REDUCTION OF SPACECRAFT HARNESS MASS

Texto integral

Введение. При проектировании космических аппаратов (КА) проводится анализ баланса массовых, электроэнергетических и ресурсных характеристик КА [1], учитываются разные параметры, одним из которых является отношение массы полезной нагрузки к общей массе КА. Чем лучше это соотношение, тем лучше могут быть выполнены задачи миссии. Обычно грузоподъемность ракеты-носителя определяет максимальную массу КА на орбите. Чем меньше весит платформа, тем больше полезного груза может быть доставлено на заданную орбиту [2]. В связи с высокой стоимостью доставки 1 кг коммерческого груза на геостационарную орбиту (на сегодня она составляет 25-30 тыс. долл. [3]) необходима оптимизация подсистем космических аппаратов, направленная на уменьшение их массы. Необходимо рассмотреть, какую долю в бюджете масс космических аппаратов составляет бортовая кабельная сеть (БКС), и проанализировать, за счет чего возможно обеспечить ее уменьшение на уровне космического аппарата. Проектирование и изготовление бортовой кабельной сети космических аппаратов. В настоящее время проектирование беспилотных космических аппаратов немыслимо без бортовой кабельной сети. Подобно кровеносной системе человека, бортовая кабельная сеть несет на себе столь сложную функцию в космическом аппарате [4]. В настоящее время требования к современным спутникам значительно выросли. Соответственно, и низкочастотная бортовая кабельная сеть, как неотъемлемая часть КА, должна существенно измениться. Производство бортовой кабельной продукции на предприятиях ракетно-космической отрасли в настоящее время осуществляется на основе технологических процессов, материалов, комплектующих изделий, инструментов, технологического и испытательного оборудования, которые разработаны и внедрены 20-25 лет назад для космических аппаратов с ресурсом 3-5 лет. Применяемые в ракетно-космической отрасли технологические процессы изготовления и испытаний бортовых кабелей не позволяют улучшить технические характеристики без увеличения массы, существенно снизить трудоемкость и сократить технологический цикл от разработки до выпуска готовой продукции до 4-6 месяцев, как в западных космических фирмах. В ракетно-космической отрасли существует острая необходимость модернизации производства кабельной продукции за счет разработки и внедрения принципиально новой технологии проектирования, изготовления и испытаний, не уступающей технологиям, применяемым западными космическими фирмами [5]. Массогабаритные показатели особенно важны при создании летательных аппаратов [6]. Доля кабельных линий в весовой сводке масс современных высокоэнерговооруженных КА, например спутников связи типа «Экспресс», за счет увеличения количества транспондеров, например до 84, а в пересчете на эквивалентные с полосой пропускания 36 МГц - до 153, на самом мощном российском спутнике составляет свыше ста килограммов. БКС представляет собой сложную систему, на большом КА для БКС может потребоваться более 50 000 соединений, реализованных на 1 000 соединителях, соединенных 20 км проводов [7]. Кабели имеют значительную протяженность, в связи с этим масса кабельных линий приобретает высокую актуальность. Бортовую кабельную сеть необходимо оценивать на основе уровня конкурентоспособности платформы. Уровень конкурентоспособности платформ геостационарных спутников связи определяется рядом технических и эксплуатационных характеристик, часть из которых не зависит от размерности (класса) платформы и является общим показателем для всех платформ геостационарных спутников связи, по которому можно сравнивать эффективность всех платформ. Основные производители платформ для спутников связи на мировом рынке. В настоящее время мировой уровень платформ для спутников связи определяется такими ведущими мировыми производителями, как следующие американские фирмы: - Boeing Satellite Systems (BSS) (спутники на базе платформ семейства BSS 702 [8]); - Lockheed Martin Commercial Space Systems (LMCSS) (спутники на базе платформ семейства A 2100 [9]); - Space Systems/Loral (SSL) (с 2012 г. является дочерней компанией MacDonald, Dettwiler and Associates (MDA)) (спутники на базе платформ семейства LS-1300 [10]); - Orbital Sciences Corporation (Orbital) (спутники на