Ракетно-космическая техника. Рубрика в журнале - Космические аппараты и технологии
Статья
Переход к негерметичной конструкции приборного отсека космического аппарата неизбежно приводит к дополнительным тепловым нагрузкам на элементы бортовой радиоэлектронной аппаратуры за счет изменения схемы теплообмена. Тепловой режим работы бортовой радиоэлектронной аппаратуры космического аппарата - один важных факторов обеспечения длительного срока активного существования космического аппарата. Обеспечение длительного срока активного существования космических аппаратов является важнейшей научной, инженерной и экономической задачей, решение которой требует глубокого системного подхода на всех этапах создания и эксплуатации бортовой радиоэлектронной аппаратуры космического аппарата. Стратегической задачей для обеспечения длительного срока активного существования космического аппарата является реализация на всех этапах жизненного цикла бортовой радиоэлектронной аппаратуры предельно достижимых показателей надежности за счет использования современных конструкторско-технологических решений, а также эффективных методов ее проектирования и производства. В статье приведены результаты экспериментальных работ по снижению сопротивления теплопередачи между приборами бортовой радиоэлектронной аппаратуры и системой терморегулирования космического аппарата. В результате работы получены основные данные по улучшению эффективности теплоотвода энергопреобразущей аппаратуры космического аппарата и подтверждена эффективность мер по обеспечению теплоотвода бортовой радиоэлектронной аппаратуры космического аппарата.
Бесплатно
Статья
В подавляющем числе трансформируемых рефлекторов для обеспечения требуемой точности отражающей поверхности используется формообразующая структура. В зонтичных рефлекторах формообразующая структура представляет собой в раскрытом положении систему натянутых размеростабильных нитей и шнуров. На всем этапе жизненного цикла изделия на шнуры формообразующей структуры оказывают влияние внешние факторы, которые приводят к изменению их длины. Оценку стабильности геометрических размеров шнуров, с точки зрения трудоемкости, целесообразно проводить на фрагменте формообразующей структуры – арочной системе. Для проведения подобных исследований требуется разработка специальной технологической оснастки. В статье сформулированы требования к оснастке и обеспечению испытаний. Авторами предложена оригинальная конструкция технологической оснастки, которая позволяет закреплять шнуры арочной системы с близкими к конструкции рефлектора граничными условиями. Разработана 3D-модель оснастки, на основе которой был изготовлен опытный образец. Собрана отдельная арочная система, соответствующая штатной конструкции по размерам, конфигурации и усилиям натяжения шнуров. Проведены испытания по оценке погрешности измерений арочной системы в изготовленном макете оснастки. Результаты испытаний подтвердили возможность использования разработанной оснастки для проведения автономных испытаний формообразующей структуры.
Бесплатно
Разработка фильтра Ku-диапазона
Статья научная
Почти 15 % всех выведенных космических аппаратов в космическое пространство за последние 25 лет относятся к формату CubeSat. В процессе проектирования будущих миссий космических аппаратов этого класса с целью проведения обзора существующих миссий и использования связанных с ними данных полезна база данных, с помощью которой можно удобно получать информацию из одного информационного источника. В работе представлена новая русскоязычная открытая база данных космических аппаратов CubeSat, которая содержит в себе информацию об их основных характеристиках, запусках, а также актуальные и исторические орбитальные параметры. Представлена классификация по семействам, конструкции и назначению аппаратов. В работе используются актуальные на осень 2025 года данные о 2783 космических аппаратах CubeSat, которые в соответствии с введенной классификацией были разделены на 896 семейств, 129 моделей и 6 классов функций, 5 областей применения. Описываются возможные способы выведения в космическое пространство, которые разделены на две группы (с борта МКС или с другого технического устройства). Определены наиболее распространенные классы орбит (солнечно-синхронные орбиты и орбиты с наклонением МКС).
