Methodological principles for the formation of a number of unified space communication satellite platforms

Full Text

Введение

Создание изделий космической техники всегда осуществляется с использованием задела по техническим решениям и технологиям, т. е. повторяемость является неотъемлемым свойством нового изделия. В то же время от новизны изделия зависит его эффективность и конкурентоспособность. Поэтому при разработке изделий космической техники необходимо найти компромисс между повторяемостью и изменяемостью (новизной) их свойств, т. е. определить целесообразный уровень преемственности развития [1].

Основными методическими принципами преемственности развития является унификация изделий и их составных частей, средств технологического оснащения и технологических процессов, которая позволяет уменьшить их многообразие и номенклатуру. Упорядочение номенклатуры изделий и их составных частей достигается разработкой параметрических и типоразмерных рядов с рационально выбранными интервалами между соседними членами ряда по комплексному критерию, связывающему показатель целевой эффективности изделия с затратами на его создание. Эти методические принципы активно реализуется при создании космических аппаратов (КА) информационного обеспечения [2; 3].

Проектная модель целевой эффективности КА

При параметрическом анализе возможности размещения новой полезной нагрузки на унифицированной космической платформе (УКП) реализуется принцип максимального удовлетворения потребностей полезной нагрузки в ресурсах (масса, энергопотребление) КА в виде обобщенной массы полезной нагрузки М_ПН.об [1–7]:

$M_{\text{ПН.об}}=M_{\text{ПН}}+K_W\cdot W_{\text{ПН}}=M_{\text{ПН}}\cdot {\alpha }_{\text{ПН}}, {\alpha }_{\text{ПН}}=1+K_W\frac{W_{\text{ПН}}}{M_{\text{ПН}}}$,                        (1)

$K_{\text{ПН}}=\frac{M_{\text{ПН.об}}}{M_{\text{КА}}}={\alpha }_{\text{М}}\cdot {\alpha }_{\text{ПН}}, {\alpha }_{\text{М}}=\frac{M_{\text{ПН}}}{M_{\text{КА}}}$,  

где M_ПН и W_ПН – масса и энергопотребление полезной нагрузки; α_ПН – коэффициент парциальных затрат ресурсов на обеспечение потребностей полезной нагрузки; K_W  – средний коэффициент парциальных затрат массы КА на генерирование электроэнергии и сброса тепла, кг/Вт; K_ПН – удельный обобщенный коэффициент парциальных затрат ресурсов КА на решение целевой задачи; М_КА  – масса КА; α_м – коэффициент затрат массы КА на полезную нагрузку.

В этом случае обобщенная масса полезной нагрузки М_пн.об может использоваться в качестве показателя целевой эффективности КА [1; 3; 4].

Затраты на проведение опытно-конструкторских работ по разработке КА, согласно проектным методикам [1], в первом приближении считаются пропорциональными затратам на изготовление КА (C_изг):

$C_{\text{ОКР}}=K_{\text{ОКР}}\cdot C_{\text{изг}}$.                                                                               (2)

Значение коэффициента K_ОКР определяется новизной разрабатываемого КА и его составных частей, объемом наземной экспериментальной отработки КА и его составных частей (полезной нагрузки, космической платформы).

Затраты на изготовление КА, как совокупность затрат на изготовление его составных частей и их интеграцию в составе КА, зависят от его целевой эффективности, надежности, массы, энергопотребления и т. д. Учитывая тот факт, что масса КА М_КА ограничена энергетическими возможностями ракеты-носителя и полностью используется для реализации целевых задач с заданной эффективностью и надежностью, при проектных исследованиях ее используют в качестве эквивалента стоимости изготовления КА [1; 3; 4]:

$C_{\text{изг}}=C_{\text{уд.и}}\cdot M_{\text{КА}}$.                                                                                (3)

Значение удельного показателя C_уд.и определяется на основании обработки статистических данных по КА-аналогам.

