V007048 Дипломная работа Малые космические аппараты

3400 руб. 1890 руб.

В корзину

ВВЕДЕНИЕ

Первым признаком малых спутников чаще всего называют их массу, которая наиболее близка к понятию «малый».

Называются массы от тонны до нескольких десятков граммов. Вторым внешним параметром считают размер аппарата. Все остальные признаки являются внешне не видимыми, они представляют собой предмет уже профессионального интереса.

Термин «малый», классифицирующий новый класс космических аппаратов, использовала в 1990 году европейская фирма Arianespace. Они же разработали платформу ASAP (Ariane Structure for Auxiliare Payloads)

На платформе размещались шесть спутников, по размеру намного меньше

основного аппарата. Arianespace ввела условную э\классификацию спутников по массе:

мini – 1000–500 кг;

small – 500–100 кг;

мicro – 100–10 кг;

nano – 10–1 кг;

pico – 1–0 кг.

Благодаря термину «малые спутники» появился новый подход к их разработке и использованию.

Стало очень выгодно изготавливать недорогой универсальный спутник, способный в течение длительного времени решать возложенные на него задачи, а также запускать сразу несколько сравнительно дешевых аппаратов если случится поломка, можно сразу же вывести на орбиту следующий спутник.

Стоит обратить внимание, что электронная элементная база развивается настолько стремительно, что скорость бортового компьютера через несколько лет возрастет на порядок, а электронные камеры дадут возможность делать снимки более высокого качества, чем раньше.

Уменьшить стоимость вывода спутника на орбиту можно, если использовать легкие носители, например, конверсионные, и попутный запуск.

Основными достоинствами этих способов считается короткое время подготовки и реализации запуска и возможность вывода спутника на орбиту под произвольным наклонением. Основным недостатком же является малая масса выводимой полезной нагрузки.

Конечно, малые космические аппараты могут решить далеко не все поставленные задачи.

Здесь работает принцип из теории оптимизации на ограничения: оптимум достигается не на границах интервала, а где-то между ними. Даже при отсутствии ресурсов, задача уже частично выполнена: получены знания, необходимая информация, исследованы новые технологии и возможности.

Понятие МКА определило новый подход к проектированию и разработке: были сокращены традиционные конструкторские и технологические требования к изготовлению, запуску и эксплуатации спутников.

Сокращение жестких требований по созданию МКА позволило привлечь университеты и небольшие компании всего мира в разработку малых спутников.

Признаками МКА считают:

-малые размеры (до метра);

- малая масса (от единиц до сотен кг);

- попутный или конверсионный запуск;

- относительно невысокая стоимость (простейшие спутники – от

10 тыс. долл., сложные – десятки млн долл.)

Малые космические аппараты получили распространение благодаря развитию микроэлектроники, информатики и массовому производству элементов космических систем и их доступности. Так же, во многом, это случилось из-за сокращения финансирования всей космической индустрии и стремительной коммерциализации деятельности в космосе.

Учитывая все вышенаписанное, наиболее перспективны малые космические аппараты с массой, не превышающей 100 кг - они относятся к классу микроспутников.

Выделяют два направления развития МКА.

Первое условно называют «университетским». Его лозунг - «Лучше, быстрее, дешевле», был предложен в американской программе NASA X2000 (программа разработки и создания миниатюрных космических аппаратов). Созданный по этой системе спутники имеют небольшой вес (от 10 до 100 кг) Их изготавливают из самых доступных элементов. Экономия происходит за счет трех составляющих: недорогие комплектующие, дешевая рабочая сила, и, учитывая массу спутника, – практически бесплатный вывод на орбиту. Конечно, эти спутники не могут решить сложные технологические задачи. Целью и конечным результатом этого подхода является обучение специалистов. Такая практическая работа содержит практически все основные этапы реального проекта, а этого не получится достигнуть только при аудиторном обучении.

Второе направление называют «промышленным». Оно организуется космическими фирмами для создания серьезных проектов, с использованием самых современных и недешевых материалов.

Фирмы стараются создать спутники с массой и размерами значительно меньшими, чем у традиционных аппаратов.

Подводя итог, можно сказать, что создание малых спутников привнесло много нового в космические технологии и дали возможность самореализации для большого числа студентов, исследователей и инженеров.

1. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

При выборе спутника для проектирования разделения электрических связей с МКА, был рассмотрен ряд отечественных и зарубежных спутников.

Их основные характеристики показаны в таблице 1

Таблица 1

Название, страна, фирма-производитель Назначение Научная

аппаратура Служебные

системы Габаритно-массовые характеристики

1. «Колибри-200» Россия,

Специальное КБ

космического

приборостроения

(СКБ КП) ИКИ РАН 1. Изучение ионосферы Земли.

2. Изучение электромагнитной обстановки в районе геомагнитного экватора.

3. Сбор данных для уточнения математических моделей динамики и баллистики полета микроспутников 1.Анализатор частиц и электрического поля.

