CC BY
39УДК 629.783.058.5
основные проектные характеристики и результаты эксплуатации группировки малых космических аппаратов научно-образовательного назначения серии «аист»
© 2019 г. Кирилин А.н.1, Ахметов р.н.2, Ткаченко С.и.1, Стратилатов н.р.2,
Салмин в.в.1, воронов К.Е.1, Абрашкин в.и.2, Ткаченко и.С.1,
Пияков А.в.1, Сафронов С.Л.1
1Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва (Самарский университет) Московское шоссе, 34, г. Самара, Российская Федерация, 443086, e-mail: ssau@ssau.ru
2АО «Ракетно-космический центр «Прогресс» (АО «РКЦ «Прогресс») Ул. Земеца, 18, г. Самара, Российская Федерация, 443009, e-mail: mail@samspace.ru
Статья посвящена основным результатам пятилетней эксплуатации тандема малых космических аппаратов серии «АИСТ». Два аппарата этой серии -летный и опытный (технологический) образцы — были запущены на орбиту в 2013 г. В статье приводятся характеристики малых космических аппаратов, назначение, бортовой состав, текущее состояние группировки на второй квартал 2018 г., результаты научных исследований, полученные в ходе проведения экспериментов на каждом из двух малых космических аппаратов. Дана оценка работоспособности малой унифицированной платформы космических аппаратов «АИСТ», в т. ч. системы обеспечения теплового режима и системы электропитания. Результаты анализа массивов телеметрической информации, накопленной в ходе эксплуатации малых космических аппаратов серии «АИСТ», могут быть использованы при проектировании новых космических аппаратов научно-образовательного и опытно-технологического назначений на базе унифицированных маломассогабаритных космических платформ.
Ключевые слова: малый космический аппарат, унифицированная маломассо-габаритная космическая платформа, телеметрическая информация, система обеспечения теплового режима, система электропитания, основные проектные характеристики, результаты эксплуатации.
KEY DESIGN pARAMETERS AND OpERATIONAL
results for a constellation of small spacecraft for scientific and educational purposes of the aist series
kirilin A.N.1, Akhmetov R.N.2, Tkachenko S.I.1, Stratilatov N.R.2, Salmin v.v.1, voronov k.E.1, Abrashkinv.I.2, Tkachenko I.S.1, piyakov A.v.1, Safronov S.L.1
1Samara National Research University (Samara University) 34 Moskovskoe shosse, Samara, 443086, Russian Federation, e-mail: ssau@ssau.ru
2Joint Stock Company Space Rocket Center Progress (JSC SRC Progress) 18 Zemetsa str, Samara, 443009, Russian Federation, e-mail: mail@samspace.ru
The paper reviews major results of five years of operation of the AIST series small satellites tandem. Two satellites of this series, the flight model and the engineering model, were launched into orbit in 2013. The paper provides performance data for the small spacecraft, describes their purpose, hardware configuration, the constellation status as of second quarter of 2018, research results obtained in the course of experiments conducted onboard each of the two small spacecraft. It evaluates performance capability of the small standardized satellite bus AIST, including thermal control system and power supply system. The results of analysis of telemetry data files accumulated in the course of operation of the AIST series small spacecraft, can be used in the design of new spacecraft for scientific, educational and technology experiment applications that are based on standardized small mass and dimensions satellite buses.
Key words: small spacecraft, standardized small mass and dimensions satellite bus, telemetry data, thermal control system, power supply system, key design parameters, operational results.
Кирилин А.н.
АХМЕТОВ P.H.
ТКАЧЕНКО С.И.
СТРАТИЛАТОВ Н.Р.
САЛМИН В.В.
ВОРОНОВ К.Е.
АБРАШКИН В.И.
ТКАЧЕНКО И.С.
ÜA&
ПИЯКОВ А.В.
САФРОНОВ С.Л.
