Оценка эффективности использования электрореактивных двигателей для задач довыведения КА на ГСО Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 521.31: 629.7.036: 629.78

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЗАДАЧ ДОВЫВЕДЕНИЯ КА НА ГСО

А. В. Ковалева, А. А. Внуков

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Е-mail: royal_blood1313@mail.ru

Проведен анализ возможности использования ЭРД для решения задач довыведения КА на ГСО. По результатам расчетов определена наиболее выгодная орбита с точки зрения минимизации времени довыведения, предложены варианты полезных нагрузок для существующих коммерческих ракет-носителей.

Ключевые слова: довыдедение, электрореактивный двигатель, переходная орбита.

ASSESSMENT OF ELECTROJET THRUSTERS EFFICIENCY FOR THE SPACECRAFT INSERTION ONTO GEOSTATIONARY EARTH ORBIT

A. V. Kovalyova, A. A. Vnukov

JSC "Academician M. F. Reshetnev "Information satellite systems" 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: royal_blood1313@mail.ru

In work the possibility of electric thrusters application for the spacecraft insertion onto geostationary earth orbit is analysed. According to results of calculations the most favorable orbit from the point of inserting time minimization is defined, options ofpayloads for the existing commercial carrier rockets are offered.

Keywords: GEO insertion, electric thruster, transfer orbit.

Требование заказчиков космических аппаратов обеспечить альтернативность выбора средств выведения спутника на геостационарную орбиту (ГСО) предполагает наличие в составе космического аппарата (КА) собственной системы реактивного движения, задачей которой является обеспечение перелёта аппарата на геостационарную орбиту с переходной. Параметры переходной орбиты определяются так, чтобы минимизировать затраты на довыведение. Затратами могут являться как время довыведения, так и масса используемого для этого топлива (или рабочего тела), а также стоимость ракеты-носителя (РН), используемой для запуска КА.

Традиционно для решения задач довыведения применяют химическую двигательную установку на двухкомпонентном топливе. Это позволяет обеспечить переход КА на ГСО в кратчайшие сроки, однако требует наличия существенных запасов топлива и, как следствие, использования ракет-носителей среднего или тяжёлого класса. Тенденцией последних лет является исследование возможностей применения для довыведения КА двигательной установки на базе электрореактивных двигателей (ЭРД). Использование ЭРД позволяет на порядок сократить массу топлива для перевода КА на ГСО, что, в свою очередь, уменьшает стартовую массу спутника и позволяет запускать тяжёлые КА более дешёвыми ракетами среднего класса или применять групповой запуск средних КА с помощью РН тяжёлого класса.

В работе для упрощения расчётов переход КА на ГСО рассматривается как состоящий из трёх этапов:

- изменение наклонения орбиты до 0°;

- изменение высоты перигея до высоты ГСО;

- изменение высоты апогея до высоты ГСО (не применяется в случае использования стандартной переходной орбиты).

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1

Расчётная модель строится для КА массой 2000 кг на ГСО, поскольку такая масса соответствует массе спутников связи среднего класса, составляющих большую часть спутникового флота крупнейших мировых операторов.

В качестве двигателя системы довыведения предлагается использовать ЭРД СПД-140 как обладающий достаточно высокой тягой и не требующий при этом существенной мощности от системы электропитания КА [2]. Характеристики СПД-140:

- тяга (Я) - 29 г;

- удельный импульс (1уд) - 1 680 с;

- мощность - 4 500 Вт.

Необходимое время работы ЭРД можно определить по формуле

Мрт • к

^эрД = т '

т

где МРТ - масса рабочего тела, определяемая по формуле Циолковского для массы КА на ГСО

( 1 Я 29

; т - секундный расход СПД-140, т =-=-= 17,3 мг/с;

I 1680

\ / уд к - коэффициент, учитывающий изменение угла между вектором скорости и вектором тяги ЭРД в процессе движения КА по орбите, к = 1,3.

Время довыведения для различных переходных орбит вычисляется как сумма времени работы ЭРД и времени пассивного полёта по переходной орбите [3]. Время пассивного полёта определяется с помощью второго закона Кеплера, исходя из условия непревышения углом между вектором скорости КА и вектором тяги ЭРД величины 60° [4]. Время довыведения для различных переходных орбит приведено в табл. 1.

Таблица 1

Время довыведения КА массой 2000 кг на ГСО с помощью системы довыведения на базе СПД-140

Мгсо = 2 000 кг, Мрт = МГСО

/1уд _ 1

Наклонение переходной орбиты Высота апогея, км

36 000 50 000 71 000 100 000

1 = 6 197 189 130 150

1 = 28,5° 276 249 161 177

1 = 51,5° 355 309 192 205

Из табл. 1 видно, что с точки зрения минимизации времени довыведения выгоднее использовать орбиту с высотой апогея 71 000 км, поскольку период обращения КА на такой орбите равен 24 часам, что позволит использовать для организации работы ЭРД схему Спитцера, а значит минимизировать время довыведения спутника на ГСО.

Стартовая масса КА вычисляется как сумма массы КА на ГСО и массы рабочего тела на довы-ведение с учётом коэффициента к.

Таблица 2

Стартовая масса КА для различных переходных орбит

Наклонение переходной орбиты Высота апогея, км

36 000 50 000 71 000 100 000

1 = 6 2 273 2 263 2 252 2 243

1 = 28,5° 2 383 2 346 2 313 2 287

1 = 51,5° 2 493 2 429 2 374 2 331

В соответствии с энергетическими характеристиками ракет-носителей и стартовой массой КА для орбиты с высотой апогея 71 000 км (табл. 2), определена возможная номенклатура полезных нагрузок для современных коммерческих РН. Результаты расчёта представлены в табл. 3.

Таблица 3

Варианты полезных нагрузок для различных коммерческих РН для орбиты 200 км х 71 000 км

Наименование РН Наклонение ГПО, градусы Масса полезной нагрузки, кг Состав ПН и масса КА на ГСО, кг

Протон-М 51,5 7 150 2 000 + 2 000 + 2 000

2 000 + 3 500

Союз-2.1б (Куру) 6 2 450 2 000

Ariane-5 6 7 642 4 500 + 2 000

3 500 + 3 500

2 000 + 2 000 + 2 000

Falcon-9v1.1 28,5 3 750 2 000

Проведенный анализ показывает техническую возможность использования ЭРД для решения задач довыведения. По критерию массы рабочего тела для довыведения эффективность переходных орбит возрастает с увеличением высоты апогея, а по критерию времени довыведения существует экстремум в области апогея 71 000 км, соответствующего суточной геопереходной орбите. Применение схемы довыведения с ЭРД позволит КА, оснащенными ЭРДУ, конкурировать на мировом рынке с КА, использующими химическую апогейную ДУ.

Библиографические ссылки

1. Внуков А. А., Рвачёва Е. И. Предпосылки и перспективы создания полностью электрореактивных космических аппаратов для работы на геостационарной орбите // Вестник СибГАУ. 2014. № 4(56). С. 140-146.

2. Продукция ОКБ «Факел». Двигатель СПД-140 [Электронный ресурс]. URL: http://www.fakel-russia.com/production/spd/SPD-140/ (дата обращения: 20.03.2016).

3. Левантовский В. И. Механика космического полета в элементарном изложении. 3-е изд., доп. и перераб. М. : Наука, 1980. 512 с.

4. Бутиков Е. И. Закономерности кеплеровых движений [Электронный ресурс]. URL: http://butikov.faculty.ifmo.ru/Planets/Background.pdf (дата обращения: 20.03.2016).

© Ковалева А. В., Внуков А. А., 2016