Перспективы развития автоматических космических систем и космических аппаратов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК 629. 7
В. А. Л о п о т а, П. Н. Ермаков, И. В. Фролов
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ И КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Сформулированы основные задачи российской космической промышленности по созданию перспективных космических систем и конструкций беспилотных космических аппаратов. Приведено описание некоторых типов космических аппаратов, разработанных в ракетно-космической корпорации & quot-Энергия"- им. С. П. Королева и находящихся в эксплуатации, а также перспективных аппаратов оптико-электронного и радиолокационного наблюдения. Сформулированы технические и технологические принципы повышения эффективности разработки и производства беспилотных орбитальных космических аппаратов.
E-mail: Petr. Ermakov@rsce. ru- sm11@sm. bmstu. ru
Ключевые слова: космические системы, беспилотные космические аппараты, технические принципы, эффективность разработки и производства.
Ключевую роль в формировании единого информационного пространства в силу особенностей геополитического положения Российской Федерации играют космические системы (КС), в первую очередь, телекоммуникационные и навигационные системы, системы связи, дистанционного зондирования Земли, а также специализированные КС оперативного контроля, управления, координации (диспетчеризации), космические аппараты (КА) которых функционируют как на низко-, так и на высокоэллиптических и геостационарной орбитах (рис. 1).
В последние годы в нашей стране уделяется значительное внимание повышению роли космоса в формировании единого информационного пространства и внедрению самых современных технологий оперативного контроля, управления и координации во все области социально-экономической деятельности. Это, в свою очередь, приводит к появлению как новых требований по увеличению информационных потоков и обеспечению взаимодействия с мобильной аппаратурой наземных абонентов, так и требований по взаимной интеграции КС.
Классический подход к построению КС для формирования единого информационного пространства предполагает создание значительного парка узкоспециализированных КА и КС.
Однако в условиях стремительного развития технологий микроэлектроники и микротехники возможен и необходим переход к созданию мульти-сервисных коммерческих КА, решающих задачи в интересах национальной безопасности. Это приведет к созданию единой технологической базы, широкой межотраслевой интеграции, интеграции военного и гражданского секторов экономики, что подчеркивает актуальность создания принципиально новых КС и средств.
Рис. 1. Космические аппараты системы единого информационного пространства
В целях формирования единого информационного пространства перед российской космической промышленностью стоят следующие задачи:
— создание нового поколения российских спутниковых платформ с конкурентоспособными характеристиками на мировом рынке-
— расширение группировки спутников связи и вещания-
— формирование мультисервисной спутниковой системы непосредственного цифрового вещания и мобильной связи со спутниками на высокоэллиптических орбитах-
— развертывание систем оперативного круглосуточного, всепогодного мониторинга со спутниками оптико-электронного и радиолокационного наблюдения сверхвысокого разрешения.
Один из первых шагов на пути перехода к качественно новому уровню КА в России был сделан Ракетно-космической корпорацией (РКК) & quot-Энергия"- в 90-х годах XXв., когда корпорация вернулась к беспилотной тематике. Тогда, в рамках создания КС связи & quot-Ямал"-, были разработаны в определенной степени революционные КА & quot-Ямал-100"- (рис. 2, см. 4-ю полосу обложки), при создании которых использовались следующие базовые принципы:
— негерметичная несущая конструкция трехслойных сотопанелей с интегрированной системой обеспечения теплового режима пассивного типа (без подвижных механических элементов) —
— модульный принцип построения-
— автономные радиаторы на базе дублированных & quot-контурных"- тепловых труб-
— отказоустойчивый цифровой бортовой комплекс управления-
— система управления движением и навигацией основана на высокоточных звездных датчиках и безрасходных исполнительных органах — двигателях-маховиках-
— солнечные батареи на трехслойных углепластиковых сотопанелях-
— объединенная двигательная установка выполнена с использованием стационарных плазменных двигателей-
С
Иллюстрации к статье В. А. Лопоты, П. Н. Ермакова, И.В. Фролова
«ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ И КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ»
Рис. 2. Космический аппарат «Ямал-100»
Рис. 3. Космический аппарат «Ямал-200»
Рис. 4. Унифицированная космическая платформа
— многоуровневая комплексная система обеспечения надежности, обеспечивающая длительный срок активного существования КА.