КИРИЛИН Александр Николаевич — доктор технических наук, заведующий кафедрой космического машиностроения Самарского университета, e-mail: sputnik@ssau.ru KIRILIN Aleksandr Nikolayevich — Doctor of Science (Engineering), Head of the Department of space engineering at Samara University, e-mail: sputnik@ssau.ru
АХМЕТОВ Равиль Нургалиевич — доктор технических наук, первый заместитель генерального директора - генеральный конструктор АО «РКЦ «Прогресс», e-mail: mail@samspace.ru AKHMETOV Ravil Nurgalievich — Doctor of Science (Engineering), First Deputy General Director - General Designer at JSC SRC Progress, e-mail: mail@samspace.ru
ТКАЧЕНКО Сергей Иванович — доктор технических наук, профессор кафедры космического машиностроения Самарского университета
TKACHENKO Sergey Ivanovich — Doctor of Science (Engineering), Professor at Department of space engineering at Samara University
СТРАТИЛАТОВ Николай Ремирович — кандидат технических наук, главный конструктор -начальник отделения АО «РКЦ «Прогресс», e-mail: mail@samspace.ru
STRATILATOV Nikolay Remirovich — Candidate of Science (Engineering), Chief designer - Head of Division at JSC SRC Progress, e-mail: mail@samspace.ru
САЛМИН Вадим Викторович — доктор технических наук, профессор, директор научно-исследовательского института космического машиностроения Самарского университета, e-mail: sputnik@ssau.ru
SALM IN Vadim Viktorovich — Doctor of Science (Engineering), Professor, Director of the Research Institute of space engineering at Samara University, e-mail: sputnik@ssau.ru
ВОРОНОВ Константин Евгеньевич — кандидат технических наук, директор института космического приборостроения Самарского университета, e-mail: voronov@ssau.ru VORONOV Konstantin Evgenyevich — Candidate of Science (Engineering), Director of Institute of space instrument engineering at Samara University, e-mail: voronov@ssau.ru
АБРАШКИН Валерий Иванович — кандидат технических наук, начальник отдела АО «РКЦ «Прогресс», e-mail: mail@samspace.ru
ABRASHKIN Valery Ivanovich — Candidate of Science (Engineering), Head of Department at JSC SRC Progress, e-mail: mail@samspace.ru
ТКАЧЕНКО Иван Сергеевич — кандидат технических наук, доцент кафедры космического машиностроения Самарского университета, e-mail: innovatore@mail.ru
TKACHENKO Ivan Sergeevich — Candidate of Science (Engineering), Associate Professor of Department of space engineering at Samara University, e-mail: innovatore@mail.ru
ПИЯКОВ Алексей Владимирович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник института космического приборостроения Самарского университета, e-mail: piyakov@ssau.ru
PIYAKOV Aleksey Vladimirovich — Candidate of Science (Engineering), Senior research scientist of Institute of space instrument engineering at Samara University, e-mail: piyakov@ssau.ru
САФРОНОВ Сергей Львович — кандидат технических наук, доцент кафедры космического машиностроения Самарского университета, e-mail: saf_kos@mail.ru
SAFRONOV Sergey Lvovich — Candidate of Science (Engineering), Associate Professor of Department of space engineering at Samara University, e-mail: saf_kos@mail.ru
введение
Первый искусственный спутник Земли по своим массогабаритным параметрам может быть отнесен к категории малых космических аппаратов (МКА), однако с момента его запуска в 1957 г. до поистине бурного развития малых космических аппаратов (пико-, нано-, микроспутников) прошло более чем полвека. За это время был накоплен огромный опыт проектирования, выведения в космическое пространство, эксплуатации космических аппаратов (КА). Стало возможным создание КА не только в стенах предприятий аэрокосмической отрасли, но и на базе малых коллективов, таких как школы, университеты, частные компании. Примерами такого развития космической
отрасли могут служить реализованные проекты МКА ведущих вузов Российской Федерации, такие как:
• серия КА «Университетский-Татьяна», разработанных по заказу Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, основные результаты работы которых представлены в статьях [1, 2];
• серия КА «Можаец», разработанных по заказу Военного инженерно-космического университета им. А.Ф. Можайского, основные результаты работы которых представлены в статье [3];
• серия КА «Бауманец», разработанных Московским государственным техническим университетом имени Н.Э. Баумана совместно с ВПК «НПО машиностроения» [4, 5];
• КА «Юбилейный», «МиР» («Юби-лейный-2»), созданные ОАО «Информационные спутниковые системы» им. академика М.Ф. Решетнева совместно с Сибирским государственным аэрокосмическим университетом [6];
• МКА серии «АИСТ» совместной разработки специалистов АО «РКЦ «Прогресс» и Самарского университета.
В настоящей статье приводятся основные проектные характеристики и результаты пятилетней эксплуатации группировки МКА научно-образовательного назначения серии «АИСТ». Малые космические аппараты серии «АИСТ», построенные на базе унифицированной маломассогабаритной космической платформы (УМКП), были запущены на орбиту 19.04.2013 г. и 28.12.2013 г. На сегодняшний день аппараты находятся на орбите и штатно функционируют в течение пяти лет при заявленном сроке активного существования три года, таким образом, аппараты проходят в настоящее время этап ресурсных испытаний.