2.Феррозондовый магнитометр 1. Система энергоснабжения.

2. Система терморегулирования

3. Одноосная магнитногравитационная система ориентации и стабилизации МКА.

4. Система сбора данных и управления, командной радиолинии, служебной и научной телеметрии.

1. Масса – до 29 кг

2.Габариты:

- длина 515 мм;

- диаметр 370 мм

- в размахе

СБ- 1300 мм

2. «Можаец»

Россия,

НИИ прикладной механики

им. академика

М.Ф. Решетнева 1. Отработка технологии использования навигационной аппаратуры потребителей космической навигационной системы

ГЛОНАСС.

2. Сбор данных об электрических и радиационных полях, влияющих на работу приборов и систем космических аппаратов.

4. Осуществляет экологический мониторинг Земли. 1. Аппаратура навигационных определений.

2. Аппаратура навигационных исследований «Призма».

3. Аппаратура траекторных измерений и телесигнализации 1. Система электропитания, датчики температуры, давления, освещения, отражения Земли, оценки состояния бортовой аппаратуры.

2. Система командно-телеметрического управления и бортовой автоматики.

3. Система гравитационной ориентации со штангой, магнитным успокоителем и электромагнитным устройством 1. Масса-59 кг

2. Сферическая форма, диаметр 800 мм

3. «FedSat»

Австралия,

Кооперативный центр исследования спутниковых систем (CRCSS) 1. Фундаментальное исследование структуры и динамики ионосферы, экзосферы и внутренней плазменной оболочки планеты 2. Мониторинг и картографирование геомагнитного поля Австралийского региона.

3. Исследование динамики области эквипотенциальных токов и волокнистых структур в зонах, вызываемых полярными сияниями 1. Трехмерный магнитометр.

2. Система передачи данных УВЧ-диапазона.

3. Система связи КА- диапазона.

4. Аппаратура для экспериментов с высокопроизводительным компьютером Система трехосной гравитационной стабилизации, оснащенная раздвижной штангой длиной

2,55 м 1. Масса-50 кг.

2. Форма куба

с гранью 500 мм

4. «AlSat-1»

Алжир,

Британская компания SSTL,

Нац. центр космической техники Алжира Мониторинг быстропротекающих явлений, связанных с естественными и техногенными чрезвычайными ситуациями, проблемами сельского хозяйства и окружающей среды Видеокамера мультиспектрального изображения 1. Твердотельное ЗУ емкостью 1 Гб для хранения изображений.

2. Передатчик S-диапазона Масса-

90 кг

Габаритные размеры 60х60х60

5. «MIMOSA»

Чехия,

Чешская компания

Space Devices Ltd.

по заказу

Астрономического института

Чешской академии наук. 1. Уточнение моделей верхней атмосферы, гравитационного поля Земли, её теплового излучения, солнечной радиации.

2. Сбор данных о плотности верхних слоев атмосферы с эллиптической орбиты высотой от 320 до 840 километров. Высокочувствительный микроакселерометр МАСЕК для точного определения параметров движения 1. Система электропитания на фотоэлементах из арсенида галлия и литий-ионная буферная АБ.

2. Система сбора, обработки и передачи информации, приема команд и управления научной аппаратурой, антенно-фидерные устройства.

3. Система ориентации и стабилизации. Для активного управления ориентацией МКА в трех плоскостях установлены три магнитных торсиона.

4. Система терморегулирования 1. Стартовая масса-52 кг.

2. Форма корпуса- близкий к сфере многогранник.

Размеры корпуса- 560х560х

570 мм

6. «Компас»

Россия,

Кооперация ГРЦ-ИЗМИРАН.

по заказу Российского авиационно-космического агенства 1. Отработка перспективного метода томографии, позволяющей исследовать связи между тектоническими процессами на Земле и явлениями в ионосфере.

2. Изучение возможностей выявления скрытых месторождений полезных ископаемых (нефти и газа).

3. Проведение экспериментов связанных с разработкой и созданием микроспутников 1. Приборный комплекс УНЧ/ОНЧ.

2. Высокочастотный волновой комплекс RFA.

3. Трехкомпонентный феррозондовый магнитометр ФМ-3К.

4. Детектор энергичных частиц УЭРЭЛ-1.

5. Комбинированный ГЛОНАСС/GPS навигационный прибор.

6. Двухканальный УКВ радиоприемник 1. Система сбора научной информации и антенно-фидерное устройство.

2. Система электроснабжения.

3. Система обеспечения теплового режима.

4. Система ориентации 1. Масса-

80 кг.

2. Габариты в сложенном состоянии- 1720х760х

500 мм.

3. Габариты в развернутом состоянии- 4700х3600х4700 мм

При анализе показателей видно, что МКА «Компас», хоть и проигрывает отдельным спутникам по габаритно-массовым характеристикам, но превосходит их по числу и качеству установленной на нем аппаратуры, которая необходима для расширения спектра его функциональных возможностей.