Бесплатно
Статья
Современные полимерные композиционные материалы, обладающие высокими удельными характеристиками прочности и жесткости, позволяют создавать прочные, долговечные и геометрически стабильные космические конструкции. Для расширения сфер использования композиционных материалов и повышения конкурентоспособности космических конструкций необходимо дальнейшее совершенствование методов проектирования с широким использованием методов многомасштабного вычислительного моделирования процессов деформирования и разрушения. В работе представлены результаты анализа прочности и размерной стабильности конструкций из полимерных композиционных материалов. Рассматриваются металлокомпозитный бак высокого давления для электрореактивных двигательных установок и конструкции прецизионных рефлекторов антенн космического и наземного базирования. Изложены методики и результаты экспериментальных и расчетных исследований напряженно-деформированных и предельных состояний конструкций. Описаны методы и средства неразрушающего контроля, результаты анализа напряженно-деформированного состояния и натурных испытаний конструкции бака. Даны обобщенные оценки несущей способности конструкций рефлекторов в заданных условиях эксплуатации.
Бесплатно
Статья научная
В работе с использованием CAE-системы Ansys Fluent выполнено численное решение задачи об аэродинамике возвращаемого блока ракеты-носителя, прототипом которого служит центральный блок ракеты-носителя «Союз-2-1а», на участке падения на Землю. На каждом шаге интегрирования уравнений пространственного движения реализован алгоритм вычисления аэродинамических коэффициентов: модуль интеграции уравнений движения обращается к Ansys Workbench для решения стационарной задачи газодинамики методом конечных объёмов. Процедура включает построение геометрии расчётной области, сеточную генерацию, задание физической модели и граничных условий в Ansys Fluent и извлечение значений подъемной, лобовой и боковой сил, а также моментов в зависимости от угла атаки. Получены графики зависимости стационарных аэродинамических коэффициентов от угла атаки, используемые в моделях свободного неуправляемого движения блока после отделения. При использовании уточнённых аэродинамических коэффициентов на каждом шаге интегрирования выполнен интегральный расчёт траекторий с учётом ветрового нагружения, что позволило оценить предполагаемые координаты и районы падения. Представленная методика даёт возможность получать уточнённые траектории движения, учитывать неосесимметричность и в дальнейшем учитывать упругость конструкции для повышения точности прогнозов и уменьшения возможного вреда для экологии.
Бесплатно
Статья
Вентильные двигатели (в англоязычной литературе – «BLDC motors») широко применяются в научной аппаратуре космического назначения. Для управления двигателями такого типа требуется создание сложно-функциональной системы управления, учитывающей как базовые технические требования, так и требования к надежности с учетом ее применения в условиях космического пространства. В статье сформулированы требования к характеристикам, которыми должна обладать система управления вентильными двигателями и определены дополнительные требования к надежности системы. При этом в качестве алгоритма для приведенной системы был выбран алгоритм блочной коммутации, реализация которого не требует высокой вычислительной мощности и точных датчиков положения ротора. На основе сформулированных задач и выбранного алгоритма представлена структурная схема системы управления, учитывающая необходимость холодного резервирования для выполнения требований к надежности. Далее рассмотрены конкретные схемотехнические решения для выходных каскадов, позволяющие подключать один набор двигателей и датчиков Холла к обоим полукомплектам системы управления. Для апробации структурных и схемотехнических решений был разработан и изготовлен макет. Проведена успешная проверка работоспособности макета и, соответственно, приведенных решений.
Бесплатно
Статья
Настоящая статья посвящена термоэмиссионному охлаждению турбомашинных преобразователей космических аппаратов. Разработка защищена патентами на изобретения и полезные модели. Причем патент на изобретение №2573551 входит в список «Сто лучших изобретений России» за 2015 год. Разработана экспериментальная установка, на которой проведены первичные экспериментальные исследования с использованием тепловизора. В ходе тепловизионных исследований зафиксировано наличие теплового эффекта (охлаждения или нагрева). В качестве образцов применялись вольфрамовые электроды из лантанированного вольфрама диаметром 1 мм и длиной 175 мм, вольфрамовые электроды с обработкой (ионной имплантацией лантана и церия с дозами 1016 1/см2), проволока ХН78Т диаметром 1 мм, образцы из боридной керамики, пластинки и стержни из 20Х25Н20С2. Так, для вольфрамовых электродов из лантанированного вольфрама без обработки преобладает снижение температуры на 10-30 °C, для проволоки ХН78Т преобладает повышение температуры в среднем также на 10-30 °C в аналогичных условиях. На лантанированном вольфраме с обработкой стабильно наблюдалось снижение температуры на 45-55 °C, единожды зафиксировано снижение на 91 °C. Для образцов из гексаборида лантана (LaB6) фиксировалось повышение температуры. Предложен ряд гипотез, объясняющих наблюдаемый высокий эффект термоэмиссионного (термополевого) охлаждения. Однако, для доказательства (или опровержения) необходимо проведение высокоточных измерений химического состава поверхности всех испытанных и неиспытанных образцов.