базе платформ семейства Star Bus), - а также западноевропейские фирмы: - Thales Alenia Space (спутники на базе платформ семейства Spacebus [11]); - Airbus Defence & Space (ранее EADS Astrium, до реорганизации и объединения в 2014 г. с Airbus Military и Cassidian) (спутники на базе платформ семейства Eurostar [12]); - Thales Alenia Space совместно с Airbus Defence & Space (перспективные спутники на базе совместной платформы Alphabus [13]). В России единственным производителем платформ геостационарных спутников связи, относительно широко представленным как на внутреннем, так и на внешнем рынке, является АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва». АО «ИСС» разрабатывает платформы среднего класса семейства «Экспресс-1000» (с мощностью для полезной нагрузки до 8 кВт) и платформы тяжелого класса семейства «Экспресс-2000» (с мощностью для полезной нагрузки до 16 кВт) [14]. Сравнение массовых характеристик двух платформ тяжелого класса. Сравнение массовых характеристик платформ тяжелого класса (мощность для полезной нагрузки более 8 кВт) - платформы Eurostar 3000 (E 3000) фирмы Airbus Defence & Space и платформы «Экспресс-2000» разработки АО «ИСС» - приведено в табл. 1 и на рис. 1. Таблица 1 Массовые характеристики платформ E 3000 и «Экспресс-2000» и спутников на их базе Массовые характеристики Платформа Eurostar 3000 фирмы Airbus Defence & Space Платформа «Экспресс-2000» АО «ИСС» Масса, кг % от сухой массы Масса, кг % от сухой массы Масса бортового комплекса управления (БКУ) (с командно-измерительной системой (КИС)) 80,1 2,8 108,1 3,62 Масса системы ориентации и стабилизации (СОС) (без поворотного устройства солнечной батареи (УПБС)) 41,7 1,46 59,6 2,0 Масса системы электропитания (СЭП) (включая механические устройства солнечной батареи (МУ БС) и УПБС) 711,3 24,87 632 21,17 Масса системы коррекции (СК) 238 8,32 185,7 6,22 Масса системы терморегулирования (СТР) 188,4 6,59 219,5 7,35 Масса конструкции (включая полезную нагрузку (ПН)) 604,7 21,15 547,7 18,35 Масса бортовой кабельной сети 48,9 1,71 154 5,16 Сухая масса платформы 1913,1 66,9 1907,4 63,87 Масса полезной нагрузки 946,6 33,1 1079 36,13 Сухая масса спутника 2859,7 100 2986,4 100 Масса топлива для миссии на геостационарной орбите (ГСО) 975 34,09 339,5 11,37 Масса КА на момент начала работы на ГСО 3834,7 134,09 3325,9 111,37 Масса топлива для выведения на ГСО 1850 64,69 0 0 Стартовая масса КА (без адаптера и устройства отделения (УО)) 5684,7 198,78 3325,9 111,37 Рис. 1. Массовые характеристики платформ и их бортовых подсистем [15] Сравнение массовых характеристик БКС рассматриваемых платформ. Результаты сравнения массовых характеристик платформ «Экспресс-2000» и E 3000, а также их подсистем позволяют сделать следующий вывод по БКС. Масса БКС платформы «Экспресс-2000» существенно превышает массу БКС платформы E 3000 как в абсолютном выражении, так и в процентах от сухой массы спутника (154 кг или 5,16 % по сравнению с 48,9 кг или 1,71 %), что свидетельствует о том, что примененные технологии, а также материалы и комплектующие не соответствуют современному уровню требований. Для повышения конкурентоспособности должны быть разработаны и квалифицированы новые конструктивные и технологические решения по конструкции БКС [15]. Кооперация в спутникостроении. Технология Bus Bar для систем электропитания КА, ее преимущества. В спутникостроении развита кооперация. При создании спутников, как для государственных, так и для коммерческих заказчиков, широко используется и российская, и зарубежная кооперация [16]. На кабельной продукции специализируются многие фирмы. ОАО «ИСС» сотрудничает с компанией Axon’ Cable SAS (Франция), которая производит и поставляет силовые шины питания, изготовленные по современной технологии Bus Bar для системы электропитания спутников. Шины Bus Bar (рис. 2) предназначены для того, чтобы распределять электропитание между различными устройствами и приборами на борту космического аппарата. Применение алюминиевых силовых шин в составе спутника позволит значительно сократить массу электрической системы, а значит, и общий вес космического аппарата. Еще одним важным преимуществом новых элементов питания является то, что они выполняют функцию теплоотвода. За счет прямоугольного профиля и