назначение, характеристики, способ вывода аппаратов на орбиту
Малый космический аппарат «АИСТ» научного и образовательного назначений разрабатывался с 2007 г. по инициативе Самарского государственного аэрокосмического университета (с 2016 г. — Самарский университет) при финансовой поддержке правительства Самарской области студентами, аспирантами, молодыми учеными Самарского университета и специалистами АО «РКЦ «Прогресс». Основной идеей создания МКА «АИСТ» было вовлечение студентов старших курсов и аспирантов в реальную проектно-конструкторскую работу с целью их скорейшей адаптации на производстве. Однако, определение целевых функций аппарата, ограничения на его массу и габариты, накладываемые способом выведения на орбиту, выявили, помимо учебных целей, необходимость решения ряда проектно-конструкторских, технологических задач, определения новых подходов к экспериментальной отработке изделия и привели к следующему определению назначения МКА «АИСТ» [7, 8]:
• отработка необходимой для перспективных КА научного назначения типа «БИОН-М», «ФОТОН-М» магнитной системы компенсации микроускорений;
• исследования на орбите параметров и характера движения микрочастиц;
• решение ряда технологических задач производства МКА;
• ввод в эксплуатацию наземного комплекса управления малыми космическими аппаратами ДОКА-Н;
• включение разработки, создания и эксплуатации МКА «АИСТ» в учебный процесс Самарского университета.
При этом для МКА «АИСТ» были поставлены следующие задачи:
• разработка унифицированной мало-массогабаритной космической платформы массой до 50 кг для проведения длительных (до трех лет) научных исследований, технологических экспериментов и реализации современных образовательных программ;
• создание информационного канала связи в радиолюбительских диапазонах частот с целью передачи информации учебного и научного характера из вузов Самарской области в российские и зарубежные вузы;
• мониторинг магнитного поля Земли и исследование проблем микрогравитации, реализация режимов компенсации низкочастотной составляющей микроускорений на борту аппарата до минимальной величины, не превышающей диапазона значений 10-5...10-7£0 (научная аппаратура (НА) «МАГКОМ»);
• исследование поведения высокоскоростных механических частиц естественного и искусственного происхождений, взаимодействующих с поверхностью ионизационного датчика, и оценка их параметров — массы и скорости;
• периодическое измерение пространственного положения Солнца относительно связанных координат МКА с последующей оценкой возможных потоков заряженных частиц на его поверхность (НА «МЕТЕОР»);
• исследование уровня электризации аппарата и динамики изменения поверхностного заряда (НА «МЕТЕОР»);
• экспериментальная отработка в космосе перспективных типов батарей фотоэлектрических (БФ) из арсенида галлия (ОаЛз), созданных с использованием нано-технологий;
• отработка технологий попутного выведения МКА на рабочую орбиту с помощью тяжелого исследовательского КА-носителя, а также с использованием блока выведения «Волга» разработки АО «РКЦ «Прогресс»;
• отработка технологий производства маломассогабаритных негерметичных КА с глубоко комплексированной бортовой аппаратурой (БА).
Реализация перечисленных выше задач в конечном итоге привела к разработке МКА, внешний облик которого представлен на рис. 1.
Рис. 1. Внешний облик МКА серии «АИСТ»: 1 — антенна навигационной аппаратуры; 2 — антенное приемное устройство командно-управляющей навигационной системы; 3 — научная аппаратура «МЕТЕОР»; 4 — солнечная батарея; 5 — антенное передающее устройство командно-управляющей навигационной системы
Аппарат подробно описан в работах [7, 9, 10]. Основные тактико-технические характеристики аппаратов приведены в табл. 1.
Таблица 1
основные характеристики мкА «АиСт» на базе умкП
Приемо-передающая аппаратура, МГц 145-435
Габариты (ШхВхГ), мм 400x500x600
Срок активного существования, лет 3
Полет Неориентируемый
Энергопотребление, Вт До 20
Масса, кг 38 (с учетом устройства отделения — 53)
Летный образец МКА «АИСТ» (радиолюбительский позывной Я5-43аз) был выведен на орбиту в составе КА «БИОН-М» № 1 в качестве дополнительной полезной нагрузки 19.04.2013 г. в 13 ч 00 мин 00,279 с декретного московского времени (ДМВ).
