Принципы субмодульного построения унифицированной космической платформы

За период развития космонавтики технологии в области создания конструктивных элементов, материалов, электроники, бортовых приборов шагнули далеко вперед. Адаптация современных технологий, разработанных в смежных высокотехнологичных областях, для использования в космической технике позволяет создавать космические аппараты (КА) сегодняшнего поколения, более легкие и компактные, с расширенным функционалом, на принципах негерметичного конструктивного исполнения с использованием модульного принципа построения.

В отечественной практике передовые предприятия космической промышленности имеют опыт частичной реализации идеологии модульного построения для ряда космическиx проектов. Так, в АО «ИСС» создано семейство платформ негерметичного конструктивного исполнения «Экспресс-1000», «Экспресс-2000», уже имеющих положительный опыт летной эксплуатации в

составе КА связи, функционирующих на геостационарной орбите.

В данном случае принцип модульности реализуется на уровне КА, а точнее – космической платформы, модули полезной нагрузки могут меняться, но являются типовыми (задачи связи), и применение платформ, как показывает отечественная практика, ограничивается геостационарной орбитой.

Данная тенденция деления на две составляющие справедлива для создания КА определенного назначения. Эти ограничения обусловлены специфическими, часто противоречивыми требованиями к платформе со стороны полезных нагрузок различного назначения и несхожих условий функционирования на разных типах орбит. Исходя из этого, на практике область применения унифицированных космических платформ довольно ограничена. Без доработок и дополнительной наземной экспериментальной отработки космическая платформа может использоваться только для схожих типов полезных нагрузок, характеристики которых колеблются

ИССЛЕДОВАНИЯ в довольно узком диапазоне, и ограниченного класса орбит.

За рубежом подобные решения активно применяются как для геостационарных КА связи, так и для КА связи, функционирующих на низких и средних круговых орбитах. Наглядным примером является базовая платформа ELiTeBus. Малые КА на базе платформы ELiTeBus функционируют в составе КА связи IRIDIUM, Globalstar, 03b на орбитах в пределах 800–10 000 км.

Для разработки действительно универсальной платформы, способной служить основой для 162 создания на ее базе космических аппаратов различного целевого назначения, работающих на всех типах орбит, необходимо иметь возможность замены специфичных частей (систем) платформы в зависимости от конкретных требований со стороны полезной нагрузки и орбиты функционирования КА.

Для этого предлагается разделить космическую платформу на отдельные субмодули. Такое техническое решение позволит подбирать субмодуль нужного варианта исполнения под конкретное требование к платформе со стороны полезной нагрузки и других ограничений, упростить производство, снизить затраты, повысить качество продукции, перевести производство космических платформ и МКА на более высокий автоматизированный и технологический уровень (использование элементов «конвейерного производства»).

Назначение платформы определяет состав субмодулей и их вариантное построение. Все субмодули монтируются на единую силовую конструкцию, являющуюся основой для конструктивно-силовой схемы космической платформы и МКА в целом.

Стоит также отметить, что каждый субмодуль в отдельности имеет четко определенные механические, электрические и тепловые интерфейсы. Субмодули протолетной платформы проходят полный цикл наземной отработки (электрической, механической и термовакуумной). Для последующих платформ они проходят минимально необходимый (в объеме приемосдаточных испытаний) объем проверок (электрических, механических и термовакуумных).

Для каждого субмодуля существуют свои массогабаритные ограничения и четкие механические и информационные интерфейсы с другими субмодулями и силовой конструкцией. Таким образом, платформа может строиться из любого набора разрабатываемых в ее рамках субмодулей и модернизироваться при изменении требований к конкретному проекту.

По сути, каждый субмодуль представляет собой определенную подсистему платформы, установленную на унифицированную конструкцию с четко определенными механическими,

Том 1

тепловыми и электрическими интерфейсами. Далее рассмотрим каждый субмодуль более подробно.

Несущая конструкция

Несущая конструкция является конструктивно-силовой основой всей платформы и служит для обеспечения механического интерфейса субмодулей. Конструкция принимает основную часть механических возмущений, действующих на платформу во время транспортировки, выведения и функционирования КА. Кроме того, он обеспечивает механический интерфейс с устройством отделения КА.

