Methodological principles for the formation of a number of unified space communication satellite platforms
- Authors: Chebotarev V.E.1,2, Zimin I.I.1, Vnukov A.A.1, Shangina E.A.1
-
Affiliations:
- JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”
- Siberian Federal University
- Issue: Vol 23, No 3 (2022)
- Pages: 508-519
- Section: Section 2. Aviation and Space Technology
- URL: https://journals.eco-vector.com/2712-8970/article/view/562811
- DOI: https://doi.org/10.31772/2712-8970-2022-23-3-508-519
- ID: 562811
Cite item
Full Text
Abstract
This article formulates the topical problem of formalizing the methodological principles of the search for a compromise between repeatability and modification (novelty) of the properties of new models of space technology – communication satellites. The main methodological principles of continuity of development are the unification of products and their component parts, means of technological equipment and technological processes, which makes it possible to reduce their diversity and nomenclature. The order of the nomenclature of the articles and their component parts is achieved by the development of parametric and type-size series with rationally chosen intervals between the adjacent members of the series according to a complex criterion, a link to the target product performance with the cost of creating the product. The work developed a project model and defined criteria for selecting the size type of a universal space platform. In designing a new spacecraft on the basis of a unified space platform, there is a need to refine it to meet the resource requirements of the new payload (mass and energy consumption). The article sets out the methodological principles for assessing the range of effective applications of the universal space platform for the two most extreme cases of resource requirements (by mass and energy consumption) of the payload: the resources of the platform are excessive or insufficient. Methodological principles have been developed for the formation of a number of unified space platforms. Using the methodological principles for the formation of a series of unified space platforms, the effectiveness ranges of USP were evaluated and the completeness of a number of geostationary communication satellites of the development of “ISS” was assessed.
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 МПН.об [1–7]:
, (1)
,
где MПН и WПН – масса и энергопотребление полезной нагрузки; αПН – коэффициент парциальных затрат ресурсов на обеспечение потребностей полезной нагрузки; KW – средний коэффициент парциальных затрат массы КА на генерирование электроэнергии и сброса тепла, кг/Вт; KПН – удельный обобщенный коэффициент парциальных затрат ресурсов КА на решение целевой задачи; МКА – масса КА; αм – коэффициент затрат массы КА на полезную нагрузку.
В этом случае обобщенная масса полезной нагрузки Мпн.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 (Cизг):
. (2)
Значение коэффициента KОКР 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 МКА 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]:
. (3)
Значение удельного показателя Cуд.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:
. (4)
Полученная система уравнений позволяет сформировать однокритериальную целевую функцию скалярного вида ЭКА, определяемый как отношение показателя целевой эффективности (МПН.об) к показателю финансовых затрат на создание КА (СОКР) [4; 8]
. (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 Суд.и) [4]
(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]:
(7)
,
где – масса базовой платформы, и – масса и энергопотребление полезной нагрузки нового КА; – коэффициент глубины модернизации,
После соответствующих преобразований получим следующее выражение для определения массы нового КА
(8)
.
Аналогичные преобразования проведем для определения относительного показателя обобщенных затрат ресурсов
. (9)
Подставляя полученные зависимости в неравенство (6), получим
(10)
С использованием предложенной проектной модели КА и выбранной однокритериальной целевой функции проведем оценку диапазонов эффективного применения базовой УКП для двух вариантов реализации полезной нагрузки.
Вариант 1: потребности ПН в ресурсах удовлетворяются УКП с избытком , т. е. доработки УКП минимальны (создание интерфейсов с ПН), поэтому полагаем
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 , однако одновременно снижает целевую эффективность КА (ЭКА).
С учетом вышеизложенного, уравнения (8)–(10) примут следующий вид:
; (11)
; (12)
. (13)
Оценим диапазон изменения параметров исследуя неравенство (13) по критерию :
1) (14)
Полагая , получим .
2) (15)
Полагая , получим .
Решая совместно уравнения (13)–(15), получим обобщенное выражение для диапазона изменения параметров
.
, . (16)
Если перевести неравенство (13) в равенство (одностороннее ограничение) и подставить полученную зависимость от в уравнение (12), то получим формулы для оценки зависимости интегральных показателей только от :
, ,
. (17)
Вариант 2: для удовлетворения повышенных потребностей ПН в ресурсах требуется доработка УКП (УКП-М), поэтому полагаем
Применение УКП-М для ПН с увеличенным ресурсом создает предпосылки для увеличения целевой эффективности КА (ЭКА) с новой ПН, однако одновременно увеличивает финансовые затраты на его разработку .
В этом случае уравнения (8)–(10) примут следующий вид:
; (18)
; (19)
. (20)
Анализ полученного неравенства (20) позволяет сформулировать следующую систему ограничений:
1) , . (21)
Полагая , получим ;
2) , . (22)
Полагая , получим ;
3) полагая в формуле (21) положительное значение знаменателя
, получим ограничение .