В результате получим функциональную зависимость стоимости затрат на проведение опытно-конструкторских работ КА по созданию от его массы:

$C_{\text{ОКР}}=K_{\text{ОКР}}\cdot C_{\text{уд.и}}\cdot M_{\text{КА}}$.                                                                    (4)

Полученная система уравнений позволяет сформировать однокритериальную целевую функцию скалярного вида Э_КА, определяемый как отношение показателя целевой эффективности (М_ПН.об) к показателю финансовых затрат на создание КА (С_ОКР) [4; 8]

${Э}_{\text{КА}}=\frac{M_{\text{ПН об}}}{C_{\text{ОКР}}}=\frac{M_{\text{ПН об}}}{K_{\text{ОКР}}\cdot C_{\text{уд.и}}\cdot M_{\text{КА}}}$.                                                    (5)

В случае создания нового КА на основе УКП базового КА (индекс «б» относится к базовому КА, а индекс «н» к новому) введем относительный (безразмерный) критерий (полагая одинаковым значения С_уд.и) [4]

$\begin{array}{c}\delta {\text{Э}}_{\text{н}}=\frac{{\text{Э}}_{\text{КА}}^{\text{н}}}{{\text{Э}}_{\text{КА}}^{\text{б}}}=\frac{M_{\text{ПН.об}}^{\text{н}}{M}_{\text{КА}}^{\text{б}}{K}_{\text{ОКР}}^{\text{б}}}{M_{\text{ПН.об}}^{\text{б}}{M}_{\text{КА}}^{\text{н}}{K}_{\text{ОКР}}^{\text{н}}}, \delta {\text{Э}}_{\text{н}}= \frac{K_{\text{об}}^{\text{н}}}{K_{\text{НБ}}^{\text{н}}}\cdot \frac{1}{K_{\text{Э}}^{\text{н}}}\ge 1 ,\\ K_{\text{об}}^{\text{м}}\ge K_{\text{нб}}^{\text{н}}\cdot K_{\text{Э}}^{\text{н}}, K_{\text{Э}}^{\text{н}}=\frac{K_{\text{ОКР}}^{\text{н}}}{K_{\text{ОКР}}^{\text{б}}}\end{array}$                     (6)

С помощью сформированного критерия проведем оценку диапазона эффективного применения модифицированной УКП для нового КА для различных вариантов конструктивной реализации [9; 10].

Методика оценки диапазона эффективного применения УКП

При проектировании нового КА на основе УКП возникает необходимость ее доработки для удовлетворения потребностей новой ПН в ресурсах (по массе и энергопотреблению).

Для определения бюджета ресурсов нового КА в сравнении с базовым КА воспользуемся следующими уравнениями [3; 4]:

$\begin{array}{c}{M}_{\text{КА}}^{\text{н}}= M_{\text{УКП}}^{\text{б}}+M_{\text{ПН}}^{\text{н}} +K_0^{} \cdot \delta M_{\text{УКП}}^{};\\ \delta M_{\text{УКП}}^{}={\alpha }_{М}^{\text{б}}\left(M_{\text{ПН}}^{\text{н}}-M_{\text{ПН}}^{\text{б}}\right)+K_w^{\text{б}}\left(W_{\text{ПН}}^{\text{н}}-W_{\text{ПН}}^{\text{б}}\right),\end{array}$                                          (7)

,

где $M_{\text{УКП}}^{\text{б}}$ – масса базовой платформы, $M_{\text{ПН}}^{\text{н}}$ и $W_{\text{ПН}}^{\text{б}}$ – масса и энергопотребление полезной нагрузки нового КА; ${К}_{\mathit{0}}$ – коэффициент глубины модернизации, $K_0^{}=0÷1.$ 

После соответствующих преобразований получим следующее выражение для определения массы нового КА

$M_{\text{КА}}^{\text{н}}= K_{\text{нб}}^{\text{н}} \cdot M_{\text{КА}}^{\text{б}}, \delta M_{\text{н}}=\frac{M_{\text{ПН}}^{\text{н}}}{M_{\text{ПН}}^{\text{б}}}-1, \delta W_{\text{н}}=\frac{W_{\text{ПН}}^{\text{н}}}{W_{\text{ПН}}^{\text{б}}}-1,$                             (8)

$K_{\text{нб}}^{\text{н}}=1+{\alpha }_{М}^{\text{б}}\left(1+K_0^{}\cdot {\alpha }_{М}^{\text{б}}\right)\delta M_{\text{н}}+K_0^{}\cdot {\alpha }_{М}^{\text{б}}\left({\alpha }_{\text{пн}}^{\text{б}}-1\right)\delta W_{\text{н}}$.

