The feature of the “Express-AMU3”, “Express-AMU7” spacecrafts injecton to geostationary orbit

Yuriy M. Ermoshkin; Ермошкин Юрий Михайлович; Aleksey A. Vnukov; Внуков Алексей Анатольевич; Dmitry V. Volkov; Волков Дмитрий Викторович; Yuriy V. Kochev; Кочев Юрий Владимирович; Ruslan S. Simanov; Симанов Руслан Сергеевич; Evgeniy N. Yakimov; Якимов Евгений Николаевич; Sergey Y. Pridannikov; Приданников Сергей Юрьевич

doi:10.31772/2712-8970-2022-23-4-696-707

The feature of the “Express-AMU3”, “Express-AMU7” spacecrafts injecton to geostationary orbit

Authors: Ermoshkin Y.M.¹, Vnukov A.A.¹, Volkov D.V.¹, Kochev Y.V.¹, Simanov R.S.¹, Yakimov E.N.¹, Pridannikov S.Y.²
Affiliations:
1. JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”
2. JSC “Experimental Design Bureau”
Issue: Vol 23, No 4 (2022)
Pages: 696-707
Section: Section 2. Aviation and Space Technology
URL: https://journals.eco-vector.com/2712-8970/article/view/531482
DOI: https://doi.org/10.31772/2712-8970-2022-23-4-696-707
ID: 531482

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Today satellite orbit raising to geostationary orbit by own propulsion to increasing of SC mass has become wide application. Thus ISS has employed orbit raising for a number of satellites built in-house such as Express-AM5, Express-AM6, Express-80 and Express-103. At the same time it should be noted that there is a variety of orbit raising methods. In particular the above satellites were orbit raised using onboard SPT-100 thruster based propulsion subsystem. The whole operation was carried out using a single thruster or a thruster pair. Orbit raising of Express-80 and Express-103 done by a thruster pair was due to the need to meet the constraint of six month orbit raising duration while the launch mass was significantly exceeding the launch vehicle capability. However the orbit raising maneuver duration of approximately 150 days which took place upon the said satellite orbit raising is still too large. It is desirable to reduce it as much as possible. It is evident that under equal circumstances this duration could be reduced by increasing the number of thrusters fired simultaneously. Therefore for the upcoming Express-AMU3 and Express-AMU7 satellite (featuring the same size class as Express-80 and Express-103) where paired launch is expected both methods have been implemented. Two SPT-100B thrusters and an additional SPT-140D thruster have been embarked upon these satellites. The overall thrust of the thruster combination enables a major decrease in the orbit raising duration versus Express-80 and Express-103 program. It is the first time that SPT-140 thruster built by EDB Fakel has been embarked upon a Russian satellite. A dedicated SPU-140D power processing unit was designed and built by Polyus Research and Production Center to supply SPT-140 with power. The three thrusters combination enables significantly reducing the duration of orbit raising to geostationary orbit.

