Студенческая пикоспутниковая платформа SibQube: разработка прототипа корпуса пикоспутника класса PocketQub

Введение. В последние 10–20 лет в космической отрасли ярко выражена тенденция миниатюризации космических платформ.

Наиболее распространенным результатом миниатюризации является стандарт КА CubeSat. Стандарт регламентирует габариты КА на уровне 10×10×10 см, 1,3 кг (базовая единица 1U), форму корпуса и набор интерфейсов [1]. Данные КА запускаются с помощью пусковых контейнеров, размещенных в качестве попутной нагрузки на ракетах-носителях, тяжелых КА и международной космической станции. КА CubeSat изначально были задуманы для образовательных целей, но также приобрели популярность в качестве научного, коммерческого и популяризационного инструмента.

Также были разработаны более миниатюрные стандарты КА: PocketQub (5×5×5 см, 125 г) [2], FemtoSAT (3×3×3 см, 35 г ) [3] (рис. 1), а также спрай-ты (Sprites), чипсаты (ChipSat) [4], которые состоят из небольшой печатной платы, на которой присутствуют солнечные батареи, передатчик, процессор и некоторый набор простых датчиков. Обычно такие КА просто транслируют записанные сообщения.

Стандарт PocketQub. Данный стандарт регламентирует внешние габариты КА 5×5×5 см и массу 125 г, что соответствует формату 1p. Стандарт предусматривает различные компоновки от 1p до 8p. Существует возможность запуска КА данного класса с использованием уже существующих контейнеров для КА класса CubeSat. Кроме массогабаритного стандарта существует также стандарт PQ60 [7], который регламентирует размеры печатных плат, типы межплатных электроинформационных разъемов и их распиновку.

Изначально стандарт разрабатывался в рамках концепции 50$Sat – низкобюджетных спутников для широкого доступа в космос. Стандарт был разработан профессором Бобом Твиггсом совместно с Государственным университетом Морхеда [8].

На данный момент запущено четыре космических аппарата подобного класса: $50Sat [9], Wren [10], Qubescout S1 [11], T-LogoQube [12]. Данные КА были запущены в составе миссии UniSat-5 с использованием ракеты-носителя «Днепр» в ноябре 2013 г.

Разрабатываемый сверхмалый космический аппарат SibQube. В Сибирском государственном университете науки и технологий разрабатывается студенческая спутниковая платформа SibQube, отно- сящаяся к классу пикоспутников (рис. 2). Внешний вид КА представлен на рис. 2, а.

Целью разработки является создание платформы-конструктора с низкой стоимостью для образовательных и научных целей. Основными потребителями будут являться научные организации, университеты, школы и организации дополнительного образования.

Платформа может быть применима для следующих задач:

– образовательные программы для студентов и школьников;

– выполнение технологических экспериментов;

– построение группировок КА для изучения параметров верхней атмосферы.

На данный момент стоит задача разработки служебной платформы. В базовом составе платформа должна включать в себя следующие системы: конструкции корпуса; механизм зачековки антенн; бортовой комплекс управления; система электропитания; система приема и передачи данных (полнодуплексная); набор сенсоров.

В связи с малыми габаритами КА существует проблема энергообеспечения, связанная с малой площадью солнечных батарей. Таким образом, одним из важных факторов разработки является обеспечение высокого уровня энергосбережения. Другим важным фактором разработки является обеспечение итоговой низкой стоимости платформы, чтобы сделать ее доступной широкому кругу потребителей [13].

Конструкции корпуса. Корпус представляет собой сборную алюминиевую конструкцию (с возможностью масштабирования до размеров 2p, 3p без принципиальных изменений в конструкции). Конструкционная целостность достигается за счет винтового соединения. В качестве материала был выбран сплав Д16, так как он имеет подходящие механические свойства. В конструкции корпуса используются гнутые детали из листового металла из-за низкой стоимости производства и особенностей сборки (рис. 2, б ) [14]. Основой корпуса служит стандартизированная алюминиевая пластина Base plate. Она удерживает КА в пусковом контейнере, а также обеспечивает возможность перемещения КА по направляющим в контейнере при выведении аппарата из контейнера. Микропереключатели обеспечивают переход КА из спящего в активный режим при выходе аппарата из контейнера.

а

Рис. 1. Устройство космического аппарата: а – класса KickSat [5]; б – стандарта FemtoSAT [6]

б

Fig. 1. Structure of spacecraft: a – KickSat class [5]; б – FemtoSAT standard [6]

a                                                      б

Рис. 2. Космический аппарат стандарта PocketQub: а – внешний вид; б – устройство: 1 – Base plate; 2 – стенки корпуса; 3 – межплатные стойки; 4 – фотоэлемент; 5 – плата радиоэлектронного модуля; 6 – антенна; 7 – сервисный разъем; 8 – микропереключатель

Fig. 2. PocketQub standard spacecraft: а – exterior view; б – structure: 1 – Base plate; 2 – sides of a body; 3 – interplane legs; 4 – photocell; 5 – board of electronic module; 6 – antenna; 7 – service connector; 8 – microswitch

Электронно-технический модуль принципиально представляет собой совокупность печатных плат, разделенных межплатными стойками. Печатные платы связаны между собой электроинформационными межплатными соединениями. Таким образом, платы внутри КА организованы в структуру типа «стэк». КА предполагается оборудовать набором внешних сервисных информационных и электрических интерфейсов для обеспечения возможности внесения поправок в структуру программного обеспечения аппарата, зарядки аккумуляторных батарей.