Аналогичные преобразования проведем для определения относительного показателя обобщенных затрат ресурсов

$\begin{array}{l}{K}_{\text{об}}^{\text{н}}=\frac{M_{\text{ПН.об}}^{\text{н}}}{M_{\text{ПН.об}}^{\text{б}}}=\frac{1}{{\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}}\left[1+\delta M_{\text{н}}+\left({\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}-1\right)\left(1+\delta W_{\text{н}}\right)\right]=\\ =1+\frac{1}{{\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}}\left[\delta M_{\text{н}}+\left({\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}-1\right)\delta W_{\text{н}}\right]\end{array}$.                                 (9)

Подставляя полученные зависимости $K_{\text{нб}}^{\text{н}}\text{ и }{K}_{\text{об}}^{\text{н}}$ в неравенство (6), получим

$\begin{array}{l}\delta M_{\text{н}}\left[1-K_{\text{Э}}^{\text{н}}\cdot {\alpha }_{М}^{\text{б}}\cdot {\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}\left(1+K_0^{}{\alpha }_{М}^{\text{б}}\right)\right]\ge {\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}\left(K_{\text{Э}}^{\text{н}}-1\right)-\\ - \delta W_{\text{н}}\left({\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}-1\right)\left(1-K_0^{}\cdot K_{\text{Э}}^{\text{н}}\cdot {\alpha }_{М}^{\text{б}}\cdot {\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}\right).\end{array}$                                (10)

С использованием предложенной проектной модели КА и выбранной однокритериальной целевой функции ${\text{δЭ}}_{\text{н}}$проведем оценку диапазонов эффективного применения базовой УКП для двух вариантов реализации полезной нагрузки.

Вариант 1: потребности ПН в ресурсах удовлетворяются УКП с избытком $\left(\frac{M_{\text{ПН}}^{\text{м}}}{M_{\text{ПН}}^{\text{б}}}\le \mathrm{1,}\right.\left.\frac{W_{\text{ПН}}^{\text{м}}}{W_{\text{ПН}}^{\text{б}}}\le 1\right)$ , т. е. доработки УКП минимальны (создание интерфейсов с ПН), поэтому полагаем $K_0^{}=\mathrm{0,}$

$\delta M_{\text{ИР}}=1-\frac{M_{\text{ПН}}^{\text{ИР}}}{M_{\text{ПН}}^{\text{б}}}=-\delta M_{\text{н}}, \delta W_{\text{ИР}}=1-\frac{W_{\text{ПН}}^{\text{ИР}}}{W_{\text{ПН}}^{\text{б}}} =-\text{δ}{W}_{\text{н}}.$

Применение УКП базового КА с избыточным ресурсом (УКП-ИР) для ПН создает предпосылки для ускоренного создания КА с новой ПН, снижает финансовые затраты на его разработку $(K_{\text{Э}}^{\text{ир}}<1)$, однако одновременно снижает целевую эффективность КА (Э_КА).

С учетом вышеизложенного, уравнения (8)–(10) примут следующий вид:

$K_{\text{НБ}}^{\text{ИР}}=1-{\alpha }_{М}^{\text{б}}\cdot \delta M_{\text{ИР}} \to 0\le \delta M_{\text{ИР}}\le 1 \to 0\le \delta W_{\text{ИР}}\le 1$;                          (11)

${\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}\cdot K_{\text{об}}^{\text{ИР}}={\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}-\delta M_{\text{ИР}}-\left({\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}-1\right)\delta W_{\text{ИР}}$;                                                            (12)

$\left(1-K_{\text{Э}}^{\text{ИР}}\right){\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}-\left({\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}-1\right)\delta W_{\text{ИР}}\ge \delta M_{\text{ИР}} \left(1-K_{\text{Э}}^{\text{ИР}}\cdot {\alpha }_{М}^{\text{б}}\cdot {\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}\right)$.                                            (13)

Оценим диапазон изменения параметров $\delta M_{\text{ИР}}\text{ и }\delta W_{\text{ИР}}$ исследуя неравенство (13) по критерию $K_{\text{Э}}^{\text{ИР}}$:

1) $\begin{array}{c}\delta W_{\text{ИР}}=0,\\ \delta M_{\text{ИР}}\le \frac{{\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}\left(1-K_{\text{Э}}^{\text{ИР}}\right)}{1-K_{\text{Э}}^{\text{ИР}}\cdot {\alpha }_{\text{М}}^{\text{б}}\cdot {\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}}=\delta M_{\text{ИР}}^{\text{0}}.\end{array}$                                                             (14)

Полагая $\delta M_{\text{ИР}}^{\text{0}}\le 1$, получим $K_{\text{Э}}^{\text{ИР}}\ge \frac{{\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}-1}{{\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}\left(1-{\alpha }_{М}^{\text{б}}\right)} = K_{\text{Э.1}}^{\text{ИР}}$.