Keywords

plasma thruster, satellite, orbit raising, power processing unit, orbit control

Full Text

Введение

В настоящее время довыведение спутников на геостационарную орбиту стало почти рутинной операцией. Так, только АО «ИСС» применило ее для нескольких КА собственной разработки – «Экспресс-АМ5», «Экспресс-АМ6», «Экспресс-80», «Экспресс-103». Как отмечалось ранее, основными эффектами от применения довыведения являются: а) снижение пусковых затрат примерно вдвое при парном пуске КА, так как используется одна ракета-носитель; б) увеличение массы КА, доставляемой на геостационарную орбиту [1]. Так, полезный эффект для КА «Экспресс-АМ5» составил примерно 110 кг при длительности довыведения 67 суток одним двигателем типа СПД-100В с тягой 83 мН; для КА «Экспресс-80» – около 380 кг при длительности 149 суток двумя двигателями СПД-100В [1]. Применение двух двигателей было обусловлено стремлением уложиться по времени довыведения в разумную величину не более полугода при значительном увеличении выводимой массы. Длительность довыведения одним двигателем в последнем случае составила бы около года, что явно неприемлемо для потребителя. Однако и длительность порядка 150 суток также чрезмерно велика. Очевидно, что длительность довыведения можно уменьшить при прочих равных условиях только увеличением располагаемой тяги двигателей. Этого можно достичь как увеличением тяги отдельных модулей, так и увеличением количества одновременно используемых двигателей. Поэтому для новых КА «Экспресс-АМУ3», «Экспресс-АМУ7» (размерностью аналогичных КА «Экспресс-80», «Экспресс-103»), для которых также предполагался парный запуск, были использованы оба этих способа. Для довыведения были применены два двигателя СПД-100В в режиме с увеличенной до 90–91 мН номинальной тягой аналогично КА «Экспресс-80», «Экспресс-103» и дополнительно – двигатель типа СПД-140Д с номинальной тягой 290 мН мощностью 4,5 кВт (3 кВт в режиме пониженной мощности). Таким образом, суммарная тяга связки двигателей в номинальном режиме составила около 470 мН, что позволяло рассчитывать на существенное снижение длительности довыведения по сравнению с КА «Экспресс-80», «Экспресс-103». Двигатель СПД-140 разработки АО ОКБ «Факел» ранее был квалифицирован для использования на западных КА [2], и в варианте двухрежимного СПД-140Д применяется КА западного производства, например, Eutelsat-172B [3]. Летную историю имеют 60 двигателей типа СПД-140 на 15 зарубежных КА, которые используются для довыведения на ГСО и последующей коррекции орбиты. Длительность довыведения КА варьировалась от 2,5 до 6 месяцев при одновременной работе двух или трех СПД-140 в зависимости от массы и мощности КА. В России такой двигатель был применен впервые. Для его питания в АО «НПЦ Полюс» был специально создан прибор СПУ-140Д.

Следует отметить, что холловские двигатели мощностью около 5 кВт разрабатывались как в России, так и в мире достаточно интенсивно. В АО «ОКБ «Факел» много внимания уделялось исследованию режимов работы СПД-140Д как при наземных испытаниях, так и в процессе летной эксплуатации в составе западных КА [4]. В АО ГНЦ «Исследовательский центр им. М. В. Келдыша» был создан образец двигателя КМ-7, способный работать в диапазоне 3,5–6 кВт [5]. За рубежом двигатель 4,5 кВт BHT-4000/XR-5 (Aerojet, США), который являлся аналогом российского СПД-140, был применен для поднятия орбиты спутника AEHF еще в 2011 [6]. В Европе и Америке широким фронтом идут работы над мощными двигателями от 5 кВт и выше [7–12].

Приборы преобразования и управления для двигателей с мощностью порядка 5 кВт разрабатывались как в США, так и Европе, например, известен прибор PPU Mk3 фирмы TAS-B (Бельгия) [13], а также приборы европейского концерна ADS [14].

Исторически сложилось так, что двигатель СПД-140/СПД-140Д был создан достаточно давно, однако не был востребован для отечественных КА в связи с избыточной мощностью применительно к задачам коррекции орбиты. И только с повышением актуальности задачи довыведения КА повышенной массы на ГСО и стремлением максимально сократить длительность этого этапа двигатель СПД-140Д нашел свое применение на российских КА.

Настоящая работа освещает особенности разработки и применения подсистемы довыведения и коррекции орбиты КА «Экспресс-АМУ3», «Экспресс-АМУ7» с применением двигателя СПД-140Д и СПУ-140Д.

