Предпосылки создания малых космических аппаратов
Последние 10 — 15 лет ознаменовались интенсивным развитием методов исследования Земли с помощью космических средств наблюдения. Накопленный опыт интерпретации спутниковых измерений в интересах различных отраслей народного хозяйства и наук о Земле показывает, что наблюдения из космоса позволяют получать сведения о процессах, протекающих в атмосфере, океане и на поверхности суши. Следует отметить, что с помощью космических средств могут быть начальные охвачены явления различных пространственно временных масштабов — от планетарных до масштабов регионов и отдельных объектов; от длительного, в течение всего срока службы спутника, до разового наблюдения во времени. В этом существенное преимущество космических средств по сравнению с традиционными — наземными.
Другим важным преимуществом космических средств является оперативность поступления информации на центральные, региональные и частные станции приема и обработки информации. Мониторинговый режим работы космических средств позволяет получать информацию о природно-экологическом состоянии окружающего региона в режиме прямой съемки и передачи информации, что очень важно при решении задач, связанных с экологической обстановкой.
Таким образом космические средства получения информации становятся одним из важнейших инструментов изучения процессов, протекающих на поверхности Земли и в околоземном пространстве. Но этот инструмент является достаточно дорогостоящим и перед разработчиками космических систем, особенно в условиях экономического спада в России, стоит задача поиска путей минимизации расходов по их созданию. Решение этой проблемы лежит в нескольких направлениях.
Задачи ДЗЗ, решаемые с помощью космических средств, были сформулированы во многих работах специалистов различных областей народного хозяйства и науки. Они могут быть классифицированы по следующим тематическим направлениям:
— сельское хозяйство;
— климатология, контроль глобальных атмосферных изменений;
— поиск полезных ископаемых и энергоносителей;
— землепользование;
— наблюдение прибрежных зон и океанов;
— лесное хозяйство;
— контроль водных ресурсов;
— мониторинг чрезвычайных ситуаций. Анализ задач ДЗЗ показывает, что:
— одни и те же решаемые задачи находятся в области интересов различных государственных и региональных ведомств;
— различные задачи могут быть решены на базе одной и той же информации. При этом решение целевой задачи обеспечивается за счет тематической обработки.
Таким образом, возникает реальная возможность минимизировать количество модификаций КА за счет оптимизации состава их информационных комплексов и удовлетворить при этом практически всех потребителей информации ДЗЗ.
В России, после распада СССР, сложилась крайне тяжелая ситуация с ракетоносителями (РН), способными выводить большие космические аппараты на солнечно-синхронную орбиту (ССО). Наиболее надежной ракетой все последние годы считался РН «Зенит» разработки КБЮ (Украина). Но его высокая стоимость, проблемы с заказом поставили под угрозу все программы создания космических систем ДЗЗ, требующих ССО.
С другой стороны, наличие большой номенклатуры конверсионных ракет («Рокот», «Стрела», «Космос», «Днепр»), снимаемых с боевого дежурства, требующих минимальной доработки и способных выводить на ССО мини спутники (весом до 1000 кг) позволяет значительно снизить стоимость запуска КА.
Таким образом, возникает насущная необходимость создания космических аппаратов ДЗЗ класса «мини».
Бурный всплеск развития электронных средств, технологий, появление новых материалов позволяет сегодня значительно уменьшить массогабаритные и энергетические характеристики электронных систем, применяемых в космической технике. Постепенное понижение стоимости ЭРИ нового поколения лежит в основе создания относительно недорогих миниатюрных электронных систем космического применения.
Анализ целевых задач ДЗЗ, требований, предъявляемых научными информационными комплексами к служебным платформам, позволил прийти к выводу о возможности создания единой унифицированной служебной платформы для различных типов КА ДЗЗ. Такой подход предусматривает значительное снижение стоимости разработки и изготовления КА.
Анализ вышеизложенных направлений минимизации стоимости создаваемых космических систем ДЗЗ заставил коллектив разработчиков космической техники НПП ВНИИЭМ в 1999 г. начать инициативную работу по разработке ряда малых космических аппаратов (МКА) на базе унифицированной малогабаритной космической платформы (УМКП).
В основу разработки МКА была положена следующая концепция:
— создаются малые КА, вывод на орбиту которых обеспечиваемый относительно дешевыми
— основой всех типов КА является унифицированная малогабаритная космическая платформа, обеспечивающая точную трехосную ориентацию, программные повороты КА, достаточное электропитание и современное автоматическое управление полезной нагрузкой и служебными функциями;
— вся бортовая служебная и информационно-измерительная аппаратура создается в негерметичном исполнении;
— обеспечение надежности КА и длительной автономной работоспособности осуществляется как методами тщательной наземной отработки, так и выбором оптимальной структуры и характеристик бортовых средств управления;
— осуществляется максимально возможное совмещение радиоканалов для основной и служебной информации; при этом пункты управления космическими аппаратами совмещаются с пунктами (центрами) приема и обработки основной информации;
— при разработке КА, их служебных систем и полезных нагрузок в полной мере должны использоваться передовые технические и технологические решения, импортные и отечественные комплектующие элементы, позволяющие создавать миниатюрные массогабаритные бортовые устройства;
— наземные технические средства, служащие для приема и обработки полезной информации от малых КА, должны с максимальной преемственностью использовать малые, в том числе мобильные, станции и быть оборудованы современными вычислительными средствами, позволяющими оперативно выполнять первичную, а в крупных центрах также тематическую обработку спутниковой информации.
Унифицированная малогабаритная космическая платформа
Анализ возможных информационных комплексов МКА ДЗЗ позволил оптимизировать состав и технические характеристики унифицированной служебной платформы и явился основой для ее проектирования.
Многолетний опыт создания КА во ВНИИ- ЭМ, определивший его высокую самостоятельность и независимость от других фирм в части разработки бортовых служебных систем, позволил минимизировать кооперацию, что сегодня является залогом реализуемости проекта и минимизации его стоимости.
При выборе способа компоновки УМКП учитывались следующие основные положения:
— необходимость обеспечения возможности создания на основе УМКП перечисленных ниже 5 типов МКА с размещением приборов полезной нагрузки соответствующего состава;
— каждый МКА должен иметь суммарную массу, не превышающую возможности вывода на выбранные ССО конверсионными типами РН (850 и 800 кг для орбит высотой 650 и 830 км соответственно);
— компоновка МКА должна обеспечивать возможность его размещения в зоне полезного груза под головным обтекателем указанной РН с безопасными зазорами;
— целесообразно использовать негерметичный вариант компоновки, позволяющий существенно облегчить и упростить конструкцию МКА. При этом, однако, вопросы радиационной защиты, обеспечения необходимого температурного режима и т.п. отдельных систем необходимо решать с помощью индивидуального подхода к каждой аппаратуре;
— минимальный (не более 170 кг) собственный вес конструкции должен быть обеспечен при достаточных коэффициентах запаса по прочности;
— необходимо обеспечение требуемых углов обзора и точности привязки к строительным осям платформы датчиков информационной аппаратуры и системы ориентации;
— система раскрытия панелей солнечной батареи должна отвечать требованиям безопасности и надежности, а компоновка этих панелей — обеспечивать минимально возможный момент инерции на валу привода СОСБ для снижения массы и энергопотребления последнего;
— конфигурация УМКП должна быть выбрана таким образом, чтобы возмущающие моменты от светового и аэродинамического давления были минимальными с целью стабилизации орбитальных параметров, а моменты инерции МКА по всем осям были оптимизированы для облегчения задачи СО;
— конструкция УМКП должна обеспечивать удобство проведения монтажных, испытательных и отладочных наземных работ, не затрудняя доступ к приборам и кабельной сети;
— при размещении аппаратуры должно быть учтено условие минимизации протяженности кабельных связей для сокращения потерь в проводах и обеспечения электромагнитной совместимости аппаратуры МКА.
Унифицированная малогабаритная космическая платформа:
После проведенного анализа оптимальной конфигурацией несущей конструкции, отвечающей перечисленным выше требованиям, была признана негерметичная прямоугольная четырехгранная призма с размером 1200 х 1200 мм и высотой 1000 мм. Корпус собирается из четырех одинаковых панелей, которые представляют собой композицию из двух углепластиковых листов толщиной 0,8 мм и сотового алюминиевого заполнителя, включенного между ними. Аппаратура монтируется на внутренней стороне трех панелей (четвертая панель конструктивно замыкает силовую схему.
На торцевой плоскости призмы, расположенной по оси +Z КА (направление в зенит), устанавливается панель, аналогичная по конструкции боковым панелям корпуса. На ней размещаются антенны КИС, АСН и механизмы «зачековки» панелей БС, а на внутренней стороне — четырехгранная пирамида с углом при вершине около 100о, на которой установлены четыре маховика системы ориентации.
Два привода системы ориентации солнечных батарей с траверсами для подвески панелей солнечных батарей (вращающихся вокруг оси OX аппарата) монтируются на боковых (+X и -X) панелях корпуса со стороны его кормовой части (+Z).
На торцевой плоскости по оси -Z КА к призме крепится ферменная конструкция, на которой размещаются датчик вертикали, антенны КИС, звездные и солнечный датчики, механизмы «заче- ковки» панелей солнечных батарей, стойка для антенн полезной нагрузки.
На той же торцевой ферме устанавливается специальная сменная панель с полезной нагрузкой, спроектированная с учетом особенностей той или иной конкретной аппаратуры. Блоки двигателей коррекции располагаются на внешней стороне боковых панелей призмы по осям ±Х на расстоянии 200 — 500 мм от торца —Z. Поскольку положение блоков двигателей коррекции зависит от положения центра масс КА, место их крепления определяется для каждого конкретного типа КА.
Описанная выше универсальная малогабаритная космическая платформа легла в основу разработанного в рамках эскизных проектов и технических предложений ряда малых космических аппаратов ДЗЗ.
Малые космические аппараты ДЗЗ
Космический аппарат природоре-сурсного мониторинга «Ресурс-О2Д» предназначен для детального наблюдения подстилающей поверхности, оснащается оптико-электронной аппаратурой высокого и сверхвысокого разрешения и обеспечивает получение космической информации для решения природо-ресурсных задач. КА выводится на ССО средней высотой 650 км.
Для обеспечения полосы захвата 60 км при съемке со сверхвысоким разрешением на КА устанавливаются три комплекта аппаратуры ВЗОР (полоса захвата каждого из которых — 20 км). В обычном режиме работы (как панхроматическом, так и спектрозональном) линии визирования приборов ВЗОР ориентированы таким образом, что «сшивка» полос захвата трех приборов составляет общую полосу шириной 60 км.
Для обеспечения возможности получения стереоизображения за один сеанс съемки два из трех приборов ВЗОР и два прибора АДАПТОН устанавливаются на автоматизированной подвижной части общей сборочной плиты. При переходе в режим стереосъемки, подвижная часть плиты, двигаясь по специальным направляющим, перестраивает один из приборов ВЗОР и один — АДАПТОН под углом от местной вертикали по трассе в направлении полета, а вторую пару — под зеркальным углом против направления полета. В результате наложения их информации по результатам сеанса достигается эффект стереоизображения высокого и сверхвысокого пространственного разрешения.
Суммарная масса целевой оптико-электронной аппаратуры 290 кг, что составляет 36,25 % от массы КА.
Дежурное среднесуточное энергопотребление «Ресурс-О2Д» 370 Вт, потребление в максимально энергонасыщенном информационном сеансе 1350 Вт. Суммарное среднесуточное потребление «Ресурс-О2Д» в штатном режиме составляет около 450 550 Вт.
Космический аппарат обзорного природо-ресурсного мониторинга «Ресурс-О2С» предназначается для продолжения эксплуатации оперативного космического комплекса оперативного природо- ресурсного мониторинга типа «Ресурс-О1» в целях наблюдения суши, водной поверхности и атмосферы в интересах социального и экономического развития страны. Внешний вид МКА представлен на рис.
В состав бортового информационного комплекса (БИК) КА «Ресурс-О2С» входят системы, приведенные в БИК КА «Ресурс-О2С» по сравнению с предыдущей системой «Ресурс-О1»:
— сохраняет возможность сочетания (одновременной передачи) данных среднего и высокого разрешения (приборы МСУ-СКМ и МСУ-100 являются преемниками приборов МСУ-СК и МСУ-Э со-ответственно);
— сохраняет возможность работы в двух режимах: «мониторинга» и «по заказам»;
— существенно расширяет возможности работы в режиме мониторинга. Прибор МСУ-100 не требует наведения на конкретный объект. В полосе обзора прибора МСУ-СКМ (600 км) прибор МСУ- 100 имеет полосу обзора не менее 400 км без наведения, что позволяет существенно расширить круг региональных потребителей;
— предоставляет возможность формирования нескольких режимов мониторинга по выбору оператора космической системы:
— МСУ-СКМ и 1 камера МСУ-100;
— 2 камеры МСУ-100 без перекрытия (полоса обзора 800 км);
— 2 камеры МСУ-100 с частичным (200 км) перекрытием (общая полоса обзора 600 км, разрешение в полосе перекрытия 25 м).
Аппаратура БИК Основные характеристики Количе-ство, шт.
Многозональное скани-рующее устройство среднего разрешения с конической разверткой МСУ-СКМ Спектральный диапазон — 0,44 — 12,5 мкм Количество спектральных каналов — 6 Разрешение — 120 м Полоса обзора — 650 км 2
Многозональное скани-рующее устройство высокого разрешения с линейной разверткой МСУ-100 Спектральный диапазон — 0,5 — 0,8 мкм Количество спектральных каналов — 3 Разрешение — 50 м Полоса обзора — 400 км 3
Бортовая информационная система сантиметрового диапазона с запоминающим устройством БИС-СМ Диапазон частот радиопередающих устройств — 8,025 + 8,400 ГГц Скорость непосредственной передачи —
«Пиковое» энергопотребление КА «Ресурс-О2С» (829 Вт) соот-ветствует режиму работы КА в максимально энергоемком совместном информационном сеансе двух подкомплексов БИК. С учетом реальных условий функционирования КА (сеансный режим работы), среднесуточное энергопотребление КА «Ресурс-О2С» не превысит 500 Вт.
Космический аппарат гидрометеорологического мониторинга Земли «Метеор-М». Предусматривается возможность непрерывной работы информационной полезной нагрузки как в режиме непосредственной передачи, так и с накоплением и периодическими передачами на Землю целевых данных. КА «Метеор-М» выводится на ССО высотой 830 км.
БИК базируется на аппаратуре МТВЗА, ГЛОБУС, фурьеспектрометр ИКФС-2 и ССПД. Виды информации, поставляемые этими приборами, являются основными для гидрометеорологии.
Аппаратура МСГИ-5 и КГИ-4С составляет гелиогеофизический комплекс КА.
СВЧ-радиометр МТВЗА (модуль температурного и влажностно го зондирования атмосферы) предназначен для решения задач численных прогнозов путем измерений температурных и влажностных данных атмосферы по высоте, а также определения интегральных составляющих атмосферы и некоторых параметров подстилающей поверхности. С помощью регистрации и измерений излучения атмосферы и океана в микроволновой области спектра МТВЗА предоставляет информацию для определения температуры поверхности океана, скорости приводного ветра, интегральной влажности атмосферы и влагозапаса облаков.
Источник: http://unnatural.ru