2) $\begin{array}{c}\delta M_{\text{ИР}}=0,\\ \delta W_{\text{ИР}}\le \frac{{\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}\left(1-K_{\text{Э}}^{\text{ИР}}\right)}{{\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}-1}=\delta W_{\text{ИР}}^0.\end{array}$                                                                   (15)

Полагая $\delta W_{\text{ИР}}^0\le 1$, получим $K_{\text{Э}}^{\text{ИР}}\ge \frac{1}{{\alpha }_{\text{пн}}^{\text{б}}}=K_{\text{Э.2}}^{\text{ИР}}$.

Решая совместно уравнения (13)–(15), получим обобщенное выражение для диапазона изменения параметров

$1-\frac{\delta W_{\text{ИР}}}{\delta W_{\text{ИР}}^0}\ge \frac{\delta M_{\text{ИР}}}{\delta M_{\text{ИР.1}}^0},$   $0\le \delta W_{\text{ИР}}\le 1, 0\le \delta M_{\text{ИР}}\le 1,$    .

$K_{\text{Э}}^{\text{ИР}}\le$$\frac{{\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}-\delta M_{\text{ИР}}-({\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}-1)\delta W_{\text{ИР}}}{{\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}\left(1-{\alpha }_{М}^{\text{б}}\cdot \delta M_{\text{ИР}}\right)}$,   $K_{\text{Э.2}}^{\text{ИР}}\le K_{\text{Э.1}}^{\text{ИР}}\le K_{\text{Э}}^{\text{ИР}}\le 1$.                 (16)

Если перевести неравенство (13) в равенство (одностороннее ограничение) и подставить полученную зависимость $\delta W$ от $\delta M_{\text{ир}}$в уравнение (12), то получим формулы для оценки зависимости интегральных показателей только от $\delta M_{\text{ИР}}\le \delta M_{\text{ИР}}^0$:

$K_{\text{НБ}}^{\text{ИР}}=1-{\alpha }_{М}^{\text{б}}\cdot \delta M_{\text{ИР}}$,   $K_{\text{об}}^{\text{ИР}}=\left(1-{\alpha }_{\text{м}}^{\text{б}}\cdot \delta M_{\text{ИР}}\right)K_{\text{Э}}^{\text{ир}}=K_{\text{НБ}}^{\text{ИР}}\cdot K_{\text{Э}}^{\text{ир}}$,

$1-{\alpha }_{\text{м}}^{\text{б}}\le K_{\text{НБ}}^{\text{ИР}}<1.0 , 1-{\alpha }_{\text{м}}^{\text{б}}\le \frac{K_{\text{об}}^{\text{ир}}}{K_{\text{Э}}^{\text{ир}}}<1.0$  .                                          (17)

Вариант 2: для удовлетворения повышенных потребностей ПН в ресурсах требуется доработка УКП (УКП-М), поэтому полагаем $K_0^{}=1.$ 

Применение УКП-М для ПН с увеличенным ресурсом создает предпосылки для увеличения целевой эффективности КА (Э_КА) с новой ПН, однако одновременно увеличивает финансовые затраты на его разработку $(K_{\text{Э}}^{\text{ир}}>1)$.

В этом случае уравнения (8)–(10) примут следующий вид:

$\text{δ}{M}_M=\frac{M_{\text{ПН}}^{\text{м}}}{M_{\text{ПН}}^{\text{б}}}-1, \delta W_M=\frac{{\displaystyle W_{\text{ПН}}^{\text{м}}}}{{\displaystyle W_{\text{ПН}}^{\text{б}}}}-1;$

$K_{\text{нб}}^{\text{м}}=1+{\alpha }_{М}^{\text{б}}\left(1+{\alpha }_{М}^{\text{б}}\right)\delta M_M+{\alpha }_{М}^{\text{б}}\left({\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}-1\right)\delta W_M \ge 1$;                               (18)

$K_{\text{об}}^{\text{м}}=1+\frac{1}{{\alpha }_{\text{ПН}}}\left[\delta M_M+\left({\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}-1\right)\delta W_M\right]\ge 1$;                                           (19)