Состав двигательной подсистемы коррекции и довыведения. Выбор типа двигателей, их компоновка на спутнике

В состав двигательной подсистемы для задач довыведения и коррекции орбиты вошли шесть блоков коррекции на базе двигателя СПД-100В, созданных в АО «ОКБ «Факел», Россия (рис. 1, 2), один блок коррекции довыведения на базе двигателя СПД-140Д (АО «ОКБ «Факел») (рис. 3), а также блок газораспределения к нему (рис. 4), три прибора PPU-Mk2 и шесть блоков фильтрации FU (TAS-B, Бельгия) (рис. 5, 6), один прибор СПУ-140Д с фильтром питания (АО «НПЦ «Полюс») (рис. 7, 8), блок подачи ксенона (АО «ИСС») (рис. 9), ксеноновый бак высокого давления (АО «ИСС») (рис. 10).

Как и на КА «Экспресс-80», «Экспресс-103» для довыведения были применены блоки, состоящие из двигателя СПД-100В и блока газораспределения (БГР) в вертикальной компоновке, при которой двигатель был установлен на БГР (рис. 1).

Рис. 1. Блок коррекции довыведения на базе СПД-100В

Fig. 1. Orbit raising thruster unit on the base of SPT-100B

Для коррекции орбиты были применены блоки в варианте горизонтальной компоновки (рис. 2).

Рис. 2. Блок коррекции орбиты на базе СПД-100В

Fig. 2. Orbit control thruster unit on the base of SPT-100B

Характерной особенностью блока коррекции довыведения (БКД) на базе двигателя СПД-140Д явилось отдельное конструктивное исполнение катодов и блока газораспределения, которые устанавливались на отдельные посадочные места в непосредственной близости от двигателя (рис. 3, 4).

Рис. 3. Двигатель довыведения СПД-140Д с катодами

Fig. 3. Orbit raising thruster SPT-140D with cathodes

Рис. 4. Блок газораспределения для двигателя СПД-140Д

Fig. 4. Xenon flow controller for SPT-140D

Рис. 5. Прибор PPU-Mk2

Fig. 5. PPU-Mk2 unit

Рис. 6. Блок фильтрации FU

Fig. 6. Filter unit

Рис. 7. Устройство управления и питания СПУ-140Д

Fig. 7. Power and control unit of PPU-140D

Рис. 8. Фильтр питания СПУ-140Д

Fig. 8. Supply filter of PPU-140D

Рис. 9. Блок подачи ксенона

Fig. 9. Xenon feed unit

Рис. 10. Ксеноновый бак высокого давления

Fig. 10. High pressure xenon tank

Указанные блоки (за исключением блоков PPU, FU, СПУ и фильтра питания) были объединены в систему межблочными трубопроводами по схеме, представленной на рис. 11. Питание всех двигателей рабочим телом осуществлялось из общего бака. Для редуцирования давления рабочего тела до требуемого на входе в двигатель применялся единый двухканальный блок подачи ксенона, который обеспечивал суммарный расход рабочего тела через три одновременно работающих двигателя довыведения.

Рис. 11. Функциональная схема двигательной подсистемы:

КБВД – ксеноновый бак высокого давления; БПК – блок подачи ксенона; БК – блоки коррекции; ГЗ – горловина заправочная; ГП – горловина проверочная; ДВД – датчик высокого давления; ДНД – датчик низкого давления; ДД – датчик давления; КБК – корпус баллона композитного; ПК – пироклапан; ПРТ – подогреватель рабочего тела; РД – редуктор давления; Ф – фильтр; ЭК – электроклапан

Fig. 11. Propulsion subsystem functional scheme

Как и ранее на КА «Экспресс-80» и «Экспресс-103», на КА «Экспресс-АМУ3», «Экспресс-АМУ7» была принята концепция раздельного использования двигателей для довыведения и последующей коррекции орбиты. Двигатели были закреплены на корпусе КА неподвижно. Для коррекции долготы и наклонения орбиты предназначены двигатели 1–4, для операции довыведения – двигатели 5–7 (рис. 12).