Выведение КА «БИОН-М» № 1 с космодрома Байконур осуществлялось ракетой-носителем (РН) «Союз-2.1а» на орбиту выведения с параметрами: наклонение г 64,857°;
минимальная высота Н 260 км;
максимальная высота Н 575 км.
21.04.2013 г. на 29-м витке КА «БИОН-М» № 1 был проведен маневр выхода на рабочую орбиту с параметрами: наклонение г 64,8°;
околокруговая орбита
со средней высотой Нк 575 км.
Отделение МКАкр «АИСТ» от КА «БИОН-М» произошло 21.04.2013 г. в 18 ч 10 мин 00,352 с ДМВ. В течение двух минут после отделения позывные аппарата были приняты наземным комплексом управления (НКУ) ООО «Научно-исследовательская лаборатория аэрокосмической техники ДОСААФ» (г. Калуга), затем Центром приема и обработки информации (ЦПОИ) «Самара» (г. Самара). Специалистами АО «РКЦ «Прогресс» и Самарского университета были начаты работы по программе летных испытаний МКА «АИСТ».
Запуск опытного образца МКА «АИСТ» (радиолюбительский позывной КБ-41а^) был осуществлен с космодрома «Плесецк» 28.12.2013 г. в 15 ч 30 мин 00,351 с ДМВ. Выведение опытного образца МКА «АИСТ» проходило в рамках летных испытаний новой РН «Союз-2.1в» с блоком выведения «Волга». Отделение блока выведения от РН «Союз-2.1в» произошло в 15 ч 03 мин 57,073 с. Отделение опытного образца МКА «АИСТ» было осуществлено в близкое к расчетному время — 17 ч 09 мин 56,79 с. МКА функционирует на околокруговой орбите с начальными параметрами:
высота Н
ср
наклонение г
625 км; 82,4°.
Состояние группировки мкА «АНСт» на II квартал 2018 г.
Реализованная программа научных исследований тандема МКА серии «АИСТ» включала в себя план задействования НА и предполагала проведение новых экспериментов каждую неделю, что обеспечивало постоянный поток свежих данных с научной и навигационной аппаратуры. Анализ данных, полученных с НА, проводили разработчики аппаратуры и специалисты заинтересованных кафедр Самарского университета. Телеметрическая информация
(ТМИ) обеих космических платформ, в свою очередь, принималась, обрабатывалась и анализировалась непосредственно в НКУ МКА. В процессе эксплуатации неоднократно осуществлялся переход работы БА из штатного режима функционирования на резервный. Замечаний к штатно работающей БА космических платформ за время эксплуатации МКА не было.
Важным критерием оценки состояния МКА «АИСТ» являлось определение снижения высоты орбиты. Эта информация позволяла проводить детальный анализ движения МКА вокруг Земли и составлять прогноз срока активного существования аппарата. Снижение высоты орбиты для МКА «АИСТ» (RS-43as) на 15.06.2018 г. составляло:
• в апогее — 0,84 км;
• в перигее — 18,26 км.
По состоянию на 15.06.2018 г. для МКА «АИСТ» (К3-41й£) орбита изменилась следующим образом:
• в апогее высота увеличилась на 7,16 км;
• в перигее высота уменьшилась на 18,12 км.
Ежедневно с каждым аппаратом (RS-41at и RS-43as) проводилось в среднем пять сеансов связи, в ходе которых происходило получение актуальной ТМИ о состоянии блоков и устройств МКА. Эти данные позволяли практически в реальном времени контролировать все системы МКА и оперативно реагировать на неполадки в случае возникновения нештатных ситуаций на борту.
результаты работы и проведение научных исследований мкА «АиСТ» Я8-43а8
В ходе совместного полета МКА «АИСТ» RS-43as с КА «БИОН-М» на орбите выведения было отмечено существенное превышение температуры на поверхности МКА. Так, максимальные температуры панелей МКА над дневной стороной Земли составили 76,3 °С, а температура термоплаты командно-управляющей навигационной системы (КУНС) достигла максимальной величины 85,6 °С, превысив при этом температуры остальных панелей конструкции, что свидетельствовало о наличии нерасчетных тепловыделений в БА МКА.
С учетом результатов оперативно проведенного моделирования теплового режима системы КА «БИОН-М» - МКА «АИСТ» было выдано заключение, что наиболее вероятной причиной повышенного уровня
температур относительно предельно допустимых значений (+50 °С) МКА «АИСТ» при совместном полете с КА «БИОН-М» является нерасчетное тепловыделение в аккумуляторной батарее (АБ) КУНС, вызванное, с одной стороны, химическим саморазрядом АБ, с другой — внепрограммным зарядом АБ от освещенных Солнцем БФ. Рассмотренную ситуацию работы Б А МКА при полете в составе базового КА можно отнести к экстремальным. Тем не менее, при отделении МКА «АИСТ» от КА «БИОН-М» его БА без дополнительных управляющих воздействий перешла в штатное рабочее состояние, что свидетельствует о высоком уровне ее живучести.