Несущая конструкция предназначена:

• •    для размещения и обеспечения требуемого вза-имоположения субмодулей платформы на всех этапах наземной и летной эксплуатации;

• •    для обеспечения необходимых значений уровней механических нагружений на всех этапах изготовления, наземной и летной эксплуатации;

• •    для обеспечения механических интерфейсов с МПН;

• •    для обеспечения механических интерфейсов с устройством отделения КА.

Несущая конструкция проходит механические испытания на максимальные воздействия, что позволит квалифицировать ее однажды для всех вариантов построения платформы.

Субмодуль бортового комплекса управления

Субмодуль бортового комплекса управления (БКУ) предназначен для управления и контроля функционирования КА автономно и совместно с наземным комплексом управления (НКУ) и решает следующие задачи:

• •    обеспечение управляющей среды для реализации задач управления бортовыми системами КА от программного обеспечения систем и с НКУ;

• •    обеспечение организации внутреннего (автономного) контура контроля и управления КА;

• •    обеспечение информационно-логического взаимодействия с внешним контуром управления;

• •    прием и обработка сигналов навигационных КА, определение в режиме реального времени параметров движения КА (координат, составляющих вектора скорости, пространственной ориентации осей КА (при необходимости);

• •    обеспечение проведения комплексных испытаний и проверок КА на заводе-изготовителе и подготовка на техническом и стартовом комплексе.

Состав субмодуля БКУ должен быть опти-мальным и неизменным для большинства реша-

Принципы субмодульного построения унифицированной космической платформы емых задач МКА данного класса. Это позволит использовать субмодуль БКУ без доработок для многих проектов и, следовательно, сэкономить время на адаптацию платформы под конкретный МКА.

Субмодуль системы ориентации и стабилизации

Субмодуль системы ориентации и стабилизации (СОС) служит для выполнения следующих функций:

• •    проведение успокоения и начальной ориентации КА с момента включения СОС до перехода в штатный режим функционирования;

• •    обеспечение трехосной стабилизации КА в соответствии с требованиями по эксплуатации в течение всего САС;

• •    обеспечение ориентации солнечных батарей (БС) на Солнце;

• •    осуществление заданного программного разворота КА для целей проведения коррекции орбиты и поддержания заданной ориентации КА в процессе работы двигателей коррекции;

• •    обеспечение живучести КА путем осуществления ориентации рабочих панелей БС на Солнце при возникновении на борту аварийных ситуаций.

Очевидно, что требования со стороны возможных полезных нагрузок и орбиты функционирования к субмодулю СОС могут существенно отличаться, поэтому необходимо определить приборы и оборудование, которое не изменялось бы от целевого назначения спутника и его орбиты. Данный приборный состав будет являться базовым и неизменным, но он может быть функционально дополнен для выполнения конкретных требований к платформе со стороны полезной нагрузки.

Состав субмодуля СОС должен быть оптимальным для удовлетворения типовых требований к современным КА данного класса. При необходимости улучшения характеристик СОС, например, для МКА дистанционного зондирования Земли в его состав функционально добавляется оборудование, устанавливаемое на модуль полезной нагрузки. Таким образом, сохраняется неизменность базового состава субмодуля СОС и существует возможность улучшения характеристик платформы с минимальными доработками.

Субмодуль системы электропитания

Субмодуль системы электропитания (СЭП) предназначен для непрерывного обеспечения электроэнергией заданного номинала и качества бортовой аппаратуры КА на участке выведения,

в начальных режимах ориентации, в течение всего срока эксплуатации и при наземной подготовке.

Исходя из условий эксплуатации КА и сложившейся мировой практики, система электропитания КА состоит из основного источника электроэнергии, служащего для питания КА во всех режимах работы, вторичного источника электроэнергии, для обеспечения питанием нагрузки на теневых участках орбиты и в аварийных ситуациях. Данная архитектура построения системы электропитания КА имеет высокий уровень квалификации и эксплуатации с положительным результатом.

