Предпосылки и перспективы создания полностью электрореактивных космических аппаратов для работы на геостационарной орбите
Автор: Внуков Алексей Анатольевич, Рвачева Елена Игоревна
Журнал: Сибирский аэрокосмический журнал @vestnik-sibsau
Рубрика: Авиационная и ракетно-космическая техника
Статья в выпуске: 4 (56), 2014 года.
Бесплатный доступ
В связи с увеличением спроса на космические аппараты, способные при сравнительно малой стартовой массе выводиться на геостационарную орбиту с помощью ракет-носителей, не оборудованных разгонными блоками, а также тенденцией использования ракет среднего класса для группового запуска геостационарных спутников, мировые разработчики космических аппаратов стремятся сократить запасы топлива для апогей-ного манёвра, заменяя привычные двухкомпонентные химические двигатели электрореактивными либо комбинируя их. Однако предлагаемые схемы полностью электрореактивных систем реактивного движения имеют явные недостатки, обусловленные необходимостью поиска компромисса между высоким электропотреблением электростатических или электромагнитных двигателей и низким удельным импульсом электронагревных двигателей, а также сложностями, связанными с длительным нахождением космического аппарата в зоне радиационных поясов Земли при его переводе с переходной на рабочую орбиту с помощью электрореактивных двигателей, что отрицательно сказывается на его надёжности и ухудшает массовую эффективность аппаратуры космического аппарата. Рассмотрены различные концепции полностью электрореактивных платформ для космических аппаратов на геостационарной орбите и проведён сравнительный анализ этих концепций с существующей комбинированной схемой, применяемой для космических аппаратов разработки ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва». Обосновано конкурентное преимущество комбинированной системы реактивного движения производства ОАО «ИСС» перед перспективными полностью электрореактивными системами реактивного движения. Однако в связи с невозможностью использовать для запуска спутников, оборудованных комбинированной системой реактивного движения разработки ОАО «ИСС», на геостационарную орбиту с помощью зарубежных ракет-носителей, не оснащённых разгонными блоками, возникает необходимость применять в составе космического аппарата апогейную установку, способную обеспечить подъём перигея переходной орбиты до высоты, исключающей попадание космического аппарата в зону радиационных поясов Земли. Приведены возможные массовые характеристики космического аппарата среднего класса, использующего электрореактивную схему довыведения и совместимого с зарубежными ракетами-носителями. Определены основные направления развития систем полностью электрореактивного движения, связанные, в первую очередь, с используемыми схемами перевода космических аппаратов с переходной орбиты на геостационарную орбиту.
Космический аппарат, система коррекции, система ориентации, электрореактивный двигатель, двигатель ориентации на ксеноне, двигатель ориентации на гидразине
Короткий адрес: https://sciup.org/148177302
IDR: 148177302 | УДК: 629.78:629.036:629.7.036.72:629.7.036.73
Backgrounds and trends of all-electric propulsion geostationary satellites creation
Due to the increasing of demand for spaceсrafts, capable, at a relatively low launch mass, being injected into geostationary orbit by the launch vehicles is not equipped with apogee upper stage, as well as due to the trend of using middle class launch vehicles for the group launch of geostationary satellites, spacecraft manufacturers worldwide seek capabilities for reducing of fuel reserves for apogee maneuver, replacing the usual two-component chemical engines by the electric thrusters or combining them. However, the proposed schemes of all-electric propulsion systems have obvious disadvantages, due to the need of finding a compromise between the high power consumption of electrostatic or electromagnetic thrusters and low specific impulse resistojets, as well as the difficulties associated with the long-term presence in the area of Van-Allen radiation belts during his transfer to the operational orbit using electric thrusters, which negatively affects its reliability and degrades the mass efficiency of spacecraft equipment. In this paper the authors consider a different concept of all-electric propulsion platforms for spacecraft in geostationary orbit and provides a comparative analysis of these concepts with the existing combination shemes used for spacecrafts of JSC “Academician M.F. Reshetnev “Information Satellite Systems". Competitive advantage of the combined system of jet propulsion produced by JSC «ISS» over the prospective all-electric propulsion systems is justified. However, due to the impossibility to use for launching satellites with a JSC «ISS»’s combined propulsion system into geostationary orbit using foreign launch vehicles not equipped with apogee upper stage, there is a need to apply as part of the spacecraft apogee engine that capable of providing increase of the transfer orbit perigee to an altitude preventing from the spacecraft presence in the area of Van-Allen radiation belts. The feasible mass performances of a middle-class satellite with hybrid orbit transfer propulsion system and compatible with foreign launchers are assigned. The main trends of all-electric propulsion systems development, associated primarily with the transfer scheme, used by different spacecrafts for injection in geostationary orbit are specified.