В процессе орбитального полета, начавшегося 21.04.2013 г. на 35-м витке КА «БИОН-М», МКА обеспечил:
• получение баллистических данных из Центра управления полетом космического аппарата «БИОН-М» № 1;
• формирование на основании баллистических данных начальных условий в формате данных ^Е;
• баллистические расчеты для орбитального полета МКА на основе навигационной информации, полученной с борта МКА;
• выдачу контрольно-проверочной информации на борт МКА в сеансах связи;
• съем, обработку и оценку ТМИ о работе бортовой обеспечивающей и научной аппаратуры.
Сеансы связи в период летных испытаний проводились на всех «видимых» витках полета.
В процессе летных испытаний было проведено:
• 218 сеансов связи;
• 17 закладок временных программ;
• 217 съемов ТМИ, характеризующей состояние блоков и систем;
• 218 сверок времени;
• 41 съем ТМИ научной аппаратуры;
• 9 закладок временных программ для научной аппаратуры;
• 25 включений навигационной аппаратуры пользователя (НАП) по 15 мин каждое.
По результатам навигационной информации получены навигационные решения, сформированы начальные условия в формате данных ^Е.
Функциональные задачи управления полетом МКА, решаемые средствами наземного и бортового комплексов управления, были выполнены полностью.
Бортовые системы МКА обеспечили решение задач управления, баллистико-навигационного обеспечения, контроль функционирования БА МКА и НА. Бортовая обеспечивающая аппаратура дала возможность выполнения программы полета. Имевшие место замечания к работе бортовых систем не повлияли на результаты выполнения программы полета. Получены новые научные данные по НА «МАГКОМ» и «МЕТЕОР».
С 21.04 по 21.05.2013 г. МКА «АИСТ» (КБ-43аз) прошел летные испытания без замечаний и был передан в штатную эксплуатацию.
В ходе летных испытаний аппарата введен в эксплуатацию НКУ ДОКА-Н, позволяющий осуществлять управление МКА с аппаратурой ДОКА-Б в качестве центрального управляющего звена.
В ходе летных испытаний МКА «АИСТ» КБ-43аз аварийных и экстремальных ситуаций в работе БА не отмечено.
Эксплуатация МКА «АИСТ» RS-43as. Временное снижение работоспособности МКА. Штатная эксплуатация МКА «АИСТ» ЯБ-43аз при полной работоспособности аппарата продолжалась с момента его отделения от базового КА 21.04.2013 г. до 24.07.2014 г. В 01 ч 43 мин 27 с по ДМВ 24.07.2014 г. с координатами 16,34° ю. ш. и 122,14° в. д. при пролете над Бразильской магнитной аномалией КУНС ДОКА-276 утратила возможность реализации команд включения НА, предположительно, из-за
воздействия тяжело заряженных частиц космического происхождения. Об этом свидетельствовало отсутствие в принятой ТМИ данных о следующих энергетических параметрах:
• напряжении бортовой сети;
• суммарном токе потребления;
• суммарном токе на выходе батареи фотоэлектрической;
• токах потребления блоков КУНС (ток потребления приемников, передатчика 1, передатчика 2, ток потребления НАП, генератора бортового времени, ток потребления НА «МАГКОМ» по основному и резервному стыкам);
• токах на выходах БФ.
Неоднократные попытки восстановления работоспособности КУНС в штатном режиме к успеху не привели. На рис. 2 показана трасса полета МКА «АИСТ» (КБ-43аз) в момент времени, соответствующий началу возникновения нештатной ситуации, а также наложенная схема Бразильской магнитной аномалии. Как можно заметить, КА, находясь на теневом участке орбиты, прошел по самой границе магнитной аномалии, однако, когда на этом же витке аппарат вошел в зону радиовидимости приемного пункта, расположенного в Самаре, КУНС уже находилась в режиме ограниченной функциональности. Последующий анализ ТМИ показал, что во время происшествия НА КА была отключена, а обеспечивающая аппаратура работала штатно.
Рис. 2. Местоположение МКА «АИСТ» (Я$-43о8) во время пролета над Бразильской магнитной аномалией 24.07.2014 г.