Рис. 12. Расположение блоков коррекции по осям связанной системы координат (Х – по радиус-вектору, Y – по вектору скорости, Z – на Север): 1–4 – двигатели коррекции орбиты, 5–7 – двигатели довыведения

Fig. 12. Thruster units allocation along the axis of the concerned coordinate system (X – along the radius vector, Y – along to velocity vector, Z – to North): 1–4 – orbit control thrusters, 5–7 orbit raising thrusters

Преимуществом данной концепции является то, что у двигателей довыведения практически отсутствуют потери в тяге из-за малого отклонения их осей от требуемого направления. Другим преимуществом является то, что с учетом значительного масштаба операции довыведения в смысле величины вырабатываемого суммарного импульса не расходуется ресурс двигателей коррекции орбиты. Неподвижное закрепление двигателей позволяет отказаться от достаточно сложной системы управления вектором тяги с использованием приводов или манипуляторов и снизить за счет этого массу конструкции платформы спутника. Двигатели довыведения вследствие их значительной суммарной тяги можно также применить для ускоренного перевода КА в другую точку геостационарной орбиты или увода на орбиту захоронения.

Режимы работы двигателей. Организация их питания рабочим телом и электроэнергией. Схема управления двигателями

Как и ранее на КА «Экспресс-80», «Экспресс-103», двигатели СПД-100В были использованы в режиме повышенной мощности и тяги в пределах регулирования выходных параметров приборов PPU-Mk2. По сравнению с номинальным режимом тяга возросла примерно на 10 %, экономичность – на 4 %, мощность – на 13 %.

На КА «Экспресс-АМУ7» двигатель СПД-140 использовался в режиме номинальной мощности – 4,5 кВт, а на КА «Экспресс-АМУ3» – при пониженной мощности (3 кВт) с целью отработки данного режима для обеспечения коррекции орбиты перспективных КА.

Для питания трех двигателей необходимо было обеспечить расход рабочего тела через блок подачи ксенона на уровне порядка 30 мг/с. Для этого была применена специально разработанная модификация блока подачи ксенона с увеличенным расходом через редуктор.

Для решения задач довыведения и коррекции орбиты была выбрана схема электрического питания блоков коррекции, предполагающая применение трех приборов PPU-Mk2, шести блоков фильтрации FU и одного СПУ-140Д, в составе блока управления и преобразования и фильтра питания (рис. 13).

Приведенная на рис. 13 схема была выбрана, исходя из возможностей PPU-Mk2 по управлению одним из двух блоков коррекции за счет встроенного внутреннего коммутатора двигателей (Thruster switch unit – TSU) аналогично схеме, примененной для КА «Экспресс-80», «Экспресс-103».

Управление БКД с СПД-140Д осуществлялось по схеме: один двигатель – одна система преобразования и управления (СПУ). Прибор СПУ-140Д проектировался в упрощенном одноканальном нерезервированном варианте, так как предполагался к использованию на ограниченном временном интервале (участок довыведения составлял по плану около 1 % от срока службы КА). Была предусмотрена возможность запитки двигателя с потреблением 4,5 и 3 кВт. Коммутация цепей осуществлялась только при выборе катода. Остальные цепи были выполнены без коммутации.

Рис. 13. Реализованная схема запитки блоков двигательной подсистемы коррекции

Fig. 13. Consummated scheme of the thruster units feeding

Управление двигательной подсистемой от бортового программного обеспечения

С учетом автоматизации запуска двигателей, реализованной в приборах PPU Mk2, программное обеспечение двигательной подсистемы по отношению к PPU и СПД-100В осуществляло только контрольные и некоторые вспомогательные функции, которые включали в себя:

– занесение в PPU уставки 5А по току, 306 В по напряжению разряда, 12 А по току накала катода;

– считывание значений телеметрических параметров;

– выдачу команд на формирование режимов PPU;

– отключение PPU и двигателей в аномальных ситуациях;

– формирование статистических и диагностических отчетов.