Его наиболее близкими аналогами по техническому уровню являются МКА «Колибри-2000», «Можаец», «Fedsat», «AlSat-1».

В ходе испытаний спутника «Компас-2» появился ряд неисправностей, связанных с падением напряжения на бортовой батарее.

Вскоре после запуска спутник потерял ориентацию. В качестве версий происшедшего называли отказ системы управления, а также неполное раскрытие антенн или солнечных батарей.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что для нормального функционирования спутнику «Компас-2» не хватает заряда, следовательно, конструкция нуждается в доработке.

В качестве ракеты-носителя, выводящего МКА на околоземную орбиту, используется ракета «Штиль».

Семейство ракет-носителей легкого класса: "Штиль", "Штиль-2.1", "Штиль-2Р" разработано на базе БРПЛ РСМ-54. Ракеты-носители предназначены для выведения малоразмерных космических аппаратов на околоземные орбиты. Пуски ракет-носителей производятся из шахт подводных лодок или с наземного стартового комплекса, расположенного на севере России.

Ракета-носитель ''Штиль'' обеспечивает запуск на околоземную орбиту высотой 500 км наклонением 79° космических аппаратов массой до 80 кг. Для улучшения условий размещения полезной нагрузки разработан вариант ракеты-носителя ''Штиль-2.1'' с головным обтекателем, позволяющий выводить полезную нагрузку до 150 кг на такую же орбиту. При оснащении ракеты головным обтекателем большего объема и малоразмерным разгонным блоком ("Штиль-2Р") масса полезной нагрузки, выводимой на орбиту 500 км наклонением 79°, возрастает до 200 кг и существенно увеличивается объем для размещения полезной нагрузки.

Использование подводной лодки в качестве стартового комплекса позволяет осуществлять пуски ракет-носителей ''Штиль'' практически на любые наклонения орбит.

В 1998 г. ракетой-носителем ''Штиль'' с подводной лодки успешно запущены на орбиту спутники TUBSAT-N и TUBSAT-N1, разработки Берлинского технического университета (Германия).

В настоящее время на базе ракеты-носителя ''Штиль'' реализуется долгосрочная программа по запуску космических аппаратов серии ''Компас''. В мае 2006 г. космический аппарат ''Компас-2'' был успешно выведен на околоземную орбиту высотой 500 км.

2 МАЛЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ

2.1. Классификация космических аппаратов по назначению

Космические аппараты делят на два вида: околоземные орбитальные, движущиеся по геоцентрическим орбитам, и не выходящие за пределы гравитационного поля Земли, и межпланетные космические аппараты, выходящие за пределы сферы действия гравитационного поля Земли.

По основному назначению космические аппараты делятся на научно-исследовательские, испытательные и специализированные.

Научно-исследовательские космические аппараты используются для проведения различных геофизических, астрономических, геодезических, биологических исследований.

Испытательные космические аппараты предназначены для установления соответствия их характеристик предъявляемым требованиям. Они считаются главным источником получения информации для обоснования принимаемых решений при проектировании и создании новых образцов.

Специализированные космические аппараты используются при решении технических, навигационных, хозяйственных и военных задач, исследовании природных ресурсов Земли.

Конструкция космического аппарата может быть трех видов:

- компактная (его конфигурация постоянна при выводе на орбиту и в полете);

- развертываемая (конфигурация изменяется на орбите за счет раскрытия отдельных элементов конструкции);

- надувная (заданная форма на орбите обеспечивается за счет наддува оболочки).

По конструктивно-компоновочной основе КА бывают моноблочными, многоблочными и унифицированными.

По способу управления КА подразделяются на автоматические, пилотируемые (обитаемые) и комбинированные (посещаемые). Последние два типа называются также космическими кораблями (КК) или космическими станциями (КС). Отличительная особенность большинства существующих и будущих типов КА – способность к длительному самостоятельному функционированию в условиях космического пространства, для которого характерны глубокий вакуум, наличие метеорных частиц, интенсивная радиация и невесомость.

Более подробно классификация космических аппаратов представлена на рисунке 1.

2.2. Состав МКА

В состав МКА входит:

- комплекс научной аппаратуры (КНА), задачей которого является проведение экспериментов;

- бортовой комплекс служебных систем (СС), отвечающих за функционирование научной аппаратуры, например: обеспечение ориентации, электропитания, тепловых режимов, предоставление командной радиолинии и управление научной аппаратурой, сбор и передачу на Землю научной и телеметрической информации.

-механические системы.

В состав научной аппаратуры (НА) входят следующие приборы:

- низкочастотный волновой комплекс (НВК);

- радиочастотный анализатор (РЧА);

- передатчик двухчастотный;

- измеритель полного электронного состава

В состав бортового комплекса служебных систем (СС) входят:

- бортовой комплекс управления (БКУ);

- система электроснабжения (СЭС);

- система ориентации и стабилизации (СОС);

- система обеспечения тепловых режимов (СОТР) бортовой аппаратуры;

- бортовая кабельная сеть (БКС), антенно-фидерные устройства.