Для анализа состояния МКА «АИСТ» остались доступны следующие телеметрические параметры: температура термоплат в месте установки АБ и блока радиоканалов по цифровым температурным датчикам; температуры блоков КУНС, а также ТМИ об установленных на борту режимах управления. Тем не менее, связь с аппаратом не прекращалась, она велась в дежурном режиме.
Отметим особо, что 03.08.2016 г. на сеансе связи с аппаратом в 11 ч 37 мин ДМВ телеметрия показала, что более чем через два года он подал признаки восстановления штатной работы. После неоднократных проверок работоспособности МКА «АИСТ» RS-43as НКУ Самарского университета и ЦПОИ «Самара» на борт аппарата были заложены команды включения НА «МЕТЕОР». Получена информация о ее штатной работе в режиме регистрации микрометеороидов. Разработана программа исследований НА «МАГКОМ». Работа с МКА «АИСТ» RS-43as продолжается в штатном режиме.
Проведение научных исследований с помощью НА «МАГКОМ». В ходе летных испытаний и эксплуатации МКА «АИСТ» RS-43as был проведен ряд научных исследований:
• анализ данных измерений магнитного поля Земли (МПЗ);
• реконструкция вращательного движения спутника по данным магнитных измерений;
• исследование динамики вращения малых космических аппаратов;
• исследование возможностей аппаратуры «МАГКОМ» в режиме компенсации микроускорений;
• работоспособность НА «МЕТЕОР».
Работы с НА МКА «АИСТ» RS-43as
были начаты с определения возможностей НА «МАГКОМ» в режиме измерения МПЗ.
За период летных испытаний МКА «АИСТ» RS-43as в 2013 г. НА «МАГКОМ» включалась в режиме «Измерения вектора магнитной индукции» не менее семи раз. Результаты измерений были получены от двух бортовых магнитометров. Построены зависимости изменения во времени компонентов и модуля вектора магнитной индукции Bе ^^ BеY, BеZ), примеры которых за 27.04.2013 г. и 20.06.2013 г. приведены ниже на рис. 3, 4.
Исследование динамики вращения МКА проводилось с использованием методики
реконструкции углового движения МКА по данным измерений МПЗ. Она была апробирована при обработке измерений НА «ГРАВИТОН», полученных в полете КА «БИОН-М» № 1 [10]. Основные положения методики определения угловых параметров движения и результаты обработки данных, полученные при работе НА «МАГКОМ» в орбитальном полете, приведены в препринте [11]. Основной задачей НА «МАГКОМ» является компенсация возмущений внешнего характера путем снижения угловой скорости вращения МКА. Для компенсации микроускорений в аппаратуре «МАГКОМ» реализован релейный закон управления. Режим работы НА «МАГКОМ» «Компенсация микроускорений» на этапе летных испытаний МКА включался два раза: первое включение — 02.05.2013 г., второе включение — 07.05.2013 г. Снижение микроускорений на борту МКА обеспечивается системой электромагнитов, которая входит в состав НА и стабилизирует угловую скорость вращения.
Первое включение НА «МАГКОМ» в режиме «Компенсация микроускорений» обеспечило снижение угловой скорости вращения с 2,5 до 0,25 °/с на интервале времени работы аппаратуры до 4 000 с. Процесс изменения динамики вращения МКА при первом включении иллюстрируется рис. 5.
Проведение научных исследований с помощью НА «МЕТЕОР». На аппарате «АИСТ» RS-43as в период летных испытаний осуществлялась только проверка работоспособности НА «МЕТЕОР» — в ходе эксплуатации МКА до 24.07.2014 г. осуществлялась регистрация сигналов датчиков высокоскоростных пылевых частиц. Было зарегистрировано ~10 попаданий микрометеороидов в корпус МКА. Производился сбор данных об электризации поверхности аппарата. С 03.08.2016 г. после восстановления работоспособности аппарата НА «МЕТЕОР» включается на время не менее двух часов ежесуточно, ведется накопление научных данных.
При обработке результатов измерения зафиксировано достаточно большое (более 90%) количество случаев запуска цикла записи регистрации микрометеороидов по шумовым или помеховым сигналам, соответствующих предположительно микроразрядным процессам на поверхности МКА или моментам включения приемо-передаю-щих силовых блоков КУНС.
О 1000 2 000 3 000 4000 5000 6000 (,с 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 £, с
Рис. 3. Измерения вектора магнитной индукции 27.04.2013 г.