Эффективность принятых решений подтверждена 11-летним сроком эксплуатации КА на рабочей орбите.
Космические аппараты & quot-Ямал-100"- стали отправной точкой для создания целой серии КА. На их базе были разработаны новые КА & quot-Ямал-200"- (рис. 3, см. 4-ю полосу обложки), эксплуатируемые на геостационарной орбите с 2003 г. & quot-Ямал-300"-, а также унифицированная космическая платформа (УКП) для целого ряда КА (рис. 4).
В результате выполненных работ был получен опыт, подтверждающий большие возможности и адаптационный потенциал созданной УКП, востребованной в том числе и в наиболее динамично развивающемся сегменте систем спутникового цифрового вещания рынка космических услуг.
Сейчас в РКК & quot-Энергия"- ведутся активные работы по созданию на основе УКП КА спутникового цифрового вещания с высокими показателями мощности электропитания целевой нагрузки — до 6 и 14кВт (рис. 5). На К А предусматривается использование транспондеров с прямой ретрансляцией сигнала, а также с цифровой обработкой сигнала на борту.
Рис. 5. Перспективный спутник связи
Проектирование К А ведется, исходя из возможности обеспечения запуска двух КА ракетой-носителем (РН) & quot-Протон"- или одного КА с использованием РН & quot-Зенит"-.
Особое внимание уделяется созданию мультисервисных КС, предназначенных для решения комплексных задач связи, навигации и диспетчеризации, которые позволят перейти на качественно новый уровень информационных услуг.
С использованием таких систем обеспечивается:
— цифровое непосредственное телерадиовещание и мультимедийное вещание,
— подвижная персональная связь,
— мониторинг техногенных и опасных объектов,
— диспетчеризация транспортных потоков, средств и грузов.
Кроме того, решается задача интеграции систем навигации, диспетчеризации и связи на всей территории России, включая арктическую зону.
В составе КА данной КС предусматривается применение самых передовых российских технологий в области построения усилителей мощности, цифровой аппаратуры обработки информации, системы электропитания общей мощностью до 15 кВт.
Важную роль в формировании единого информационного пространства играют КА дистанционного зондирования Земли — в первую очередь КА оптико-электронного и радиолокационного наблюдения.
Следует отметить, что в настоящее время в нашей стране состояние дел с такими аппаратами критическое. Если за рубежом находится в эксплуатации или планируется к запуску значительное число КА, обеспечивающих высокое пространственное разрешение в оптическом и ближнем ИК диапазонах, то у нас это — единичные образцы, при этом не обладающие длительным сроком активного существования.
В РКК & quot-Энергия"- работы по определению облика КА оптико-электронного наблюдения нового поколения были начаты в 1999 г. К этим работам были подключены как российские потенциальные заказчики, так и зарубежные.
Рис. 6. Космический аппарат оптико-электронного наблюдения
В результате напряженной работы были определены требуемые тактико-технические характеристики и в 2009 г. был заключен контракт на создание КС оптико-электронного наблюдения.
К ключевым особенностям данного проекта относятся абсолютная новизна КС и ее составляющих, функциональная и конструктивная законченность. Данная система поставляется заказчику по принципу & quot-под ключ& quot-, и рассчитана на срок эксплуатации более 10 лет. Немаловажным фактором является и предельно малый срок создания КС — около 30 месяцев.
В состав КС входят: КА оптико-электронного наблюдения (рис. 6) — центр управления- стационарный и мобильный (рис. 7) наземные комплексы приема и обработки информации.
Рис. 7. Мобильный комплекс приема и обработки информации
Разработанный К А обладает высокими характеристиками по разрешению в панхроматическом (менее 1 м) и мультиспектральном режимах съемки, высокими показателями производительности съемки участков земной поверхности в покадровом и стереоскопическом режимах. Динамические характеристики КА также позволяют выполнять съемку в маршрутном и картографическом режимах. Общие технические характеристики КА позволяют поставить его в один ряд с современными зарубежными аналогами.
