ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАПАЗОНОВ ЭФФЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ УНИФИЦИРОВАННЫХ КОСМИЧЕСКИХ ПЛАТФОРМ ДЛЯ ГЕОСТАЦИОНАРНЫХ СПУТНИКОВ СВЯЗИ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ИННОВАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ

УДК 629.78

DOI 10.26732/).st.2021.L06

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАПАЗОНОВ ЭФФЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ УНИФИЦИРОВАННЫХ КОСМИЧЕСКИХ ПЛАТФОРМ ДЛЯ ГЕОСТАЦИОНАРНЫХ СПУТНИКОВ СВЯЗИ

В. Е. Чеботарев, И. И. ЗиминН, А. А. Внуков

АO «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва», г. Железногорск, Красноярский край, Российская Федерация

Сформулирована актуальная проблема выбора типоразмера унифицированной космической платформы разработки акционерного общества «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» для геостационарных спутников связи. Ранее задача оценки эффективности использования разработанных унифицированных платформ для создания нового космического аппарата решалась в большей степени эмпирическим путем, путем обобщения задела по существующим разработкам и оценке возможности и целесообразности применения имеющегося задела в перспективе (преемственность развития). Однако методической основы решения такого рода задачи до сих пор разработано не было. В рамках исследования была разработана модель оценки эффективности космического аппарата на базе унифицированной космической платформы. Разработана методика оценки эффективности применения унифицированных космических платформ, обладающих избыточным ресурсом (по массе и энергопотреблению) для полезной нагрузки и методика оценки эффективности применения модернизированной унифицированной космической платформы, позволяющей обеспечить увеличенные потребности в ресурсах (по массе и энергопотреблению) для полезной нагрузки. С помощью разработанных методик проведены оценки диапазона эффективного применения унифицированной космической платформы для геостационарных спутников связи разработки АО «ИСС», как без доработки, так и с необходимой модернизацией под конкретный проект (полезную нагрузку).

Ключевые слова: геостационарный спутник связи, космический аппарат, космическая платформа, полезная нагрузка, показатель эффективности, методика оценки эффективности.

Введение

В современном мире, где многие ведущие спутникостроительные фирмы предлагают схожую по основным техническим и эксплуатационным характеристикам продукцию, на первое место в конкурсе за контракт выходят проекты, обладающие лучшими показателями эффективности, а также меньшей длительностью реализации проекта. Особенно данная тенденция справедлива для коммерческих космических аппаратов (КА) связи [1-3].

КА, как правило, создаются с использованием принципа модульности построения, при котором модуль полезной нагрузки (МПН) размеН i.zimin@iss-reshetnev.ru © Ассоциация «ТП «НИСС», 2021

щается на космическую платформу (КП) [1; 4-9]. Модульное построение КА позволяет проводить автономное изготовление и испытание МПН параллельно с изготовлением и испытанием КП, что значительно сокращает общее время создания КА. Кроме того, использование унифицированной космической платформы (УКП) для различного типа МПН снижает затраты на разработку КА.

Одним из эффективных механизмов ускоренной реализации КА модульного построения является использование принципа, при котором МПН - это новый модуль, который размещается на УКП. В этом случае возникает актуальная проблема выбора типоразмера УКП, оценки эффективности ее использования с учетом необходимости ее модернизации под конкретный проект.

В статье описана методика оценки диапазона эффективного применения УКП как без

Том 5

52

доработки, так и с модернизацией, а также приведены результаты исследования диапазона эффективного применения существующей УКП разработки АО «ИСС» для геостационарного спутника связи.

1. Проектная модель оценки эффективности КА с УКП

Для обобщенного анализа бюджеты ресурсов (массы и энергопотребления) КА модульного построения представим в следующем виде [1-4]:

(1)

М КА = М ПН + М УКП

Ш - ш + ш

КА ПН УКП

где МКА и ЖКА - масса и энергопотребление КА; МПН и ЖПН - масса и энергопотребление МПН; МУКП и ЖУКП - масса и энергопотребление УКП.

При параметрическом анализе возможности размещения новой полезной нагрузки на УКП реализуется принцип максимального удовлетворения потребностей полезной нагрузки в ресурсах КА в виде обобщенной массы полезной нагрузки Мпн.об. [1-4]:

Мт

= М ПН + Кж

Ж = М -а

ПН ПН ПН

а

= 1 + К

Ж

ПН

(2)

М

Мг

-а,

• а

Мп

где ам =

Мг

стей и их интеграцию в составе КА, зависят от его целевой эффективности, надежности, массы, энергопотребления и т. д. Учитывая тот факт, что масса 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]:

Сизг = Суд.и • МКА. (5)

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

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

СОКР = КОКР • Суд.и • МКА. (6)

Полученная система уравнений позволяет сформировать однокритериальную целевую функцию скалярного вида ЭКА, определяемую как отношение показателя целевой эффективности (МПНоб.) к показателю финансовых затрат на создание КА (СОКР):

О _МПН.об.

^А -

ПН.об.

где Кш - средний коэффициент парциальных затрат массы КА на генерирование электроэнергии и сброса тепла, кг/Вт; аПН - коэффициент парциальных затрат ресурсов на обеспечение потребностей полезной нагрузки.

В этом случае обобщенная масса полезной нагрузки МПНоб. может использоваться для формирования показателя целевой эффективности КА. Одновременно, при сравнительном анализе, может быть использован удельный обобщенный коэффициент парциальных затрат ресурсов КА на решение целевой задачи [1; 3; 10]:

(3)

С

КОКР • Суд.и • МКА

(7)

- коэффициент затрат массы КА

на полезную нагрузку.

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

СОКР = КОКР • Сизг . (4)

Значение коэффициента КОКР 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 ча-

С использованием предложенной проектной модели КА и выбранной однокритериальной целевой функции разработаны методики и проведена оценка диапазонов эффективного применения базовой УКП для двух вариантов МПН:

• потребности МПН в ресурсах удовлетворяются УКП с избытком (УКП-ИР);

• для удовлетворения потребностей МПН в ресурсах требуется доработка УКП (УКП-М).

В качестве базового КА разработки АО «ИСС» для размещения новой полезной нагрузки рассмотрен геостационарный спутник коммерческой связи, использующий УКП «Экспресс-1000» (табл. 1):

Таблица 1

Технические характеристики базового КА

№ п/п Характеристика Значение

1 Тип УКП Э-1000

2 Масса базового КА, кг м КА 2771

3 Максимальная масса ПН, кг М ПН 1221

4 Максимальное энергопотребление ПН, Вт 3300

5 Коэффициент энергетической эффективности, кг/Вт К1Г 0,073

Исследование диапазонов эффективного применения унифицированных космических платформ

Продолжение таблицы 1

6 Обобщенная масса ПН Мкоб. 1462

7 Коэффициент обобщенной полезной нагрузки К ПН 0,527

8 Коэффициент затрат массы КА на ПН б а м 0,441

9 Коэффициент парциальных затрат массы на энергообеспечение ПН б а ПН 1,197

мб - мб + Мб М "р - М "р + Мб

Мир

V-ир _ -"^КА _1 „б Мб м

ММТ/-Л

М ир

1 ПН

М

< 1,

(8) (9)

пн у

мпн < МПН , < ^бн, МКА < МКА .

3н

53 = £ка

ир „б 3КА

. МПН.об • МКА • КОКР > ^

МПН.об •МКА • КОКР

(10)

М иР

¡^ир _ -""ПН ^ б

а

ир

1

К иР

. ^ ОКР

б б ир

М ПН аПН КНБ

К

(11)

ОКР

Используя данные по базовому КА (ам) и полагая а ПН = а [Пн , проведем оценку зависимостей между экономическими и техническими показателями, заданных уравнением (11). Результаты оценки диапазона эффективного применения УКП-ИР базового КА для размещения нового МПН приведены в табл. 2 и на рис. 1.

Таблица 2

Диапазон эффективного применения УКП-ИР

2. Методика оценки диапазона эффективного применения УКП-ИР

При проектировании нового КА на основе УКП-ИР, удовлетворяющей потребности новой МПН с избытком в ресурсах по массе и энергопотреблению, используются следующие уравнения для определения бюджета ресурсов КА (индекс «б» относится к базовому КА, а индекс «н» к новому КА):

м ПН м Пн 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

к ир 0,641 0,729 0,807 0,877 0,942 1,0

к ир Лнб 0,78 0,824 0,868 0,912 0,956 1,0

Гр Гр

1

0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6

К»Р --------Г-------1--------!--------!--------

к? > К

кир ОКР

э "кб Л0КР

]

- -\- -\- -\- -\-

мй,

0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 ' пк

а

Применение УКП базового КА с избыточным ресурсом для ПН создает предпосылки для ускоренного создания КА с новой ПН, снижает финансовые затраты на его разработку, однако, одновременно снижает целевую эффективность КА

(Эка) [1; 3].

Для оценки допустимого диапазона эффективного применения УКП-ИР для нового КА введем относительный (безразмерный) критерий (полагая одинаковым значения Суд.и):

Решая совместно уравнения (2), (9) и (10), получим соотношение между экономическими и техническими показателями, обеспечивающими оценку диапазона эффективного применения УКП-ИР:

0,85 0,9

б

Рис. 1. Зависимость экономических и технических показателей УКП-ИР:

а) -

- Кщ •

- Кир

На рис. 1 выделена зона значений К и >

К ир

О КР

г6 :

ОКР

при которых допустимо применение УКП-ИР для

„ М" заданных значений

М

ПН (1а) и Ки (1б). Таким

ПН

Результаты параметрических исследований с использованием предлагаемой методики по оценке диапазона эффективного применения УКП-ИР геостационарного спутника связи разработки АО «ИСС» для размещения нового МПН приведены ниже.

образом, создание КА с МПН, потребности которой в ресурсах удовлетворяются УКП с избытком (УКП-ИР), допустимо без снижения критерия эффективности (5Эир > 1) при удовлетворении огра-

К ир

ничений КИр >

Кб

53

54

3. Методика оценки диапазона эффективного применения УКП-М

При проектировании нового КА на основе УКП, требующей доработки (УКП-М) для удовлетворения потребностей новой МПН в ресурсах (по массе и энергопотреблению), используются следующие уравнения для определения бюджета ресурсов КА (индекс «б» относится к базовому КА, а индекс «н» к новому):

Мм = м +мм

-5М„

5Мукп = «М (МПн -МПн ) + К£ (жПМн - < )

(12)

где МПмН и ЖПн - масса и энергопотребление полезной нагрузки нового КА, М- масса базовой платформы.

После соответствующих преобразований получим следующее выражение для определения массы нового КА:

Мкмд = МКА -МПН +ЫПН + а;; (МПн -И^) +

+к (жпн - ЖПН )= ИКд • кНб ,

КНБ = 1 +

(13)

+а

(1 + аМ)| ММН-1

Иб

"(аПн -1)1

Ж м

' ' тп

Ж

' ' тп

-1

Для оценки допустимого диапазона эффективного применения УКП-М для нового КА введем относительный (безразмерный) критерий (полагая одинаковым значения Суд.и):

Э н

5э — КА - „б

Э

КА

. МПН.об • МКА • ^ОКР

Мпн.об •МКА • ^ОКР

(14)

М м

^м _ ПН

3 " Мгб

ат

1

■ >■

к м

а0 Км К

[ПН ПН ЛНБ -""ОКР

Используя данные по базовому КА (а ММ = 0, 441) и полагая а Мн = а ^ = 1,197, определим соотношение между экономическими и техническими показателями, обеспечивающими оценку диапазона эффективного применения УКП-М согласно формуле (15).

Результаты оценки диапазона эффективного применения УКП-М базового КА для размещения нового МПН приведены в табл. 3 и на рис. 2.

К 0

(15)

Том 5 Таблица 3

Диапазон эффективного применения УКП-М

W м " ПН W 6 " ПН м ПН м Пн 1 1,2 1,4 1,6

1 А нб 1 1,127 1,254 1,381

*м 1 1,065 1,116 1,158

1,2 -ттм К нб 1,017 1,144 1,271 1,398

*м 0,983 1,049 1,101 1,144

1,4 -ттм К нб 1,035 1,162 1,289 1,416

*м 0,966 1,033 1,086 1,130

1,6 А нб 1,052 1,179 1,306 1,433

кЭ 0,951 1,018 1,072 1,116

0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3 1,35 1,4 1,45 1,5 1,55 1,6 1,65

а

Решая совместно уравнения (2), (10) и (13), получим соотношение между экономическими и техническими показателями, обеспечивающими оценку диапазона эффективного применения УКП-М:

К| > 1/м л0КР

1/8 ^ОКР

КЭ <

\

Км

нб

1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3 1,35 1,4 1,45 б

Рис. 2. Зависимость экономических и технических показателей УКП-ИР:

а)

Ш н

ШпГ = 1, 0 ;

'' ПН

Wн

, , ПН _ 1 4 .

гб ' '

ПН

шн

шт = 1,2;

''ПН

Wн

^г- = 1, 6 .

wL

На рис. 2 выделена зона значений КМ ^

К

ОКР

К б

при которых допустимо применение УКП-М для

М

заданных значений

ПН

М*

(2а) и КМ (2б).

Исследование диапазонов эффективного применения унифицированных космических платформ

Таким образом, создание КА с МПН, для удовлетворения потребностей которой в ресурсах требуется доработка УКП (УКП-М), допустимо без снижения критерия эффективности (5Эир > 1),

тгр

при удовлетворении ограничений Кэ >

К

ОКР

Заключение

1. Сформулирована актуальная проблема выбора типоразмера УКП разработки АО «ИСС» для геостационарных спутников связи и разработана проектная модель оценки эффективности КА с УКП.

2. Разработана методика оценки эффективности применения УКП, обладающих избыточным ресурсом (по массе и энергопотреблению) для полезной нагрузки (УКП-ИР).

3. Разработана методика оценки эффективности применения модернизированной УКП, позволяющей обеспечить увеличенные потребности в ресурсах (по массе и энергопотреблению) для полезной нагрузки (УКП-М).

4. С помощью разработанных методик проведены оценки диапазона эффективного применения УКП разработки АО «ИСС», как без доработки (УКП-ИР), так и с модернизацией (УКП-М) для геостационарного спутника связи.

55

Список литературы

[1] Чеботарев В. Е., Косенко В. Е. Основы проектирования космических аппаратов информационного обеспечения : учеб. пособие ; Сиб. гос. аэрокосм. ун-т. Красноярск, 2011. 488 с.

[2] Косенко В. Е., Попов В. В., Звонарь В. Д., Чеботарев В. Е. Анализ преемственности развития КА информационного обеспечения / Актуальные вопросы проектирования АКА для фундаментальных и прикладных научных исследований. Химки, ФГУП «НПО имени С.А. Лавочкина». 2017. Вып. 2. С. 132-140.

[3] Чеботарев В. Е., Зимин И. И. Методика оценки диапазона эффективного применения унифицированных космических платформ // Сибирский журнал науки и технологий. 2018. Т. 19. № 3. С. 532-539.

[4] Решетнев М. Ф., Ашурков Е. А., Корчагин Е. Н. Развитие космических информационных систем связи, телевещания, навигации, геодезии // Космические вехи: сборник научных трудов, посвященный 50-летию создания ОАО «ИСС» имени академика М.Ф. Решетнева. Красноярск : ИП Суховольская Ю. П., 2009. С. 10-22.

[5] Технология производства космических аппаратов : учеб. для вузов / Н. А. Тестоедов [и др.] ; Сиб. гос. аэро-космич. ун-т. Красноярск, 2009. 352 с.

[6] Maini A. K., Agrawal V. Satellite Technology: Principles and Applications. A fohn Wiley and Sons Ltd., 2011. 674 p.

[7] Разработка систем космических аппаратов / Под ред. П. Фортескью, Г. Суайнерда, Д. Старка ; пер. с англ. М. : Альпина Паблишер, 2015. 766 с.

[8] Гущин В. Н. Основы устройства космических аппаратов : учеб. для вузов. М. : Машиностроение, 2003. 272 с.

[9] Туманов А. В., Зеленцов В. В., Щеглов Г. А. Основы компоновки бортового оборудования космических аппаратов : учеб. пособие. М. : Изд-во Моск. гос. техн. ун-та им. Н. Э. Баумана, 2010. 136 с.

[10] Малышев В. В. Методы оптимизации в задачах системного анализа и управления : учеб. пособие. М. : МАИ-Принт, 2010, 440 с.

RESEARCH OF THE RANGES OF EFFECTIVE APPLICATION OF UNIFIED SPACE PLATFORMS FOR GEOSTATIONARY COMMUNICATION SATELLITES

V. E. Chebotarev, I. I. Zimin, A. A. Vnukov

JSC «Academician M. F. Reshetnev» Information Satellite Systems», Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, Russian Federation

The topical problem of choosing the standard size of the unified space platform developed by the joint-stock company «Academician M. F. Reshetnev» Information Satellite Systems» for geostationary communication satellites has been formulated. Previously, the task of assessing the effectiveness of using the developed unified platforms for creating a new spacecraft was solved to a greater extent empirically, by generalizing the groundwork for existing developments and assessing the possibility and feasibility of using the existing groundwork in the future (development continuity). However, a methodological basis for solving this kind of problem has not yet been

Том 5

56

developed. As part of the study, a model for assessing the efficiency of a spacecraft based on a unified space platform was developed. A method for evaluating the effectiveness of the use of unified space platforms with an excess resource (in terms of mass and energy consumption) for the pay-load and a method for evaluating the effectiveness of using a modernized unified space platform, which makes it possible to meet increased resource requirements (in terms of weight and energy consumption) for the payload, have been developed. With the help of the developed methods, the assessment of the range of effective use of a unified space platform for geostationary communication satellites developed by JSC ISS was carried out, both without revision and with the necessary

modernization for a specific project (payload).

Keywords: geostationary communication satellite, spacecraft, space platform, payload, performance indicator, efficiency assessment method.

References

[1] Chebotarev V E., Kosenko V. E. Osnovyproektirovaniya kosmicheskikh apparatov informatsionnogo obespecheniya [Fundamentals of spacecraft design information support]. Krasnoyarsk, SibSAU, 2011, 488 p. (In Russian)

[2] Kosenko V. E., Popov V. V., Zvonar V. D., Chebotarev V. E. Analizpreemstvennosti razvitiya KA informacionnogo obespecheniya [Analysis of development heritage concerning information support spacecraft]. Actual problems of automatic spacecrafts design for fundamental and applied scientific research. Khimki, FSUE «S. A. Lavochkina», 2017, issue 2, pp. 132-140. (In Russian)

[3] Chebotarev V. E., Zimin I. I. Metodika ocenki diapazona effektivnogo primeneniya unificirovannyh kosmicheskih platform [Assessment methodology of the effective use range of the unified space platforms] // Siberian Journal of Science and Technology, 2018, vol. 19, no. 3, pp. 532-539. (In Russian)

[4] Reshetnev M. F., Ashurkov E. A., Korchagin E. N. Razvitie kosmicheskih informacionnyh sistem svyazi, televeshchaniya, navigacii, geodezii [Evolution of space informational systems of communication, telecasting, navigation, geodesy]. Kosmicheskie vekhi, 2009, no. 9, pp. 10-22. (In Russian)

[5] Testoyedov N. A., Mihnev M. M., Miheev A. E. Tehnologija proizvodstva kosmicheskih apparatov [Production technology of spacecraft]. Krasnoyarsk, SibSAU Publ., 2009, 352 p. (In Russian)

[6] Maini A. K., Agrawal V. Satellite Technology: Principles and Applications. A fohn Wiley and Sons Ltd., 2011, 674 p.

[7] Fortescue P., Swinerd G., Stark D. Razrabotka system kosmicheskikh apparatov [Development of spacecraft systems]. Moscow, Alpina Publ., 2015, 766 p. (In Russian)

[8] Guschin V. N. Osnovy ustroistva kosmicheskikh apparatov [Foundation of satellites structure]. Moscow, Mashinostroenie publ., 2003, 272 p. (In Russian)

[9] Tumanov A. V., Zelentsov V. V., Scheglov G. A. Osnovy komponovki bortovogo oborudovaniya kosmicheskikh apparatov [Foundation of layout of spacecraft onboard equipment]. Moscow, Bauman Moscow State Technical University, 2010, 136 p. (In Russian)

[10] Malyshev V. V. Metody optimizacii v zadachah sistemnogo analiza i upravleniya [Methods of optimization in system analysis and control problems]. Moscow, MAI print, 2010, 440 p. (In Russian)

Сведения об авторах

Внуков Алексей Анатольевич - начальник группы отдела баллистического и навигационного обеспечения КА АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва». Закончил Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнёва в 2006 году. Область научных интересов: проектирование КА, динамика полета КА.

Зимин Иван Иванович - начальник сектора системных анализов и проектирования малых космических аппаратов АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва». Закончил Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнёва в 2012 году. Область научных интересов: анализ и синтез сложных технических систем, разработка малых космических аппаратов и космических платформ.

Чеботарев Виктор Евдокимович - доктор технических наук, доцент, ведущий инженер АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва». Закончил Харьковский государственный университет в 1963 году. Область научных интересов: анализ и синтез сложных технических систем, разработка космических систем и аппаратов информационного обеспечения.