Список литературы Предпосылки и перспективы создания полностью электрореактивных космических аппаратов для работы на геостационарной орбите
- Peter B. de Selding. New Boeing Satellite Platform Drawing Lots of Customer Interest . URL: http://www.spacenews.com/article/satellite-telecom/34454new-boeing-satellite-platform-drawmg-lots-of-customer-interest (дата обращения: 19.06.2014).
- Peter B. de Selding. SES Partners with European Space Agency, OHB To Build All-electric Satellite . URL: http://www.spacenews. com/article/satellite-telecom/37714ses-partners-with-european-space-agency-ohb-to-build-all-electric (дата обращения: 19.06.2014).
- SmallGEO FLEX Platform. Highly efficient all electric geostationary platform for telecommunication . URL: https://www.ohb-system.de/tl_files/system/pdf/OHB_Plattformbroschuere_SmallGEO_ Electra.pdf (дата обращения: 19.06.2014).
- Peter B. de Selding. News from the Farnborough International Airshow. Dauria Aerospace To Build Two Lightweight Telecom Satellites for Indo-U.S. Venture . URL: http://www.spacenews. com/article/satellite-telecom/41295news-from-the-farnborough-international-airshow-dauria-aerospace-to (дата обращения: 20.08.2014).
- Airbus Defence and Space to build EUTELSAT 172B, first European satellite to perform electric orbit raising . URL: http://www.space-airbusds.com/en/press_centre/airbus-defence-and-space-to-build-eutelsat-172b-first-european-satellite-to.html (дата обращения: 12.09.2014).
- Airbus Defence and Space to build new telecommunications satellite for US operator EchoStar . URL: http://www.space-airbusds.com/en/press_centre/airbus-defence-and-space-to-build-new-telecommunications-satellite-for-us.html (дата обращения: 12.09.2014).
- Lockheed Martin Unveils Major Capability Upgrades to Proven A2100 Satellite Platform . URL: http://www.lockheedmartin. com/us/news/press-releases/2014/september/0908-ss-a2100. html (дата обращения: 12.09.2014).
- Spacecraft transfer orbit techniques: пат. 8763957 США: МПК B 64 G 1/10/Higham John, Scott Tilley; заявитель Space Systems/Loral, Inc., патентообладатель Space Systems/Loral, LLC. № 13/647207; заявл. 08.10.12; опубл. 01.07.14. 9 с.: ил.
- Inmarsat-5 specifications . URL: http://www.boeing.com/boeing/defense-space/space/bss/factsheets/702/Inmarsat-5/Inmarsat-5.page (дата обращения: 19.06.2014).
- Alphabus_factsheet . URL: http://esamultimedia.esa.int/docs/technology/Alphabus_factsheet.pdf (дата обращения: 19.06.2014).
- Универсальная космическая платформа . URL: http://www.energia.ru/ru/automatic/usp.html (дата обращения: 19.06.2014).
- Testoedov N. A., Yakimov E. N., Ermoshkin Yu. M. Overview of electric propulsion activity in Russia//In 30th International Electric Propulsion Conference (September 17-20, 2007, Florence).
- Busek’s Hall Effect Thruster Technology saves Air Force AEHF satellite . URL: http://busek.com/news 201203 aehf.htm (дата обращения: 19.06.2014).
- Goebel D. Evaluation of 25-cm XIPS© Thruster Life for Deep Space Mission Application//материалы 31-й Междунар. конф. по электрореактивному движению. США, 2009.
- Resistojet Propulsion System . URL: http://www.alta-space.com/uploads/file/brochures/Brochure_XR.pdf (дата обращения: 19.06.2014).
- Якимов Е. Н., Ермошкин Ю. М., Волков Д. В. Применение двигательных установок ОКБ «Факел» в составе космических аппаратов ОАО «ИСС»//Электрореактивные системы ОКБ «Факел». Калининград, 2010. С. 113-119.
- Продукция ОКБ «Факел». Двигатель K50-10.1 (летная модель) . URL: http://www.fakel-russia.com/k50-10.html (дата обращения: 19.06.2014).
- Feuerborn S. A., Neary D. A., Perkins J. M. Finding a way: Boeing’s “All Electric Propulsion Satellite”//материалы 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference (14-17 июля 2013, г. Сан Хосе).
- Practical orbit raising system and method for geosynchronous satellites: пат. 7113851 США: МПК B 64/G 1/10, G 06 F 19/00, G 06 F 169/00, G 01 N 15/08/Walter Gelon, Ahmed Kamel, Darren Stratemeier, Sun Hur-Diaz. № 09/328911; заявл. 09.06.99; опубл. 26.09.06. 16 с.: ил.