В ходе проектирования КА были применены оригинальные подходы к его конструктивному и технологическому исполнению:
— конфигурация КА, построение бортовых систем обеспечивает возможность его эксплуатации на околоземных орбитах в диапазоне высот от 450 до 800 км с наклонением в диапазоне от 48° до 99°-
— обеспечена возможность адаптации КА к широкому кругу средств выведения — РН & quot-Днепр"-, & quot-Космос-3М"-, & quot-Рокот"-, & quot-Союз-1"-, а также к РН & quot-Союз-ФГ"- и & quot-Союз-2"- при парном запуске КА-
— реализован принцип попанельной сборки КА, в соответствии с которым на главную сборку КА поставляются панели корпуса с установленными, электрически объединенными, прошедшими необходимый объем проверок и испытаний приборами (рис. 8) —
— достигнута высокая объемная плотность компоновки, предопределяющая компактность аппарата, позволяющая обеспечить размещение КА под малогабаритным головным обтекателем РН & quot-Космос-3М"--
— корпус КА, масса которого не превышает 8% массы, выполнен по бескаркасной схеме.
Одной из ключевых особенностей построения КА является применение электроракетной двигательной установки для обеспечения довыведения КА на рабочую орбиту и поддержания ее орбитальных параметров в течение
Рис. 8. Модульный принцип построения КА оптико-электронного наблюдения
Рис. 9. Космический аппарат радиолокационного наблюдения
всего 10-летнего срока активного существования, а также для увода КА с рабочей орбиты по окончании его эксплуатации.
Как и во многих других КА РКК & quot-Энергия"- в КА оптико-электронного наблюдения заложен значительный модернизационный потенциал. На его основе в ближайшие годы может быть создан новый комплекс оптико-электронного наблюдения с разрешением менее 0,5 м.
На базе КА оптико-электронного наблюдения рассматривается создание КА радиолокационного наблюдения (рис. 9).
В целях сокращения сроков и снижения стоимости выполнения работ по созданию КА связи и оптико-электронного наблюдения разработка проектной и рабочей конструкторской документации выполняется исключительно с применением современных CAD/CAM/CAE-систем на основе Pro/Engineer и PDM-системы WindChill. Данные программные продукты внедрены не только в подразделениях РКК & quot-Энергия"-.
Применение данных систем позволило значительно повысить качество проектирования и эффективность процесса проектирования, отработать и применить & quot-безбумажную"- технологию создания КА и его составных частей обеспечить полный контроль продукции, а также оптимизировать ключевые процессы создания КА и снизить возможные технические и технологические риски.
Как один из характерных примеров повышения эффективности работ можно привести создание двигательной установки КА (рис. 10).
Длительность разработки проектной и конструкторской документации на этот столь сложный элемент КА составила около 4 месяцев, по окончании этого срока на производство были переданы трехмерные модели и электронные ассоциативные чертежи, экспортируемые непосредственно на станки с числовым программным управлением (рис. 11). Такой подход позволил полностью отказаться от традиционной технологии изготовления трубопроводов двигательной установки по эталонам и значительно повысить эффективность труда.
Еще одним важным направлением работ РКК & quot-Энергия"- в области дистанционного зондирования Земли является проектирование многоспутни-
Рис. 10. Двигательная установка КА оптико-электронного наблюдения
Рис. 11. Иллюстрация процесса гибки трубопровода двигательной установки:
а — 3Б-моделирование- б — изготовление
ковых группировок на базе высокотехнологичных малых спутников. Развертывание орбитальной группировки, состоящей из 4−5 таких КА, позволит обеспечить ежесуточное наблюдение любой точки земного шара, а также сократить интервалы между наблюдениями заданной точки в средних широтах до 1,5−3,0 ч.
Особо необходимо отметить, что срок создания столь сложных КА не должен превышать 35 месяцев, а срок активного существования на рабочей орбите должен превышать 15 лет.
Одним из возможных направлений деятельности по сокращению сроков и стоимости создания КА является использование в процессе проектирования, изготовления и испытаний новых подходов — мехатронных принципов и технологий (Lego-технологии), а также использование самых совершенных методов системного автоматизированного проектирования и управления проектами.