$\delta M_M\left[1-K_{\text{Э}}^{\text{м}}\cdot {\alpha }_{М}^{\text{б}}\cdot {\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}\cdot \left(1+{\alpha }_{М}^{\text{б}}\right)\right]\ge {\alpha }_{\text{ПН}}^{\delta }\left(K_{\text{Э}}^{\text{м}}-1\right)-\delta W_M\left({\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}-1\right)\left(1-K_{\text{Э}}^{\text{м}}\cdot {\alpha }_{М}^{\text{б}}\cdot {\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}\right)$.   (20)

Анализ полученного неравенства (20) позволяет сформулировать следующую систему ограничений:

1) $\delta W_M=0$,     $\delta M_M\ge \frac{{\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}\left(K_{\text{Э}}^{\text{м}}-1\right)}{1-K_{\text{Э}}^{\text{м}}\cdot {\alpha }_{М}^{\text{б}}\cdot {\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}\left(1+{\alpha }_{М}^{\text{б}}\right)}=\delta M_{М}^0$.                     (21)

Полагая $\delta M_{М}^0\le 1$, получим $K_{\text{Э}}^{\text{М}}\le \frac{1+\frac{1}{{\alpha }_{\text{ПН}}^{\delta }}}{1+{\alpha }_{М}^{\text{б}}\left(1+{\alpha }_{М}^{\text{б}}\right)}=K_{\text{Э.1}}^{М}$;

2) $\delta M_M=0$,     $\delta W_M=\frac{{\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}\left(K_{\text{Э}}^{\text{м}}-1\right)}{\left({\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}-1\right)\left(1-K_{\text{Э}}^{\text{м}}\cdot {\alpha }_{М}^{\text{б}}\cdot {\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}\right)}=\delta W_{М}^0$.                                   (22)

Полагая $\delta M_{М}^0\le 1$, получим $K_{\text{Э}}^{М}\le \frac{2-\frac{1}{{\alpha }_{\text{ПН}}^{\delta }}}{1+{\alpha }_{М}^{\text{б}}\left({\alpha }_{\text{пн}}^{\text{б}}-1\right)}=K_{\text{Э.2}}^{М}$;

3) полагая в формуле (21) положительное значение знаменателя

$1-K_{\text{Э}}^{\text{м}}\cdot {\alpha }_{М}^{\text{б}}\cdot {\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}\cdot \left(1+{\alpha }_{М}^{\text{б}}\right)>0$, получим ограничение $K_{\text{Э}}^{\text{м}}<\frac{1}{{\alpha }_{М}^{\text{б}}\cdot {\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}\left(1+{\alpha }_{М}^{\text{б}}\right)}=K_{\text{Э}.3}^{М}$.

Решая совместно уравнения (20)–(22), получим обобщенное выражение для диапазона изменения параметров

$\begin{array}{c}\frac{\delta M_{\text{м}}}{\delta M_{\text{м}}^0}\ge 1 1-\frac{\delta W_{м}}{\delta W_{\text{м}}^0},\\ 0\le \delta M_{\text{м}}\le 1,\\ 0\le \delta W_{\text{м}}\le 1.0,\\ 1\le K_{\text{Э}}^{\text{м}}<K_{\text{Э.1}}^{М}<K_{\text{Э.2}}^{М}<K_{\text{Э.3}}^{М}.\end{array}$                                                                               (23)

Подставляя полученные ограничения в формулы (18), (19) определим двухстороннее ограничение на диапазон изменения интегральных показателей с учетом их взаимосвязи, согласно формуле (6),

$\begin{array}{c}1+{\alpha }_{М}^{\text{б}}\left({\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}-1\right)\delta W_{М}^0\le K_{\text{НБ}}^{\text{м}}\le 1+{\alpha }_{М}^{\text{б}}\left(1+{\alpha }_{М}^{\text{б}}\right)\delta M_{М}^0,\\ 1+\frac{{\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}-1}{{\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}}\delta W_{М}^0\le K_{\text{об}}^{\text{м}}\le 1+\frac{\delta M_{М}^0}{{\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}}.\end{array}$.                                                      (24)

Если перевести неравенство (20) в равенство (одностороннее ограничение) и подставить полученную зависимость $\delta W_{\text{м}}$ от $\delta M_{\text{м}}$в уравнения (18) и (19), то получим формулы для оценки зависимости интегральных показателей только от $\delta M_{\text{м}}$