Решая совместно уравнения (20)–(22), получим обобщенное выражение для диапазона изменения параметров
(23)
Подставляя полученные ограничения в формулы (18), (19) определим двухстороннее ограничение на диапазон изменения интегральных показателей с учетом их взаимосвязи, согласно формуле (6),
. (24)
Если перевести неравенство (20) в равенство (одностороннее ограничение) и подставить полученную зависимость от в уравнения (18) и (19), то получим формулы для оценки зависимости интегральных показателей только от
; (25)
. (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
. (27)
Базовый КА с массой и обобщенной массой полезной нагрузки используется для создания на основе его УКП с избыточным ресурсом нового КА с характеристиками
. (28)
Базовый КА с массой и обобщенной массой полезной нагрузки используется для создания на основе его УКП с недостаточным ресурсом нового КА с характеристиками
. (29)
Величина запаса по массе между базовыми КА определяется из следующего уравнения:
, . (30)
Условие и 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:
,
. (31)
Условие и 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 использовалась рекомендация из [1]: = 1,1, а = 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 | 1,05 | 1,1 | 1,1 | 1,05 | 1,015 | 1,05 | |
9 | 0,422 | 0,37 | 0,49 | 0,396 | 0,619 | 0,403 | |
10 | 1,28 | 1,08 | 1,116 | 1,166 | 1,395 | 1,202 | |
11 | 1536 | 1460 | 1866 | 2450 | 3766 | 4266 | |
12 | 1,346 | 1,19 | 1,227 | 1,225 | 1,415 | 1,262 | |
13 | 902 | 582 | 874 | 1439 | 2512 | 2528 | |
14 | 0,80 | 0,80 | 0,80 | 0,85 | 0,85 | 0,80 | |
15 | 0,44 | 0,55 | 0,653 | 0,504 | 0,510 | 0,562 | |
16 | 0,80 | 0,90 | 0,87 | 0,839 | 0,766 | 0,795 | |
17 | 957 | 1215 | 1459 | 1762 | 2094 | 2820 | |
18 | 0,64 | 0,72 | 0,70 | 0,714 | 0,656 | 0,635 | |
19 | 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 | 1,05 | 1,1 | 1,1 | 1,05 | 1,015 | 1,05 | |
7 | 1536 | 1460 | 1866 | 2450 | 3766 | 4266 | |
8 | 902 | 582 | 874 | 1439 | 2512 | 2528 | |
9 | 0,80 | 0,80 | 0,80 | 0,85 | 0,85 | 0,80 | |
10 | 957 | 1215 | 1459 | 1762 | 2094 | 2820 | |
11 | 428 | 352 | 497 | 838 | 1167 | 1273 | |
12 |
| 150 | 472 | 428 | 600 | 850 | |
13 |
| 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
- Сформулирована актуальная проблема формализации методических принципов поиска компромисса между повторяемостью и изменяемостью (новизной) свойств новых образцов космической техники – спутников связи.
- Разработана проектная модель и определены критерии выбора типоразмера универсальной космической платформы.
- 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.
- 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.
- 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, 660041Ivan 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, 662972Aleksey 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, 662972Ekaterina 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, 662972References
- Chebotarev V. E., Kosenko V. E. Osnovy proektirovaniya kosmicheskikh apparatov informatsionnogo obespecheniya [Fundamentals of designing information support spacecrafts]. Krasnoyarsk, 2011, 488 p.
- Kosenko V. E., Popov V. V., Zvonar V. D., Chebotarev V. E. [Analysis of development heritage concerning information support spacecraft]. Analiz preemstvennosti razvitiya KA informatsionnogo obespecheniya. 2017, Is. 2, P. 132–140 (In Russ.).
- Chebotarev V. E., Zimin I. I. [Assessment methodology of the effective use range of the unified space platforms]. Sibirskiy zhurnal nauki I tekhnologii. 2018, Vol. 19, No. 3, P. 532–539 (In Russ.).
- Chebotarev V. E., Zimin I. I., Vnukov A. A. [Study of the range of effective use of unified space platforms for geostationary communication satellites]. Kosmicheskie apparaty I Tekhnologii. 2021, Vol. 5, No. 1 (35), P. 51–56 (In Russ.).
- Testoedov N. A., Mikhnev M. M., Mikheev A. E. Tekhnologiya proizvodstva kosmicheskikh apparatov [Spacecraft manufacturing technology]. 2009, Krasnoyarsk, Sib. gos. aerokosmich. un-t Publ., 352 p.
- Anil K. Maini Varsha Agrawal. Satellite Technology: Principles and Applications. 2nd Edition / Anil K. Maini Varsha Agrawal. – A fohn Wiley and Sons, Ltd., Publication, 2011. 674p.
- Foteskyu P., Suainerd G., Stark D. Razrabotka system kosmicheskikh apparatov [Development of spacecraft systems]. Moscow, Alpina Publ., 2015, 766 p.
- Malyshev V. V. Metody optimizacii v zadachah sistemnogo analiza I upravleniya [Methods of optimization in system analysis and control problems] 2010, Moscow, MAI Publ., 440 p.
- Guschin V. N. Osnovy ustroistva kosmicheskikh apparatov [Foundation of satellites structure]. 2003, Moscow, Mashinostroenie Publ., 272 p.
- Tumanov A. V., Zelentsov V. V., Scheglov G. A. Osnovy komponovki bortovogo oborudovaniya kosmicheskikh apparatov [Foundation of layout of spacecraft onboard equipment]. 2010, Moscow, Mosk. gos. tekhn. un-t Publ., 2010, 136 p.
- Amirov Yu. D. Osnovy konstruirovaniya. tvorchestvo-standartizatsiya-ekonomika [Design basics. сreativity-standardization-economics]. 1991, Izdatel'stvo standartov Publ., 392 p.
- Amirov Yu. D. Standartizatsia I proektirovanie Tekhnicheskikh Sistem [Standardization and design of Technical Systems]. 1985, Izdatel’stvo standartov Publ., 312 p.
- Pokhabov A. Y., Martsinkevich T. N, Savickiy V. V. Modul sluzhebnih system kosmicheskogo apparata [Space platform]. Patent RF, No. 2753003, 2021.
- Zhul N. S., Shaklein P. A., Yakovlev A. V. Platforma kosmicheskaya [Space platform]. Patent EAPO, No. 034254, 2020.
- Zhul N. S., Shaklein P. A., Yakovlev A. V. Platforma kosmicheskaya [Space platform]. Patent RF, No. 2648520, 2018.