Изготовленный прототип корпуса представлен на рис. 3. Описанная конструкция полученного прототипа имеет массу 97 г. На данном этапе был изготовлен технологический прототип, задачей которого было подтвердить конструкционные решения, задача максимального облегчения корпуса аппарата не ставилась. Выполнение в стенках вырезов позволит снизить массу деталей корпуса до 20 %.

Анализ конструкции. Расчет для проверки прочности и устойчивости конструкции проводился в конечно-элементном пакете Ansys с использованием модулей Ansys Workbench, Ansys Design Modeller и Ansys Mechanical.

Каждой детали был присвоен материал с уникальными физико-механическими свойствами. Материал платы – текстолит. Материал шпилек – латунь. Материал батарей – кремний.

Граничные условия для анализа соответствуют данным по выведению на орбиту ракеты-носителя (РН) «Днепр» [15].

Был проведен статический анализ на воздействие линейных перегрузок до 20 g; модальный анализ на собственные частоты, динамический анализ случайных воздействий. Анализ на воздействие линейных перегрузок по всем трем осям до 20 g проводился в трех вариантах:

• 1)    продольное направление ускорения;

• 2)    поперечное направление ускорения;

• 3)    направление ускорения под углом в 45º ко всем трем плоскостям.

Граничными условиями для каждого варианта анализа являются ускорение перегрузки и ускорение свободного падения.

Фиксированная геометрия применяется для фиксации модели от свободного перемещения по всем трем осям. Фиксация применяется на крайней грани Base plate (спутник упирается ей в направляющие контейнера).

На основе проведенных расчетов установлено, что при заданных условиях линейных перегрузок конструкция выдерживает нагрузки. Максимальное напряжение, наблюдаемое в модели, не превышает 3,1 МПа. В местах наибольшей концентрации напряжений максимальные напряжения для всех элементов конструкции значительно меньше предела текучести. Это способствует высокому коэффициенту запаса прочности.

Перед проведением анализа на случайную вибрацию необходимо провести модальный анализ на поиск собственных частот. Поиск собственных частот осуществлялся в диапазоне от 0 до 2000 Гц.

Деформации при собственных частотах возникают исключительно в печатных платах электроннотехнического модуля.

Результаты модального анализа представлены в табл. 1. На основе модального анализа был проведен анализ на случайные воздействия. В расчет была введена спектральная плотность виброускорений в зависимости от частоты, эквивалентная вибрационным нагрузкам при полете РН «Днепр».

Было рассмотрено два расчетных случая:

• 1)    нагружение по продольной оси;

• 2)    нагружение по поперечной оси.

Результаты представлены в табл. 2.

Рис. 3. Фотография полученного прототипа корпуса

Fig. 3. Photo of the structure of the prototype produced

Таблица 1

Моды собственных частот КА

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Частота, Гц	865,8	867,2	874,1	879,3	880,9	1435,3	1436,6	1438,3	1441,4
№	10	11	12	13	14	15	16	17	18
Частота, Гц	1445,2	1454,8	1456,2	1456,5	1459,1	1467,8	1485,2	1488,1	1552,5

Результаты динамического анализа случайных воздействий

Таблица 2

Масштаб	1 σ	2 σ	3 σ
Вероятность возникновения, %	68,269	95,45	99,73
Эквивалентное напряжение, МПа	2,637	5,275	7,912

Так как случайная вибрация является величиной неявно заданной, можно лишь определить вероятность возникновения определенной нагрузки в диапазоне частот от 0 до 2000 Гц. Используется статистический анализ, определяющий вероятность появления той или иной амплитуды искомого параметра. Результаты исследований распределяются по нормальному закону.

По результатам проведенных анализов установлено, что конструкция не имеет собственных частот в низкочастотном диапазоне (резонанс возможен при частотах выше 850 Гц). Первая собственная частота наблюдаются при 870 ГЦ, вторая – при 1450 ГЦ. Это удовлетворяет заявленным требованиям, что собственные частоты конструкции не должны быть меньше 10–20 ГЦ. Наиболее высокие показатели спектральной плотности мощности напряжения наблюдаются на второй собственной частоте (1465 Гц), т. е. при данной частоте возникают самые высокие нагрузки.

Однако максимальное возможное напряжение не превышает 8 МПа, что значительно меньше пределов текучести материалов (в среднем около 100–200 МПа для алюминиевых сплавов). Это способствует высокому коэффициенту запаса прочности. Разработанная конструкция удовлетворяет заявленным требованиям.

Заключение. В статье были рассмотрены некоторые стандарты пико- и наноспутников. Приведена концепция и результаты текущей итерации разработки корпуса пикоспутника SibQube, разрабатываемого в СибГУ им. М. Ф. Решетнева.

Разработанный и изготовленный прототип корпуса СМКА стандарта PocketQub позволяет отработать технологию производства и сборки такого типа корпуса. В ходе сборки модели выявлено, что конструкция отдельных узлов не удовлетворяет поставленным эргономическим требованиям простоты конструкции и легкости сборки. Таким образом, конструкция требует доработок, направленных на общее облегчение процесса сборки и наземного обслуживания аппарата, а также достижение минимальной массы при сохранении прочностных характеристик.

В результате проведенного расчета конструкции было выявлено, что конструкция удовлетворяет заявленным требованиям на прочность и устойчивость.

Acknowledgments. We express our gratitude to the Aerospace College of SibSAU and the Resource center for collective use “Space vehicles and systems” for their assistance in the manufacture of prototype parts.