОКР

Решая совместно уравнения (2), (10) и (13), получим соотношение между экономическими и техническими показателями, обеспечивающими оценку диапазона эффективного применения УКП-М:

б

Рис. 2. Зависимость экономических и технических показателей УКП-ИР:

K

м

Э

мм    м

MПН αПН   1   KОКР бб  м  б

M ПН α ПН K НБ   K ОКР

а )

Используя данные по базовому КА (а М = 0,441 ) и полагая а М _н = а б_н = 1,197, определим соотношение между экономическими и техническими показателями, обеспечивающими оценку диапазона эффективного применения УКП-М согласно формуле (15).

Результаты оценки диапазона эффективного применения УКП-М базового КА для размещения нового МПН приведены в табл. 3 и на рис. 2.

н W П Н б WПН

= 1,0;

^{н W}ПН

б

ПН

= 1,2;

нн

Н’Н ПН = 1,4;-- ^ Н = 1,6.

бб

WПН            ПН

K ^м

На рис. 2 выделена зона значений K ^м ≥ ^ОКР , ^K О ^б КР при которых допустимо применение УКП-М для

Mн заданных значений ПН (2а) и K м (2б). MПбН         н

Таким образом, создание КА с МПН, для удовлетворения потребностей которой в ресурсах требуется доработка УКП (УКП-М), допустимо без снижения критерия эффективности (δ Э _ир ≥ 1), K ^м при удовлетворении ограничений K ^м ≥ ^ОКР .

K ОКР

Заключение

• 1.    Сформулирована актуальная проблема выбора типоразмера УКП разработки АО «ИСС» для геостационарных спутников связи и разработана проектная модель оценки эффективности КА с УКП.

• 2.    Разработана методика оценки эффективности применения УКП, обладающих избыточным ресурсом (по массе и энергопотреблению) для полезной нагрузки (УКП-ИР).

• 3.    Разработана методика оценки эффективности применения модернизированной УКП, позволяющей обеспечить увеличенные потребности в ресурсах (по массе и энергопотреблению) для полезной нагрузки (УКП-М).

• 4.    С помощью разработанных методик проведены оценки диапазона эффективного применения УКП разработки АО «ИСС», как без доработки (УКП-ИР), так и с модернизацией (УКП-М) для геостационарного спутника связи.