Бесплатно
Ресурсы повышения эксплуатационных и технико-экономических показателей тепловых двигателей
Статья научная
В работе обращается внимание на существование новых, традиционно не учитываемых (в том числе и ранее неизвестных) ресурсов повышения эксплуатационных и технико-экономических показателей тепловых двигателей. Отмечается, что эксплуатационная надёжность тепловых двигателей могла бы быть увеличена повышением эффективности процессов диагностирования качества рабочего процесса и состояния материальной части двигателя, обеспечиваемыми в том числе включением в состав диагностической информации, отображающей рабочий процесс двигателя электрофизической информации и регистрируемой в первую очередь измерениями в потоке продуктов сгорания за срезом сопла. В рамках изыскания дополнительных ресурсов для повышения технико-экономических показателей тепловых двигателей обращается внимание на принципиальную возможность дополнительного энергообеспечения рабочего цикла двигателей энергией внутриядерного происхождения. Прогнозируемая результативность и практическая целесообразность использования отмечаемых возможностей обосновываются в том числе и результатами эксперимента. Практическое использование отмеченных ресурсов требует, однако, дополнительных исследований и может быть обеспечено лишь на базе необходимого организационного, финансового, материального и технического обеспечения.
Бесплатно
Статья
Рассматривается задача управления при формировании на низкой околоземной орбите вращающейся тросовой группировки конфигурации «ступица-спицы» (hub-spoke), в которой микроспутники расположены радиально относительно центрального космического аппарата (ступица) и соединены с ним тросами (спицами) соответственно. Для анализа динамики тросовой системы разработана математическая модель (используются уравнения Лагранжа) в орбитальной системе координат, при этом центральный космический аппарат рассматривается как твердое тело конечных размеров. Предложена схема управления, в которой управляющий момент, приложенный к центральному телу, обеспечивает заданное вращательное движение системы, а закон развертывания тросов строится в соответствии с принципами робастного управления, которое осуществляется за счет регулирования натяжения троса и малой тяги, приложенной к микроспутникам. При анализе устойчивости движения системы используются теория Ляпунова и неравенство Гамильтона-Якоби, с помощью которого определяется показатель робастности системы управления. Приводятся результаты численных расчетов, которые подтверждают, что предлагаемая схема управления оказывается эффективной при учете периодических гравитационных возмущений, внешних возмущений и возмущений, связанных с неопределенностью в начальных состояниях системы и с вращением центрального тела.
Бесплатно
Совершенствование агрегатов для транспортировки тепла в космических аппаратах
Статья научная
Рассматривается период создания агрегатов транспортировки тепла в космических аппаратах с 70-х годов прошлого века и по настоящее время. В процессе развития космической техники связи, навигации и геодезии создавались многочисленные типы космических аппаратов с различными видами систем терморегулирования и агрегатов транспортировки тепла при общей тенденции повышения потребляемой мощности и тепловыделений, наращивания количества тепловых связей и повышения эффективности распределения тепла, увеличения срока активного существования до 15 лет. Облик современных космических аппаратов во многом определяет выбор систем терморегулирования и агрегатов транспортировки тепла, а в случае бесконтейнерного варианта при разработке блочно-модульной структуры космического аппарата, сотопанели и топология тепловых труб в них является основополагающим фактором, требующим решения сложных прикладных теплофизических задач.Также рассматривается проблема передачи и распределения многочисленных тепловых потоков, которую решают агрегаты транспортировки тепла, обеспечивая при этом требуемый диапазон температур газа в герметичном контейнере. Освещено обеспечение длительного ресурса малорасходных нагнетателей космического аппарата агрегатов транспортировки тепла жидкости как решение наиболее наукоемкой задачи для быстровращающихся роторов электронасосных агрегатов.