Традиционные схемы создания КА, базирующиеся на принципах & quot-классической"- иерархической архитектуры построения, предусматривают деление по системным принципам и, соответственно, интеграцию в составе спутника разнообразной аппаратуры, созданной разными фирмами-разработчиками, с многочисленными и разнообразными интерфейсами, использующими различные технологии, элементную базу, методики отработки и испытаний (рис. 12). Такой подход объективно приводит к высокой стоимости, длительным срокам разработки, экспериментальной отработки, изготовления и
Классическая иерархическая архитектура
Модульная мемХШШМ архитектура
Рис. 12. Архитектура спутников
Иерархическая архитектура, деление по системным принципам
Г
Modularity
Модульност ь Common Interfaces and Protocols Универсальные интерфейсы и протоколы обмена Standardization Cm андарт из ация Autonomy Автономность
Модульная сетевая архитектура, деление по функциональным принципам:
• Рэу1снс1 Вин-р'-ше
АЗбли^- с тленной ла^узжй
* С'-оттилгсаНоп* МойЫс
НаДула С^СЛИН связи
Лтикк Осй™1ПЯ1Ш Ит1и1с
ЛНншк: СотгЫ М1ч1"к-
Л^ТСЛ. ЧТГ^Л^Л'-Л ерзаем
Нлиегу
? аПртГртт арое
?п1аГ Лггау М& lt-к1ик: ! ЛпскоГ 1*-у]уг 5 отяенлх сатэрея и зДапиф с рягагтюД-лое^шелам
Спутник 1
Платформа и Ш н
Автономные функционально интегрированные модули
Системы
Приборы
Стандартные интерфейсы…
logical Логические
Средства интеграции
Electrical Электрические
Mechanical Механические
Л LD^itoh «- & lt- nsiXTCKAL ь-Г
! [_ ТПЕИМЛ1. --
ТОХХЕЮК
Каждый модуль имеет стандартные интерфейсы — логические, электрические, механические Каждый модуль реализует определенную функцию
Кавдый модуль реализует свои функции автономно (независимо от других модулей) Отказ модули не приводит к отказу остальных модулей
Обеспечивается независимая разработка, изготовление и испытания каждого модуля Обеспечивается возможность введения дополнительные модулей без доработок существующих
Рис. 13. Типовой цикл создания целевого спутника
испытаний, а также к существенным проблемам в части обеспечения качества и надежности спутника в целом. И это проблемы не только космической индустрии, но всего машиностроительного комплекса в целом.
Во многих современных отраслях машиностроения стратегическим направлением является & quot-мехатроника"- - новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления. В данном определении особо подчеркнута триединая сущность мехатронных систем, в основу построения которых заложена идея глубокой взаимосвязи механических, электронных и компьютерных элементов.
Современный спутник так же, как сложный технический комплекс, целесообразно создавать как мехатронную систему на базе унифицированных и функционально интегрированных интеллектуальных модулей со стандартными логическими, электрическими и механическими интерфейсами с интеллектуальным управлением (рис. 13).
Такие предложения базируются на максимальном использовании созданного научно-технического задела:
— технологий создания интеллектуальных модульных робототехнических комплексов наземного, воздушного, водного и космического базирования, построенных на базе современных технологий мехатроники и микросистемной техники-
— технологий создания высокоинтегрированного бортового оптико-электронного комплекса, разработанных в рамках создания КА оптико-электронного наблюдения.
Такой инновационный подход к созданию спутников как мехатронных систем предусматривает широкое использование:
— индустриальных технологий массового производства-
— открытой, общедоступной архитектуры построения-
— сквозной унификации и стандартизации, обеспечивающих реализацию принципа & quot-подключай и работай& quot- (plug and play),
— оптимизации соотношения цена-качество (не обязательно быть лучшим во всем, необходимо быть достаточным для большинства применений) — так 80% характеристик могут быть достигнуты при 20% затрат.