$K_{\text{нб}}^{\text{м}}=1+{\alpha }_{М}^{\text{б}}\frac{{\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}\left(K_{\text{Э}}^{\text{м}}-1\right) + \delta M_M\cdot {\alpha }_{М}^{\text{б}}}{\left(1-K_{\text{Э}}^{\text{м}}\cdot {\alpha }_{М}^{\text{б}}\cdot {\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}\right)} \ge 1$;                                                        (25)

$K_{\text{об}}^{\text{м}}=1+\frac{\left(K_{\text{Э}}^{\text{м}}-1\right) + \delta M_M\cdot K_{\text{Э}}^{\text{м}}\cdot {\alpha }_{М}^{\text{б}}\cdot {\alpha }_{М}^{\text{б}}}{\left(1-K_{\text{Э}}^{\text{м}}\cdot {\alpha }_{М}^{\text{б}}\cdot {\alpha }_{\text{ПН}}^{\text{б}}\right)} \ge 1$.                                                     (26)

Полученные формулы для оценки диапазона эффективного применения модифицированной УКП для нового КА используем для разработки методических принципов формирования параметрического ряда базовых КА и базовых УКП.

Методические принципы формирования параметрического ряда базовых КА и УКП

Упорядочение номенклатуры изделий и их составных частей достигается разработкой параметрических и типоразмерных рядов с рационально выбранными интервалами между соседними членами ряда по комплексному критерию, связывающему показатель целевой эффективности изделия с затратами на его создание [1; 11; 12].

Параметрический ряд – это совокупность числовых значений главного параметра изделия. В типоразмерном ряде главным параметром является геометрическая размерность. На базе этих рядов создается ряд конструктивно-подобных (однотипных) исполнений изделий.

Процесс определения оптимального состава и структуры параметрического ряда включает последовательное решение трех задач:

Разработка параметрического ряда, как правило, базируется на данных комплексного инженерного прогнозирования развития изделий, методов и средств производства и учитывает выявленные при этом основные тенденции их развития.

Оценка возможностей реализации параметрического ряда осуществляется с учетом достаточности технических и технологических решений, что позволяет сформировать стратегию реализации этого ряда.

Границы параметрического ряда не являются стабильными и могут изменяться в обе стороны при желательном сохранении закономерностей построения ряда.

Установление закономерностей построения параметрического ряда осуществляется на основе выбора номенклатуры главных параметров, которые слабо зависят от конструктивных особенностей и технологии изготовления изделия.

Применение этих методических принципов для формирования параметрического ряда КА информационного обеспечения (КАИО) рассмотрим с использованием методики оценки диапазона эффективного применения УКП. На базе УКП создается ряд конструктивно-подобных (однотипных) исполнений КА, поэтому типоразмерный ряд УКП позволяет на их основе создавать непрерывный ряд типоразмеров КА различного функционального значения, включая базовые КА, для которых разрабатывались эти УКП. В качестве главного параметра параметрического ряда КАИО предлагается принять массу базового КА и обобщенную массу полезной нагрузки.

Геометрическая модель параметрического ряда приведена на рис. 1, на котором показаны два базовых КА, масса которых удовлетворяет условию

$M_{\text{МИР}}=M_{\text{КА}}^{\text{БИР}}-M_{\text{КА}}^{\text{БМ}}>0$.                                                                                 (27)

Базовый КА с массой  и обобщенной массой полезной нагрузки  используется для создания на основе его УКП с избыточным ресурсом нового КА с характеристиками

$\begin{array}{c}{M}_{\text{КА}}^{\text{ИР}}=M_{\text{КА}}^{\text{БИР}}\cdot K_{\text{НБ}}^{\text{ИР}},\\ M_{\text{пн.об}}^{\text{ИР}}=M_{\text{пн.об}}^{\text{БИР}}\cdot K_{\text{об}}^{\text{ир}}\end{array}$.                                                                                      (28)

Базовый КА с массой $M_{\text{КА}}^{\text{БМ}}$ и обобщенной массой полезной нагрузки $M_{\text{пн.об}}^{\text{БМ}}$ используется для создания на основе его УКП с недостаточным ресурсом нового КА с характеристиками

$\begin{array}{c}{M}_{\text{КА}}^{\text{М}}=M_{\text{КА}}^{\text{БМ}}\cdot K_{\text{НБ}}^{\text{М}},\\ M_{\text{пн.об}}^{\text{м}}=M_{\text{пн.об}}^{\text{БМ}}\cdot K_{\text{об}}^{\text{м}}\end{array}$.                                                                                     (29)

Величина запаса по массе между базовыми КА определяется из следующего уравнения:

$M_{\text{u}}=M_{\text{КА}}^{\text{М}}-M_{\text{КА}}^{\text{ИР}}=M_{\text{КА}}^{\text{БМ}}\cdot K_{\text{НБ}}^{\text{М}}-M_{\text{КА}}^{\text{БИР}}\cdot K_{\text{НБ}}^{\text{ИР}}$,    $\delta M_u=\frac{M_{\text{КА}}^{\text{М}}-M_{\text{КА}}^{\text{ИР}}}{M_{\text{КА}}^{\text{БМ}}-M_{\text{КА}}^{\text{БИР}}}\cdot 100\%$.           (30)

Условие $M_u>0$ и  $\delta M_u>0$ обеспечивает непрерывность ряда.

 

Рис. 1. Фрагмент параметрического ряда КА ИО с УКП: М – числовое значение главного параметра

Fig.1. Fragment of parameters series spacecraft

 

Величина запаса по обобщенной массе между базовыми КА определяется из следующего уравнения:

$M_{\text{об}}=M_{\text{пн.об}}^{\text{М}}-M_{\text{пн.об}}^{\text{ИР}}=M_{\text{пн.об}}^{\text{БМ}}\cdot K_{\text{об}}^{\text{М}}-M_{\text{пн.об}}^{\text{БИР}}\cdot K_{\text{пн.об}}^{\text{ИР}}$,

$\delta M_{\text{об}}=\frac{M_{\text{пн.об}}^{М}-M_{\text{пн.об}}^{\text{ИР}}}{M_{\text{пн.об}}^{\text{БМ}}-M_{\text{пн.об}}^{\text{БИР}}}\cdot 100\%$ .                                                              (31)

Условие $M_{\text{об}}>0$и $\delta M_{\text{об}}>0$ обеспечивает непрерывность ряда.

Таким образом, использование в качестве главных параметров параметрического ряда КА информационного обеспечения (масса базового КА и обобщенная масса полезной нагрузки базового КА) позволяет сформировать двухпараметрический критерий непрерывности ряда по величине запаса по главным параметрам между соседними базовыми КА из ряда.

Эффективность разработанных методических принципов формирования ряда унифицированных космических платформ оценим для спутников связи, разработанных на основе базовых УКП «Экспресс – 1000» и УКП «Экспресс – 2000» [13–15].

Оценочные характеристики диапазона эффективности применения различных базовых УКП геостационарных спутников связи приведены в табл. 1.

При выборе значений относительного показателя затрат $\left(K_{\text{Э}}^{\text{н}}\right)$ использовалась рекомендация из [1]:$K_{\text{Э}}^{\text{м}}$ = 1,1, а $K_{\text{Э}}^{\text{ир}}$ = 0,8. Однако из-за наличия ограничений эти значения в ряде случаев уточнялись.

 

Таблица 1. Диапазон эффективности применения УКП геостационарных спутников связи

№  п/п		Луч-5А	Э-АТ2	Э-АТ1	Амос-5
1	Тип УКП, номер ряда	Э-1000А (1)	Э-1000К (2)	Э1000НТВ (3)	Э-1000Н (4)	Э-2000В (5)	Э-2000А (6)
2	МКА	1200	1350	1672	2100	2700	3550
3	МПН	550	250	329	670	1193	1300
4	WПН	1200	3000	5792	5880	10000	12100
5	MПН об	670	490	712	1175	1775	2004
6	αм	0,458	0,185	0,197	0,319	0,442	0,366
7	αПН	1,22	1,96	2,16	1,76	1,490	1,541
8	$K_{\text{Э}}^{\text{м}}$	1,05	1,1	1,1	1,05	1,015	1,05
9	$\delta M_{М}^0$	0,422	0,37	0,49	0,396	0,619	0,403
10	$K_{\text{нб}}^{\text{м}}$	1,28	1,08	1,116	1,166	1,395	1,202
11	$M_{\text{КА}}^{\text{м}}$	1536	1460	1866	2450	3766	4266
12	$K_{\text{об}}^{\text{м}}$	1,346	1,19	1,227	1,225	1,415	1,262
13	$M_{\text{пн об}}^{\text{м}}$	902	582	874	1439	2512	2528
14	$K_{\text{Э}}^{\text{ир}}$	0,80	0,80	0,80	0,85	0,85	0,80
15	$\delta M_{\text{ИР}}^0$	0,44	0,55	0,653	0,504	0,510	0,562
16	$K_{\text{нб}}^{\text{ир}}$	0,80	0,90	0,87	0,839	0,766	0,795
17	$M_{\text{КА}}^{\text{ир}}$	957	1215	1459	1762	2094	2820
18	$K_{\text{об}}^{\text{ир}}$	0,64	0,72	0,70	0,714	0,656	0,635
19	$M_{\text{пн об}}^{\text{ир}}$	428	352	497	838	1167	1273

 

Полученный массив информации из табл. 1 использован для построения графиков оценки диапазонов эффективности УКП  и оценки полноты ряда геостационарных спутников связи с УКП (рис. 2, табл. 2).

 

Рис. 2. Графики зависимости обобщенной массы ПН от массы КА для различных типоразмеров УКП и КА

Fig. 2. Curve dependence payload mass of spacecraft mass

 

Таблица 2. Характеристики ряда геостационарных спутников связи с УКП

№ п/п		Луч-5А	Э-АТ2	Э-АТ1	Амос-5
1	Тип, дата	Э-1000А (2011)	Э-1000К (2014)	Э1000НТВ (2014)	Э-1000Н (2011)	Э-2000В	Э-2000А
2	МКА	1200	1350	1672	2100	2700	3550
3	МПН	550	250	329	670	1193	1300
4	WПН	1200	3000	5792	5880	10000	12100
5	MПН об	670	490	712	1175	1775	2004
6	$K_{\text{Э}}^{\text{м}}$	1,05	1,1	1,1	1,05	1,015	1,05
7	$M_{\text{КА}}^{\text{м}}$	1536	1460	1866	2450	3766	4266
8	$M_{\text{пн об}}^{\text{м}}$	902	582	874	1439	2512	2528
9	$K_{\text{Э}}^{\text{ир}}$	0,80	0,80	0,80	0,85	0,85	0,80
10	$M_{\text{КА}}^{\text{ир}}$	957	1215	1459	1762	2094	2820
11	$M_{\text{пн об}}^{\text{ир}}$	428	352	497	838	1167	1273
12	$M_{\text{МИР}}$		150	472	428	600	850
13	$\delta M_u$		214	16	24	59	111

 

Анализ представленной в табл. 2 информации позволяет выявить следующее:

• подтверждается полнота ряда геостационарных спутников связи разработки АО «ИСС»;
• диапазон эффективного применения УКП «Э-1000К перекрывается УКП-М «Э-1000А» и УКП-ИР «Э-1000НТВ».

Заключение

1. Сформулирована актуальная проблема формализации методических принципов поиска компромисса между повторяемостью и изменяемостью (новизной) свойств новых образцов космической техники – спутников связи.
2. Разработана проектная модель и определены критерии выбора типоразмера универсальной космической платформы.
3. Разработаны методические принципы оценки эффективности применения универсальной космической платформы, позволяющие оценить потребности в ресурсах (по массе и энергопотреблению) для полезной нагрузки в широком диапазоне значений.
4. Разработаны методические принципы формирования параметрического ряда базовых КА и УКП с использованием двухпараметрического критерия оценки полноты (непрерывности) ряда по величине запаса по главным параметрам (масса КА и обобщенная масса полезной нагрузки) между соседними базовыми КА из ряда.
5. Разработанные методические принципы формирования ряда унифицированных космических платформ позволили подтвердить полноту ряда геостационарных спутников связи разработки АО «ИСС».

About the authors

Viktor E. Chebotarev

JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems” ; Siberian Federal University

Email: cheb1940@yandex.ru

Dr. Sc., docent, lead engineer

Russian Federation, 52, Lenin St., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 79, Svobodniy prospekt, Krasnoyarsk, 660041

Ivan I. Zimin

JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”

Author for correspondence.
Email: i.zimin@iss-reshetnev.ru

head of sector

Russian Federation, 52, Lenin St., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972

Aleksey A. Vnukov

JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”

Email: vnukov@iss-reshetnev.ru

head of group

Russian Federation, 52, Lenin St., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972

Ekaterina A. Shangina

JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”

Email: shangina@iss-reshetnev.ru

Cand. Sc., engineer

Russian Federation, 52, Lenin St., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972

References

Supplementary files