Бесплатно
Современные алгоритмы активной магнитной ориентации спутников
Статья
В работе приводится обзор основных последних достижений в области алгоритмов активной магнитной ориентации спутников. Выделены три режима работы такой системы. В первую очередь рассматривается вспомогательная задача гашения угловой скорости спутника. Вторая часть посвящена краткому описанию работы магнитной системы совместно с другими управляющими устройствами или с использованием пассивных средств обеспечения ориентации. Управляющий момент, создаваемый магнитной системой, ограничен по направлению: нет возможности создать момент вдоль вектора магнитной индукции. Добавление других исполнительных элементов или использование свойств внешней среды может снять это ограничение, обеспечивая момент вдоль вектора индукции. Возникает, однако, ограничение на реализуемый режим движения. Выделены стабилизация в гравитационном поле с использованием штанги, спутник с тангажным маховиком, стабилизация собственным вращением. В этих случаях достигаются практически важные режимы движения – орбитальная ориентация и инерциальная одноосная стабилизация. Третья часть посвящена наиболее перспективной теме – чисто магнитной системе ориентации, обеспечивающей произвольно заданную трехосную ориентацию космического аппарата. Рассмотрены различные подходы к преодолению ограничения в реализации управляющего момента, с разделением на локальные и оптимизационные методы. В таком подходе возможна реализация любого режима движения аппарата, но точность и быстродействие системы ориентации оказываются невелики.
Бесплатно
Статья
На высотах орбитального полета при поперечном обтекании защитного экрана невозмущенным набегающим потоком в аэродинамическом следе за ним существует стабильная естественная область глубокого вакуума. В этой области «космического» вакуума достигаются уровни разрежения порядка 10–14 – 10–10 мм рт. ст. и ниже при почти полном отсутствии кислорода и углеродсодержащих компонент. При проведении оценок достигаемых уровней разрежения предполагалось, что с рабочей («теневой») поверхности защитного экрана предварительно удалены сорбированные примеси, и скорости собственного газовыделения в зону следа соответствуют парциальному давлению порядка 10–14 мм рт. ст. Этот уровень газовыделения характерен для обезгаженных металлов, применяемых в сверхвысоковакуумной технике. Результаты оценок также показали, что из окружающей среды в зону разрежения за защитным экраном преимущественно попадают «быстрые» молекулы Не и Н2, скорости теплового движения которых существенно превышают орбитальную скорость полета, и их парциальные давления на высотах Н = 250 – 400 км на пять-шесть порядков ниже по сравнению с указанным выше парциальным давлением молекул газовыделения. Настоящая статья посвящена разработке научных основ эксперимента в условиях орбитального полета международной космической станции и обоснованию целесообразности его проведения.
Бесплатно
Статья научная
В настоящее время методы измерения параметров антенн можно разделить на две основные группы: методы дальней и ближней зоны. Методы дальней зоны не требуют дорогостоящего и сложного оборудования, но для их реализации зачастую требуется антенный полигон протяженностью сотни и тысячи метров. Кроме того, становится практически невыполнимой задача экранирования измерительной трассы от влияния переотражений сигнала от различных предметов. Методы ближней зоны, напротив, лишены этого недостатка, но требуют применения сложных автоматизированных измерительно-вычислительных комплексов. Метод измерения характеристик антенн в зоне Френеля позволяет организовать антенный полигон значительно меньшей длины, чем в методах дальней зоны. Настоящая статья посвящена использованию данного метода применительно к конической рупорной антенне на частоте 13 гигагерц (ГГц). Показано влияние коррекции фазовых диаграмм направленности при различных значениях размера области восстановления диаграммы направленности, а также при разных конфигурациях положения антенны на опорно-поворотном устройстве. Проведен анализ результатов восстановления диаграммы направленности для каждой конфигурации опорно-поворотного устройства. На основе анализа результатов восстановления диаграммы направленности сделан вывод о взаимосвязи необходимости коррекции фазовых диаграмм направленности и расстояния от центра апертуры антенны до точки пересечения осей вращения опорно-поворотного устройства.