МК I л-
¥ 11=
1 1
О 5000 10000 15000 20000 с
-604-----
0 5 000 10 000 15000 20 000 I, с
0 5 000 10000 15000 20 000 г, с
Рис. 4. Измерения вектора магнитной индукции 20.06.2013 г.
В ., мцТл
у1'
-60
0 5000 10000 15000 20000 Г, с
В .Т мкТл —----
40 -I-----
-50
0 5 000 10000 15000 20 ООО с
Рис. 5. Изменение модуля угловой скорости вращения МКА «АИСТ» в режиме компенсации микроускорений
Примечание. Дата и время включения: 02.05.2013 г., 01 ч 14 мин 07 с.
результаты работы, проведение научных исследований опытного образца мка «аист» RS-41at
Летные испытания. Летные испытания опытного образца МКА «АИСТ» RS-41at проводились по программе ЛКИ МКА «АИСТ» RS-43as. 01.03.2014 г. опытный образец МКА «АИСТ» 4 прошел программу летных испытаний без замечаний и был передан в штатную эксплуатацию.
Сеансы связи в период летных испытаний проводились на всех «видимых» витках полета.
В процессе проведения эксперимента по компенсации микроускорений НА «МАГКОМ» отработала штатно. Это негативно сказалось на качестве проводимых сеансов связи, стали наблюдаться падения мощности поступающего на Землю сигнала приблизительно каждые 10-15 с за счет влияния провалов в квазиизотропной диаграмме направленности бортовых антенн. Но, в свою очередь, интенсивное вращение МКА «АИСТ» позволило снизить тепловую нагрузку на отдельные панели аппарата, равномерно распределив избытки тепловых потоков по остальным частям МКА.
В процессе летных испытаний проведено:
• 127 сеансов связи;
• 8 закладок временных программ;
• 127 съемов ТМИ, характеризующей состояние блоков и систем;
• 127 сверок времени;
• 26 съемов ТМИ научной аппаратуры;
• 5 закладок временных программ для научной аппаратуры;
• 24 включения НАП по 15 мин.
Функциональные задачи управления
полетом МКА, решаемые средствами наземного и бортового комплексов управления, были выполнены полностью. Задачи летных испытаний МКА «АИСТ» RS-41at в объеме, предусмотренном их программой, выполнены. Бортовые системы МКА обеспечили решение задач управления, баллистико-навигационного обеспечения, контроля функционирования БА МКА и НА. Подтверждено штатное функционирование Б А МКА в условиях комплексного воздействия внешних факторов. Получены новые научные данные НА «МАГКОМ» и «МЕТЕОР». В ходе летных испытаний МКА «АИСТ» RS-41as аварийных и экстремальных ситуаций в работе БА не отмечено.
Эксплуатация МКА «АИСТ» RS-41at. За период эксплуатации МКА «АИСТ» RS-41at до 15.06.2018 г. аварийных и экстремальных ситуаций в работе БА не отмечено. Неоднократно фиксировались сбои НАП, а также отключение питания НА вследствие разрядки АБ до минимально допустимого уровня за время, существенно меньшее заданного. Это явление может быть объяснено изначально меньшим на 10-15% значением коэффициента энергосъема солнечных батарей и их
ускоренной деградацией (используется технологическое изделие). Введено ограничение на длительность включения НА до двух часов непрерывной работы. Аппарат в целом выполняет заданные целевые функции далеко за пределами гарантийного срока. Ведется накопление и первичная обработка ТМИ о работе всех компонентов КУНС, данных НА «МЕТЕОР» и магнитометров НА «МАГКОМ».
Работа НА «МАГКОМ». На начальном этапе эксплуатации аппарата, по данным измерений параметров МПЗ научной аппаратурой «МАГКОМ», специалисты Института прикладной механики имени М.В. Келдыша проанализировали динамику вращения МКА [12]. На обработанных отрезках времени вращательное движение этого спутника представляет собой слабо возмущенное движение Эйлера-Пуансо, при котором влияние магнитного момента проявляется специфическим образом. Это влияние усредняется по указанному движению так, что эффективный ди-польный момент спутника оказывается направленным вдоль вектора его кинетического момента в движении относительно центра масс. Кроме того, кинетический момент и эффективный дипольный момент на интервале обработки данных измерений меняются мало. Принятая для проведения анализа динамики вращения МКА методика обработки данных позволила получить надежные реконструкции. Анализ проведенных измерений и результатов расчетов [12] показал, что движения спутников заметно отличаются, хотя все реконструированные движения близки к движению Эйлера-Пуансо. Отличие состоит в том, что движения опытного образца близки вращению вокруг его оси минимального момента инерции, а движение летного образца происходит вокруг максимального момента инерции.