Для управления двигателем СПД-140Д и СПУ-140Д был применен другой подход: с учетом упрощенного построения прибора запуск и контроль работы прибора и двигателя осуществлялись с помощью отдельной специально разработанной бортовой программы. В задачи этой программы входила реализация циклограммы запуска, а также контроль параметров двигателя и СПУ в процессе работы, формирование отчетной информации.

Данная версия БПО двигательной подсистемы довыведения и коррекции в соответствии с принятой технологией прошла полный цикл автономного и комплексного тестирования, а также проверку на этапе электрических испытаний КА.

Интеграция двигательной подсистемы

С учетом того, что состав и потребляемая мощность двигательной подсистемы КА «Экспресс-АМУ3», «Экспресс-АМУ7» значительно отличалась от прототипов, необходимым этапом явилась проверка совместной работоспособности составных частей двигательной подсистемы при реальном включении двигателей (интеграция подсистемы). Испытания традиционно проводились в АО «ИСС» на рабочем месте огневых испытаний в вакуумной камере объемом 80 м³, краткое описание которого было приведено в работе в [1].

Рис. 14. Размещение двигателей коррекции довыведения при огневых испытаниях в вакуумной камере

Fig. 14. Orbit raising thrusters allocation during firing integration test in the vacuum chambe

Размещение блоков коррекции довыведения в вакуумной камере было принято аналогичным штатному размещению (рис. 14): в центре был установлен СПД-140Д, по обеим сторонамот него – СПД-100В.

Одновременная работа трех двигателей довыведения показана на рис. 15.

Рис. 15. Одновременная работа трех двигателей довыведения

Fig. 15. Simultaneous action of the three orbit raising thrusters

С учетом затруднительности организации одновременного запуска трех двигателей было предусмотрено последовательное включение и отключение двигателей.

Графики тока разряда для принятой последовательности запуска и отключения двигателей довыведения представлены на рис. 16.

Рис. 16. Графики тока разряда СПД-100В и СПД-140Д

Fig. 16. The discharge current diagrams of the SPT-100B and SPT-140D

В процессе интеграционных испытаний была продемонстрирована совместимость с системой электропитания КА. Работа двигательной подсистемы довыведения под управлением бортового программного обеспечения была подтверждена на этапе электроиспытаний спутника.

Проверочные включения

После отделения от разгонного блока и построения штатной трехосной ориентации КА осуществлялись проверочные включения двигателей довыведения. Была подтверждена работа СПД-140Д как в номинальном режиме 4,5 кВт («Экспресс-АМУ7»), так и в режиме пониженной мощности 3 кВт («Экспресс-АМУ7»). Ожидаемая тяга в режиме малой мощности согласно предварительным данным должна была уменьшиться примерно на 30 %. Суммарная тяга трех двигателей довыведения на КА «Экспресс-АМУ3», по оценкам, должна была составить примерно 80 % от номинальной.

Выполнение маневра довыведения

Заправка ксеноном каждого КА в соответствии с принятой практикой осуществлялась до полной вместимости бака – 300 к.

Запуск на геопереходную эллиптическую орбиту был осуществлен 13.12.2021. Параметры геопереходной орбиты официально не публиковались. С учетом того, что выведение осуществлялось теми же средствами, что и КА «Экспресс-80» и «Экспресс-103» (ракета-носитель «Протон-М» и разгонный блок «Бриз-М»), массы КА были практически одинаковы, можно предположить, что параметры геопереходной орбиты оказались близки к соответствующим параметрам КА «Экспресс-80» и «Экспресс-103» [1].

Довыведение осуществлялось аналогично КА «Экспресс-80» и «Экспресс-103» по модифицированной схеме Спитцера, в соответствии с патентом АО «ИСС» [15], и заключалось в коррекции эксцентриситета орбиты с одновременной коррекцией периода орбиты с целью организации дрейфа КА в рабочую точку на ГСО. Однако, в отличие от довыведения КА «Экспресс-80» и «Экспресс-103», довыведение КА «Экспресс-АМУ3» и «Экспресс-АМУ7» с целью уменьшения времени маневра осуществлялось не с пассивной эволюцией наклонения орбиты, а с его активной коррекцией, для чего в процессе довыведения были проведены дополнительные сеансы работы двигателей.