Бесплатно
Стенд для измерения направленных характеристик антенн спутниковых систем связи
Статья
Перспективным решением для предоставления услуг связи и передачи данных на территории Крайнего Севера является развитие телекоммуникационной сети на основе спутниковых систем связи. Поэтому задача разработки и создания земных станций перспективных систем спутниковой связи, имеющих характеристики, значительно превышающие мировые аналоги, является актуальной. Характеристики таких станций во многом зависят от характеристик антенных систем, которые определяют энергетические характеристики канала связи. Целью работы является разработка стенда для измерения направленных характеристик антенн спутниковых систем связи на базе сферического сканера TS8991. Спиральное сканирование, в отличие от классического сферического сканирования, представляет собой альтернативный метод измерений, направленный на уменьшение времени измерений при сохранении необходимой точности. В результате данной работы был реализован алгоритм спирального сканирования на основе сканера ближнего поля фирмы Rohde & Schwarz TS8991 и построен стенд для контроля и настройки параметров антенн земной станции спутниковой связи, представлена его структурная схема. На разработанном стенде была подвергнута испытаниям антенна с рефлектором диаметром 1,2 м. Результаты измерений показали отклонения измеренных значений от расчетных, обусловленные конструктивными недостатками антенны. Время измерений и преобразований в дальнее поле для антенны с диаметром рефлектора 1,2 м с помощью такого стенда составило 35 минут.
Бесплатно
Статья
Представлена комплексная математическая модель, описывающая изменение формы сферической оболочки калибровочного космического аппарата, вызванное неравномерным распределением температуры по ее поверхности на теневом участке околоземной орбиты. Тепловая часть модели учитывает воздействие на оболочку собственного излучения поверхности Земли и радиационный теплообмен в полости оболочки. Неравномерность облучения поверхности оболочки приводит к неравномерности распределения ее температуры и, как следствие, к отклонению ее формы от сферической, что может повлиять на функциональные характеристики аппарата. Для определения искажения сферической формы оболочки использованы основные положения безмоментной теории оболочек вращения. Количественный анализ представленной модели проведен для установившегося неравномерного распределения температуры по поверхности оболочки, возникающего на различной высоте расположения аппарата над поверхностью Земли. Полученные оценки искажения формы оболочки калибровочного космического аппарата могут быть использованы для сопоставления с допустимыми отклонениями, не нарушающими его функциональные характеристики на теневом участке околоземной орбиты.
Бесплатно
Статья
Цель работы – оценка тепловых режимов работы радиоэлектронных компонент наноспутника в условиях орбитального полета. В статье представлены результаты численного исследования теплового состояния наноспутника CubeSat с форм-фактором 1U при его движении по низкой околоземной орбите высотой 300 км в дни осеннего равноденствия и зимнего солнцестояния. Тепловая численная модель наноспутника учитывает тепловые потоки от Солнца и от поверхности Земли, атмосферный нагрев не учитывается. Кроме того, принимается во внимание нестационарность тепловыделения на радиоэлектронных компонентах полезной нагрузки наноспутника, а также переизлучение энергии внутри его корпуса. Геометрический и конструктивный облик наноспутника, теплофизические свойства материалов и оптические свойства свободных поверхностей, режимы работы полезной нагрузки определены на основе данных, полученных из литературных источников. Результаты численного моделирования показывают, что температура радиоэлектронных компонент зависит от мощности собственного тепловыделения, теплового излучения соседних плат, орбитального движения наноспутника по околоземной орбите, его положения на орбите Земли. Динамика температуры радиоэлектронных компонент определяется действующим на них режимом тепловыделения. Хотя в условиях поставленной задачи температуры большинства радиоэлектронных компонент находятся в допустимых эксплуатационных пределах, действие коротких импульсных тепловых нагрузок большой мощности может приводить к перегреву компонент полезной нагрузки.