В качестве основного источника энергии, исходя из обеспечения больших мощностей потребления при малых массах, как и принято во всем мире, целесообразно использование энергии БС. Учитывая, что БС не работоспособны на теневых участках орбиты, необходимо применение вторичного источника энергии - аккумуляторной батареи (АБ). Для обеспечения стабилизированным питанием бортовой аппаратуры, заряда АБ и обеспечения совместной работы БС и АБ в составе модуля СЭП предусматривается энергопреобразующая аппаратура.

Субмодуль СЭП может иметь несколько вариантов построения, исходя из конкретных требований со стороны полезной нагрузки.

Вместе с тем субмодуль СЭП должен быть спроектирован таким образом, чтобы можно было при необходимости извлечь АБ для проведения с ними регламентных работ, не разбирая конструкцию субмодуля и не затрагивая другие субмодули платформы в целом.

Субмодуль двигательной установки

Субмодуль двигательной установки (ДУ) предназначен для выработки импульса тяги для коррекции орбиты МКА при выполнении маневров приведения в рабочую точку, удержания, увода на орбиту захоронения и создания управляющих моментов для обеспечения ориентации МКА в пространстве (при необходимости).

Субмодуль ДУ может иметь несколько вариантов исполнения, исходя из требований к орбите, сроку активного существования и других характеристик конкретного КА.

Для высокоэнерговооруженных КА рационально использовать данный субмодуль на базе электрореактивных двигателей. Кроме того, в состав субмодуля ДУ могут входить двигатели ориентации, обеспечивающие совместно с субмодулем СОС ориентацию КА в пространстве, а также служащие для разгрузки двигателей-маховиков из состава субмодуля СОС.

ИССЛЕДОВАНИЯ

Для низкоэнерговооруженных КА, работающих на низких круговых орбитах, оптимально использовать двигательную установку термокаталитического типа с небольшим энергопотреблением и высокой тягой.

Субмодуль ДУ собирается и заправляется автономно. Установка субмодуля на платформу должна происходить в последнюю очередь.

Размещение оборудования модуля ДУ на единой базовой конструкции несет в себе ряд преимуществ, таких как:

• •    минимизация длин трубопроводов;

164    • возможность автономной заправки модуля ДУ;

• •    в зависимости от назначения МКА возможен выбор наиболее подходящего по характеристикам модуля ДУ;

• •    при наземной экспериментальной отработке модуль ДУ отрабатывается как сборочная единица, которая впоследствии не требует дополнительной отработки.

Элементы системы терморегулирования

Элементы системы терморегулирования (СТР) предназначены для поддержания температуры оборудования и конструкции платформы в заданных температурных диапазонах в процессе орбитального функционирования в любом режиме эксплуатации в течение заданного САС, в том числе в режимах обеспечения живучести.

Элементы СТР совместно с технологическими средствами термостатирования обеспечивают тепловой режим оборудования платформы при наземных испытаниях.

Том 1

Необходимая площадь радиационных поверхностей при их дефиците на каком-либо субмодуле (для орбит, на которых большая часть радиационных панелей субмодуля подвергается засветке Солнцем) достигается за счет применения дополнительных тепловых труб, которые обеспечивают тепловой интерфейс между радиационными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах платформы.

Бортовая кабельная сеть

Каждый субмодуль платформы имеет собственный комплект бортовой кабельной сети (БКС). БКС модуля осуществляет электрическую интеграцию всей бортовой аппаратуры в пределах самого субмодуля, а также с приборами, расположенными на других субмодулях платформы, через пересты-ковочные соединители БКС. Электрический интерфейс для субмодулей платформы унифицирован, что, в свою очередь, обеспечивает легкую взаимную электрическую стыковку субмодулей между собой.

Применение унифицированной космической платформы, составленной из субмодулей, даст возможность решения различных целевых задач на всех орбитах функционирования, следовательно, позволит существенно сократить сроки создания и стоимость конкретного МКА за счет возможности модифицировать платформу под конкретную задачу, изменяя только необходимые субмодули, и минимизации объёма наземной экспериментальной отработки.