Довыведение КА «Экспресс-АМУ7», совмещенное с приведением КА в рабочую точку на ГСО 145,0° в.д., было осуществлено за 86 сут. Таким образом, время довыведения по сравнению с КА «Экспресс-80» и «Экспресс-103 уменьшилось примерно в 1,7 раза, что можно признать существенным результатом. Затраты ксенона составили 105,6 кОценки величины тяги связки из трех двигателей по измерениям текущих параметров орбиты дали величину 457 мН. За вычетом тяги двух СПД-100В (180 мН в режиме 5 А тока разряда), тяга СПД-140Д в режиме мощности 4,5 кВт составила 277 мН (95,5 % от номинальной величины). Наработка СПД-140Д за время довыведения составила 992 ч при 117 включениях.

Довыведение КА «Экспресс-АМУ3», совмещенное с приведением в рабочую точку на ГСО 103,0° в.д., составило 101 сут. и уменьшилось по сравнению с КА «Экспресс-80» и «Экспресс-103» примерно в 1,5 раза Затраты ксенона на довыведение и приведение в рабочую точку составили 124 кИзмерения параметров орбиты дали величину тяги связки двигателей 380 мН (83 % от тяги на «Экспресс-АМУ7»), что примерно соответствует ожидаемому с учетом режима работы СПД-140Д. Тяга СПД-140Д на уровне мощности 3 кВт по измерениям параметров орбиты составила около 200 мН (69 % от номинальной величины). Наработка СПД-140Д составила 1304 ч при 147 включениях.

Заключение

Представленные материалы позволяют заключить следующее.

Впервые в России для довыведения КА на геостационарную орбиту применена связка из трех двигателей: два – СПД-100В и один – СПД-140Д. Впервые в России в составе КА применен и получил летную квалификацию двигатель повышенной мощности СПД-140Д номинальной тягой 290 мН, а также прибор управления СПУ-140Д.
Полностью выполнен цикл наземной экспериментальной отработки, в том числе огневые приемочные испытания двигателей довыведения совместно с приборами управления PPU-mk2 и СПУ-140Д, блоком подачи ксенона, рассчитанным на подачу повышенного расхода газа. Показана совместимость с системой электропитания КА.
Маневр довыведения для спутников «Экспресс-АМУ-3», «Экспресс-АМУ-7» выполнен успешно. Суммарная тяга связки трех двигателей по результатам траекторных измерений составила для КА «Экспресс-АМУ-7» 457 мН (97 % от номинальной), что позволило уменьшить длительность операции довыведения до вполне приемлемой величины – 86 сут., т. е. в 1,7 раза меньше, чем у КА «Экспресс-80», «Экспресс-103». Тем самым решена задача существенного сокращения длительности операции довыведения, что дает возможность оперативно вводить КА в штатную эксплуатацию при значительном росте массы КА по сравнению с вариантом прямого выведения. Расход ксенона за время довыведения на КА «Экспресс-АМУ-7» составил 105,6 кг, «Экспресс-АМУ-3» – 124 кг.
Экспериментально в натурных условиях апробирован режим работы СПД-140Д на уровне мощности 3 кВт. Показана возможность длительной стабильной работы двигателя и СПУ в данном режиме. Суммарная тяга трех двигателей на КА «Экспресс-АМУ-3» составила 380 мН (83 % от номинальной), при этом длительность операции по сравнению с «Экспресс-АМУ-7» возросла несущественно – до 101 сут. (примерно на 17 %). Режим довыведения с пониженной тягой и мощностью двигателя может быть использован для КА уменьшенной размерности с ограниченной располагаемой мощностью бортовой системы электропитания, а также в режиме коррекции орбиты КА после завершения этапа довыведения, когда повышенная тяга не требуется.

About the authors