Бесплатно
Термоэмиссионное охлаждение элементов летательных аппаратов. Обзор современных исследований
Статья
Целью данной статьи является обзор текущего состояния исследований в области термоэмиссионного охлаждения и освещение их потенциальных применений в астронавтике и ракетостроении, особенно для космических аппаратов многоразового использования и высокоскоростных самолетов. В статье обобщены результаты работы исследовательских групп из нескольких университетов России, США и Китая. В ней рассматриваются теоретические модели и экспериментальные разработки технологии термоэмиссионного охлаждения, без углубления в подробные методологии. Основные исследования в этой области проводятся командами из университетов Мичигана, Колорадо, Вермонта и Техаса в США при активной поддержке корпорации Lockheed Martin. В данных университетах уже активно производятся экспериментальные исследования данной технологии. Более того, уже полученные результаты хорошо коррелируют с результатами теоретической проработки, из чего можно сделать вывод о перспективности исследований. Эффект термоэлектронной эмиссии дает возможность снизить температуру передних кромок аппаратов, что особенно актуально для космических аппаратов многоразового использования и беспилотных миссий, где поддержание оптимальной температуры компонентов становится ключевым фактором срока службы и надежности системы.
Бесплатно
Статья научная
Описаны термоэмиссионный способ и устройство охлаждения лопаток турбин газотурбинных преобразователей космических аппаратов, основанные на новом физическом принципе - явлении термоэлектронной эмиссии, испускании электронов нагретым металлом. Реализация термоэмиссионного способа и устройства охлаждения лопаток турбин позволяет повысить температуру рабочего тела перед турбиной до 2600-2700 К для органических топлив и выше для других рабочих тел и источников тепловой энергии (достигается при величине работы выхода электронов 1,6-1,7 эВ), уменьшить КПД газотурбинных преобразователей космических аппаратов до 43-44 %, снизить в два-три раза температурные напряжения в лопатках турбин газотурбинных преобразователей, снизить стоимость их изготовления и эксплуатации, а также дает возможность проводить диагностику теплового состояния турбины и других высокотемпературных элементов непрерывно в режиме реального времени. Все это обеспечивает потенциал для создания космических аппаратов повышенной энергоемкости с длительным сроком активного существования.
Бесплатно
Статья
Рассмотрены способы передачи тепловой энергии электронагревателей к узлам и устройствам космических аппаратов негерметичного исполнения, находящихся в составе космических аппаратов на целевых орбитах в условиях штатного применения. Разработаны основные технические характеристики перспективных электронагревателей для условий эксплуатации, разработана модель штатного положения электронагревателей, позволяющая определить пути повышения эффективности и коэффициента полезного действия электронагревателей. Представлены основные результаты разработки гибких пленочных электронагревателей различного конструктивного исполнения с использованием материалов, производимых отечественной промышленностью и изготовленных с применением нового способа на основе метода фотолитографии и травления резистивного слоя, позволяющего реализовать новые функциональные возможности и существенно улучшить эффективность электронагревателей. Приведены эксперименты, подтверждающие расчеты в условиях, имитирующих эксплуатационные воздействия на электронагреватели. Применение гибких пленочных электронагревателей повышенной эффективности в составе существующих и перспективных космических аппаратов позволяет улучшить эффективность работы системы терморегулирования в целом и улучшает технологичность изготовления.
Бесплатно
Управление системами, включающими в себя объекты управления и параметрические регуляторы
Статья
В статье рассматривается новый алгоритм управления системами с длительными переходными процессами. Актуальность исследования обусловлена растущим использованием малых космических аппаратов для различных целей, включая научные исследования, связь и наблюдение. Эти аппараты имеют ограниченный ресурс корректировки движения из-за износа дополнительных двигателей и ограниченного объёма рабочего тела. Разработка и внедрение новых алгоритмов управления, направленных на сокращение времени корректировки (переходного процесса), могут значительно повысить эффективность использования малых космических аппаратов. Это не только увеличит срок их службы, но и позволит расширить возможности их применения в различных областях. Разработанный алгоритм основан на непараметрической оценке функции регрессии и состоит из двух частей: накопленного опыта об объекте и поискового шага. В качестве объекта управления был взят безынерционный процесс, управляемый П-регулятором. В такой системе возникает переходный процесс. Для оценки эффективности управления было выбрано время переходного процесса как критерий. Проведённое сравнение показало, что управление системой с помощью П-регулятора менее эффективно по сравнению с разработанным алгоритмом. Результаты исследования могут быть полезны для разработки более эффективных систем управления, особенно в условиях, когда требуется высокая скорость регулирования.
Бесплатно