При этом достигаются следующие принципиально важные аспекты, которые являются следствием нового мехатронного подхода:
— составляющие части не просто дополняют друг друга, но объединяются таким образом, чтобы образованная система имела качественно новые свойства-
— интегрированные мехатронные элементы выбираются разработчиком уже на стадии проектирования, а затем обеспечивается необходимая инженерная и технологическая поддержка при производстве и эксплуатации. В этом радикальное отличие мехатронных систем от традиционных, когда зачастую разработчик вынужден самостоятельно объединять в систему разнородные механические, электронные и информационно-управляющие устройства различных изготовителей. Именно поэтому многие сложные комплексы показали на практике низкую надежность и невысокую технико-экономическую эффективность-
— методологической основой разработки служат методы параллельного проектирования (concurrent engineering methods). При традиционном проектировании последовательно проводится разработка механической, электронной, сенсорной и компьютерной частей системы, а затем комплексная увязка интерфейсов. При параллельном проектировании предусматривается одновременный и взаимосвязанный синтез всех компонентов системы-
— аппаратное объединение элементов в единые конструктивные модули должно обязательно сопровождаться разработкой интегрированного программного обеспечения и организацией неразрывного цикла от проекта системы (через ее аналитическую верификацию, математическое моделирование, наземную экспериментальную отработку, приемо-сдаточные испытания) к реальной эксплуатации и решению целевой задачи.
Таким образом, применение мехатронного подхода при создании спутников обеспечивает следующие преимущества по сравнению с традиционными методами:
— существенно более низкую стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов-
— высокое качество и надежность реализации сложных целевых задач вследствие применения методов интеллектуального управления-
— высокую надежность, долговечность и отказоустойчивость-
— конструктивную компактность модулей и спутника в целом-
— улучшенные массо-габаритные и динамические характеристики-
— возможность комплексирования функциональных модулей в сложные системы и комплексы под конкретные задачи заказчика, вплоть до решения задачи интеграции спутника под заказ и его запуска в течение нескольких недель.
Создание новых поколений космической техники с использованием технологий мехатроники и микросистемной техники будет способствовать развитию тесной интеграции между различными отраслями промышленности и ведущими научными и учебными центрами в целях развития космических и производственных технологий, генерации новых знаний, воспитания инженерного и интеллектуального потенциала нации, повышения благосостоянии граждан России.
Статья поступила в редакцию 11. 02. 2011
Виталий Александрович Лопота родился в 1950 г., окончил Ленинградский политехнический институт им. М. И. Калинина. Чл. -корр. РАН, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой & quot-Космические аппараты и ракеты-носители& quot- МГТУ им. Н. Э. Баумана, президент, генеральный конструктор ОАО РКК & quot-Энергия"- им. С. П. Королева. Автор более 200 научных работ в области лазерной сварки, робототехники и космической техники.
V.A. Lopota (b. 1950) graduated from the Leningrad Polytechnic Institute n.a. M.I. Kalinin. Corresponding member of the Russian Academy of Sciences, D. Sc. (Eng.), professor, head of & quot-Spacecrafts and Launch Vehicles& quot- department of the Bauman Moscow State Technical University, president, general designer of the JSC RKK & quot-Energiya"- im. S.P. Korolev. Author of more than 200 publications in the field of laser welding, robotics and space technology.
Игорь Владимирович Фролов родился в 1978 г., окончил МГТУ им. Н. Э. Баумана. Начальник отделения ОАО РКК & quot-Энергия"- им. С. П. Королева. Автор 20 научных работ в области космической техники.
I.V. Frolov (b. 1978) graduated from the Bauman Moscow State Technical University. Head of division of the JSC RKK & quot-Energiya"- im. S.P. Korolev. Author of 20 publications in the field of space technology.
Петр Николаевич Ермаков родился в 1984 г., окончил МГТУ им. Н. Э. Баумана в 2007 г. Начальник сектора ОАО РКК & quot-Энергия"- им. С. П. Королева. Специализируется в области ракетостроения.
P.N. Yermakov (b. 1984) graduated from the Bauman Moscow State Technical University in 2007. Head of sector of the JSC RKK & quot-Energiya"- im. S.P. Korolev. Specializes in the field of rocket engineering.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой