Комплексирование и эмерджентность как базовые понятия для перспективной ротостатической платформы космического аппарата нового типа Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

<Тешетневс^ие чтения. 2016

УДК 681.5

КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ И ЭМЕРДЖЕНТНОСТЬ КАК БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНОЙ РОТОСТАТИЧЕСКОЙ ПЛАТФОРМЫ КОСМИЧЕСКОГО

АППАРАТА НОВОГО ТИПА

С. В. Стреж

Краснознаменский завод полупроводниковых приборов «Арсенал» Российская Федерация, 143090, г. Краснознаменск, Московская область, ул. Связистов, 9

E-mail: str_s@mail.ru

Рассмотрено построение эффективной с точки зрения массо-габаритных и энергитических характеристик ротостатической платформы, обеспечивающей размещение специальной бортовой аппаратуры в классе малых и сверхмалых космических аппаратов (КА).

Ключевые слова: сверхмалый космический аппарат (СМКА), рото-статическая платформа, ротоблок, статический конструктив / платформа, ротоплатформа.

AGGREGATION AND EMERGENCE AS THE BASIC CONCEPTS FOR THE PROMISING ROTOSTATIC SPACECRAFT PLATFORM

S. V. Strezh

JSC "Arsenal" KrZPP 9, Svyazistov Street, Krasnoznamensk, Moscow region, 143090, Russian Federation

E-mail: str_s@mail.ru

The article deals with the construction of an efficient roto-static platform in terms of weight, dimensions and energetic characteristics, providing accommodation of special onboard equipment in a class of small and ultra-small spacecraft.

Keywords: ultra-small spacecraft, roto-static platform, roto-block, static platform, roto-platform.

В рамках ответа на устойчивые эволюционные вызовы к снижению массогабаритных и вещественно-энергетических характеристик технических объектов, что дополнительно стимулируется прогрессом в производстве, материаловедении и опережающим развитием информационных технологий, которые являются базовыми для управления КА и обработки СИ, отечественной космической индустрией в 2003-2008 (ЦНИИМаш совместно с НПО «Орион», по тематике НИР «Автоклав») были проведены исследования по программе «РОИ», завершившиеся, в том числе, формулированием принципиальных системных требований к формированию облика много-агентных космических систем, а именно: ГНОТ (Глобальность, Непрерывность, Оперативность, Тоталь-ность)-факторов [1; 2].

Дальнейшее развитие этих условий в 2009-2016 гг. [3] привело к конкретизации соответствующих концептуальных требований к вопросам построения облика составляющих многоагентную КС [платформ] КА:

а) максимальное комплексирование (по массе, по габаритам, по функциональности) и системная интеграция модулей, комплексов, подсистем и систем КА между собой;

б) широкое выявление и использование эмерд-жентных свойств и возможностей элементов и систем проектируемой платформы нового типа.

Соответственно, само комплексирование и системная интеграция закономерно проводится, в том числе, в те комплексы и системы, которые ранее не имели существенного развития и/ или модернизации по тем или иным причинам; одним из возможных направлений реализации вышеопределенной парадигмы является использование в качестве реципиента ком-плексирования маховичных систем комплекса ориентации и стабилизации КА, при этом, соответственно, ожидается:

- снижение массогабаритных характеристик КА с приведением удельных характеристик отношения весов СН и веса платформы к соотношению 1 : 1 -вместо 1 : 3 для лучших традиционных решений -в результате комплексирования устройств и их функций, что подразумевает как сборку различных узлов в едином конструктивном блоке, так и выполнение определенным устройством тех функций, которые ранее им не выполнялись. Соответственно, предлагается рассматривать использование маховиков - элементов систем стабилизации КА - в качестве конструкционной основы для элементов других систем КА, которые в результате такого комплексирования образуют так называемый «ротоблок» в составе ротостатической платформы КА нового типа [6]. Также планируется использовать конструктив маховичных систем как часть системы терморегуляции (рассеивание тепла), для повышения радиационной защиты и т. п.;

Материалы IV Научно-практической конференции

- использование физических особенностей функционирования ряда систем проектируемой платформы КА, в частности, управляемое вращение конструктива ротоблоков, в качестве ключевых для создания нового класса бортовых приборов, нередко получающих в результате эмерджентности не просто другие свойства, но и значительно расширяющих возможности их использования [8], например:

- монтаж элементов сканирующих систем (датчиков вертикали Земли, звездного и солнечного) на ободе и/ или ребре ротоблоков, совмещаемый с выполнением задач по распознаванию получаемой датчиками информации в вычислительных модулях (ВМ), ком-плиментированных в конструктив ротоблоков и объединенных в матричный кластерный вычислительный комплекс, что приводит к возможности создания такой системы, как комплекс оценки фоно-целевой обстановки окружающего космического пространства в пределах поля зрения (для типового решения из трех ротоблоков в составе ротостатической платформы), сформированного тремя взаимо перпендикулярными 16°-45°-градусными круговыми секторами с частотой обновления обстановки не менее 1 Гц, с возможностью выделения целевых космических объектов с определением их баллистических и топо-лого-спектральных характеристик;

- совмещение с ротоблоком элементов тросовых антенных систем, кроме существенного уменьшения угловых скоростей вращения (при сохранении тех же характеристик системы гиродинов), обеспечивает возможность крепления к этим пространственно-распределенным нагруженным тросовым системам элементов солнечных батарей значительной площади покрытия, что решает задачи энергоснабжения КА, одновременно (для ряда ротоблоков) обеспечивает гарантированное затенение матриц сканирующей системы, что значительно расширяет возможности их использования как системы оценки фоно-целевой обстановки окружающего космического пространства.

Опираясь на вышеперечисленное, следует вывести следующие термины и определения:

- ротоблок (РБ) - отдельный маховик системы стабилизации КА, используемый в качестве конструкционной основы комплексированных в него элементов и систем КА, образующий единую мехатронную систему;

- ротоплатформа (пР) - система ротоблоков, связанных едиными принципами управления взаимной ориентацией, скоростными режимами вращения и рекуперации;

- статический конструктив/ платформа (пС) -часть пРС, представлен(а) опорой для монтируемых на нее ротоблоков (платформ); также на ней размещаются объединяющие вышеназванные ротоплат-формы системы и те функциональные и специальные системы КА, которые по удельным или физическим характеристикам не могут функционировать в условиях их размещения в ротоблоках (платформах). Может быть выполнен(а) в традиционном конструктиве или для обеспечения монтажа специальной аппаратуры любой пространственной геометрии,

предъявленной заказчиком, - в форме пространственно-ориентированной балочной трехмерной конструкции;

- ротостатическая платформа (пРС) - комплекс размещаемых на статическом конструктиве ротоп-латформ, связанных между собой информационными и энергетическими бортовыми сетями в единый функционально-целостный агрегат (КА).

В рамках предлагаемой концепции построения ро-тостатической платформы нового типа новаторством является:

1) подход к построению единого мехатронного узла [РБ] на основе маховичных систем ориентации и стабилизации [7] - как результат комплексирования в него максимально возможного количества элементов и систем КА;

2) выявление и максимальное использование эмерджентных свойств полученных комплексирован-ных систем с целью дальнейшего более тесного ком-плексирования и улучшения потребительских свойств полученного комплексного решения - например, опираясь на свойства маховиков (такие как жёсткий конструктив, обеспечение кругового вращения, тепло-и радиационная стойкость и т. д.) [8] и принципы ком-плексирования, можно получить новые свойства, такие как аккумулирование кинетической энергии, круговой обзор для сканирующих систем, возможность формирования протяжённых напряженных конструктивов гиперболической формы (антенн, панелей солнечных батарей) и т. п.;

3) концепция построения статического конструктива пРС как произвольно изменяемой пространственно-балочной конструкции, изменяемой на этапе проектирования под габаритные и функциональные особенности контейнера со спец.нагрузкой.

Результатом проведенных работ [3] явилось построение первого этапа стенда главного конструктора в составе:

- стапеля-подвеса пРС с тремя степенями свободы (см. рисунок, а);

- макета прототипа статической платформы в алюминиевом конструктиве (см. рисунок, б);

- макета прототипа ротоблока в алюминиевом конструктиве (см. рисунок, в);

- прототипа двигателя-генератора с двусторонним независимым съемом/ питанием (см. рисунок, г);

- системы единого управления режимами и скоростями двигателя-генератора [4].

Работоспособность созданного стенда подтвердила:

- корректность предложенной концепции и возможность создания комплексированных высокоплотных мехатронных систем в маховичном конструктиве (до 12 + 8 + 4 = 24 универсальных посадочных мест (уПС, 35x65 мм) для маховика диаметром 300 мм, 8 + 4 = 12 уПС - для маховика диаметром 220 мм и 4 уПС - для маховика диаметром 120 мм см. рисунок);

- обеспечение целостности полученного мехатрон-ного агрегата при скорости маховика 1 200 об/мин;

- возможность создания единого блока управления для функционирования нескольких ротоблоков в составе отдельной ротоплатформы [4].

Решетневс^ие чтения. 2016

Построение первого этапа стенда главного конструктора

Библиографические ссылки

1. Стреж С. В., Трошин Е. В. Новый этап развития космонавтики // Космонавтика и ракетостроение. 2005. Вып. 1(38). С. 173-190.

2. Комплексный анализ целесообразности и проблем создания отечественных систем на базе малых и сверхмалых космических аппаратов нового поколения : «Автоклав Т» : отчет о НИР / ЦНИИмаш, ЦНИТИ «Техномаш» ; рук. С. В. Стреж, ответ. исп. Е. В. Трошин М., 2003. 186 с. испол. : С. Н. Ермак, А. Ю. Квасников, С. В. Середин [и др.]. С. 40-140. Инв. № 36536.

3. Исследование принципов построения Рото-статической платформы КА нового поколения с целью обеспечения высоких удельных характеристик и улучшенных потребительских свойств СМКА : отчет о НИР «Ориентир-1», «Арсенал» КрЗПП; рук. С. В. Стреж, ответ. исп. В. П. Корнеенко, испол. : С. Н. Ермак, В. Д. Михайлов [и др.]. М., 2016. С. 20-180.

4. Пат. 2381451 Рос. Федерация : С1, МПК Н02Р 23/08 (2006.01). Адаптивная система управления ги-ростабилизатором / С. В. Стреж, А. Т. Вороной. № 2008134194/09 ; заявл. 21.08.2008 ; опубл. 27.03.2010, Бюл. № 9.

5. Пат. 2385530 Рос. Федерация : С1, МПК Н02Р 23/08 (2006.01). Способ стабилизации момента вращения силовых гиростабилизаторов / С. В. Стреж, А. Т. Вороной. № 2008134191/09 ; заявл. 21.08.2008 ; опубл. 27.03.2010, Бюл. № 9.

6. Пат. 2383863 Рос. Федерация : С1, МПК3 Н02Р 23/08 (2006.01). Система стабилизации скорости вращения силовых гиростабилизаторов / С. В. Стреж, А. Т. Вороной. № 2008134188/09 ; заявл. 21.08.2008 ; опубл. 27.03.2010, Бюл. № 9.

7. Пат. 2382334 Рос. Федерация : С1, МПК G01С 21/00 (2006.01). Система стабилизации момента вращения силовых гиростабилизаторов / С. В. Стреж, А. Т. Вороной. № 2008134190/09 ; заявл. 21.08.2008 ; опубл. 27.03.2010, Бюл. № 9.

8. Пат. 2385531 Рос. Федерация : С1, МПК Н02Р 23/08 (2006.01). Способ стабилизации скорости вра-

щения силовых гиростабилизаторов / С. В. Стреж, А. Т. Вороной. № 2008134189/09 ; заявл. 21.08.2008 ; опубл. 27.03.2010, Бюл. № 9.

References

1. Strezh S. V., Troschin S. V., Troschin S. V. Novyy etap razvitiya kosmonavtiki [New stage the development of Astronautics] // Kosmonavtika i raketostroenie. 2005, Iss. 1(38). P. 173-190. (In Russ.)

2. Strezh S. V., Troschin S. V [A comprehensive analysis of the feasibility and challenges of creating domestic systems based on small and ultra small satellites of new generation "Avtoklav-T".]. TsNIImash. Moscow, 2003, P. 186. (In Russ.)

3. Strezh S. V., Korneenko V. P. Issledovanie printsipov postroeniya Roto-staticheskoy platformy KA novogo pokoleniya s tsel'yu obespechit' vysokikh udel'nykh kharakteristik i uluchshennykh potrebitel'skikh svoystv SMKA - otchet o NIR "Orientir-1". "Arsenal" KrZPP, Krasnoznamensk, 2016. P. 123. (In Russ.)

4. Strezh S. V., Voronoy A. T. Adaptivnaya sistema upravleniya girostabilizatorom. [Gyrostabiliser adaptive control system]. Patent RF, no. 2381451, 2010.

5. Strezh S. V., Voronoy A. T. Sposob stabilizatsii momenta vrashcheniya silovykh girostabilizatorov. [Method for stabilization torque of powered gyrostabilisers]. Patent RF, no. 2385530, 2010.

6. Strezh S. V., Voronoy A. T. Sistema stabilizatsii skorosti vrashcheniya silovykh girostabilizatorov. [System to stabilise powered gyrostabiliser spin rate]. Patent RF, no. 2383863, 2010.

7. Strezh S. V., Voronoy A. T. Sistema stabilizatsii momenta vrashcheniya silovykh girostabilizatorov. [System for stabilizing torque of powered gyrostabilisers]. Patent RF, no. 2382334, 2010.

8. Strezh S. V., Voronoy A. T. Sposob stabilizatsii skorosti vrashcheniya silovykh giro stabilizatorov. [Method for stabilization of power gyrostabiliser rotation speed]. Patent RF, no. 2385531, 2010.

© Стреж С. В., 2016