ровной поверхности шины обладают хорошим теплообменом, а значит, не позволяют перегреваться составным частям спутника, что крайне важно в условиях космоса. Силовые шины Axon’ будут применяться на перспективных спутниках, создаваемых АО «ИСС» в интересах российских и зарубежных заказчиков. АО «ИСС» работает над вопросом создания производства кабельной продукции на основе технологий Axon’, что позволит добиться снижения массы изделия и удешевить его запуск. Сейчас общий вес сетей на спутниках АО «ИСС» составляет 6-8 % от массы космического аппарата, на западных спутниках - 4 %. Технологии Axon’ позволяют производить кабельные жгуты, толщина жил которых составляет около двух микрон [17]. Основные преимущества шин: - меньшая масса по сравнению с решениями с применением меди; - улучшенное тепловыделение по сравнению с силовым кабельным жгутом круглой формы; - возможность значительного сокращения падения напряжения линии распределения питания. Множество КА на базе платформы Eurostar 3000, имеющих летную 10-летнюю квалификацию, оснащено шинами производства компании Axon’ (например, КА ASTRA, ARABSAT, INTELSAT, SKYNET). Сравнение силовых шин Bus Bar и традиционно используемых кабелей. Показатель для сравнения параметров кабельной продукции. Важно сравнить технические характеристики кабелей и выбрать наиболее подходящие. Силовые шины Bus Bar компании Axon’ квалифицированы для космического применения, и по параметрам и характеристикам (рабочему напряжению в цепях, максимальному току в цепях, допустимому падению напряжения в цепях, рабочей температуре, потере массе неметаллических материалов, содержанию летучих конденсируемых веществ в неметаллических материалах, радиационной стойкости) соответствуют всем установленным требованиям. Применение силовых шин Bus Bar вместо традиционно используемых кабелей с медными жилами позволяет уменьшить массу силовой низкочастотной бортовой кабельной сети (НЧ БКС) до 45 %. Нами предложен обобщенный показатель для сравнения параметров кабельной продукции: где I - максимально допустимый ток; l - длина; τ - гарантийный срок службы, квалифицированный в составе КА; m - масса, кг; с - стоимость, руб. img_2 Рис. 2. Внешний вид шины Bus Bar [18] Таблица 2 Таблица параметров для сравнения кабельной продукции и обобщенный показатель Тип кабеля I l τ m с K Кабель АО «ИСС» I l 15 лет m c K Кабель Axon’ I l 15 лет 0,55m 2c 0,9K Как видно из табл. 2, кабели отличаются только по массе и стоимости, что позволяет рассчитать параметр K по сокращенной формуле где p - произведение I, l, τ. Получаем, что для кабелей производства АО «ИСС» показатель равен K, а для силовых шин Bus Bar показатель равен 0,9 K. Заключение. Несмотря на то, что стоимость кабелей производства АО «ИСС» в два раза ниже стоимости силовых кабелей зарубежного производителя, решающим критерием при принятии решения в пользу силовых шин Bus Bar является их масса и возможность уменьшения массы силовой НЧ БКС до 45 %. Для подтверждения соответствия силовых шин требованиям, заданным на их уровне, в части механических воздействий, действующих на космический аппарат во время наземной отработки, транспортировки, на этапе выведения и при выполнении маневров при эксплуатации на орбите, изготовители силовых шин проводят испытания на инженерно-квалификационных моделях. Также летные модели силовых шин подвергаются испытаниям на внешние воздействия в составе КА на приемочных уровнях. Мы предлагаем провести испытания силовых шин с имитацией механических воздействий, действующих на КА на протяжении всего жизненного цикла КА, для определения надежности новой технологии силовых шин и подтверждения их соответствия требованиям спецификации.

Sobre autores

V. Dvirnyi

JSC “Information satellite systems” named after academician M. F. Reshetnev”

52, Lenin str., Jeleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

N. Eremenko

JSC “Information satellite systems” named after academician M. F. Reshetnev”

Email: erko@iss-reshetnev.ru
52, Lenin str., Jeleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

G. Dvirnyi

JSC “Information satellite systems” named after academician M. F. Reshetnev”

52, Lenin str., Jeleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

Bibliografia

Arquivos suplementares