Работа НА «МЕТЕОР». На аппарате «АИСТ» ЯБ-41а1 начаты комплексные исследования космического пространства с использованием НА «МЕТЕОР». Исследуется процесс электризации МКА на различных участках орбиты, включая приполярные. Образец телеметрического кадра регистрации процесса электризации датчиками МТ3, МТ4, МТ5, расположенными на панели +Х, представлен на рис. 6.
Л А
^Л/ ЛЛл/
1/— /-V Л V 4 I
—мтз МТ Л
— МТ5
0 5С 0 1 ООО 1 100 2 ООО 2 500 3( )00 Г.
Рис. 6. Регистрация процесса электризации МКА «АИСТ» RS-41at
На рис. 7 приведены результаты измерений многопараметрическим датчиком НА «МЕТЕОР» зависимости от времени освещенности, температуры и потенциала поверхности (сверху вниз).
Видна корреляция пиков освещенности с уменьшением модуля потенциала поверхности, что объясняется фотоэлектрическим эффектом. Отставание температурных пиков связано с инерционностью полупроводниковых датчиков температуры и процесса нагрева поверхности.
Для исследований процесса электризации поверхности работающих длительное время на орбите МКА была разработана его физико-математическая модель [13]. Для построения математической модели электризации КА выбран метод интегральных уравнений [14]. На основе методики, разработанной в Институте космического приборостроения Самарского университета, с учетом радиуса Дебая и экранирования распределения зарядов поверхности плазмой, был рассчитан потенциал поверхностей МКА «АИСТ» Я5-43аз и «АИСТ» КБ-41аЬ. Экспериментальные и теоретические результаты имеют высокую степень соответствия, что подтверждает адекватность выбранной физико-математической модели.
Освещенность определяется как коэффициент передаваемый цифровым кодом от 0 до 255, где 0 — это отсутствие освещения, а 255 — максимальная засветка.
В целом результаты космического эксперимента имеют приемлемое совпадение с результатами моделирования,
что подтверждает адекватность предложенной физико-математической модели. Учтено влияние характеристик окружающей плазмы на собственную емкость аппарата путем введения в уравнение пространственного распределения потенциала выражения для радиуса Дебая. Получена зависимость потенциала поверхности КА от его емкости относительно окружающей плазмы.
Данные НА «МЕТЕОР» о соударениях с микрочастицами приведены в табл. 2.
Рис. 7. Результаты измерений многопараметрическим датчиком научной аппаратуры «МЕТЕОР» МКА «АИСТ» RS-43at от 14.10.2014 г.: а — освещенность; б — температура; в — потенциал поверхности
Таблица 2
Данные научной аппаратуры «МЕТЕОР» о соударениях с микрочастицами
Дата № датчика Энергия частицы, Дж Скорость частицы, км/с
15.01.2014 г. 3 2,810-7 5,0
26.01.2014 г. 6 110-7 2,8
30.01.2014 г. 5 4-10-6 10,0
30.01.2014 г. 3 2,510-7 1,5
09.02.2014 г. 4 6,310-8 7,2
23.02.2014 г. 3 2,4-10-6 12,0
19.04.2014 г. 2 2,510-7 2,2
16.05.2014 г. 6 2-10-8 4,4
02.03.2014 г. 5 5,510-6 15,1
11.04.2014 г. 3 410-7 4,6
21.07.2014 г. 2 110-6 13,1
12.10.2014 г. 5 1,4-10-6 8,2
10.01.2015 г. 1 1,110-6 9,1
12.02.2015 г. 4 2-10-6 12,7
10.03.2015 г. 2 110-8 2,4
Работа обеспечивающих систем космической платформы МКА серии «АИСТ»
Одной из важнейших составляющих эксплуатации МКА серии «АИСТ» является определение функциональных возможностей и живучести маломассо-габаритной (до 50 кг) космической платформы, совершающей неориентированный полет, однако имеющей средства для стабилизации вращательного движения вокруг центра масс. С учетом того, что КУНС является разработкой ООО «Научно-исследовательская лаборатория аэрокосмической техники ДОСААФ» (г. Калуга) и отдельно тестируется этой организацией (существенных замечаний к КУНС за весь период эксплуатации нет), основное внимание разработчиков аппарата было сосредоточено на оценке работоспособности системы обеспечения теплового режима (СОТР) и системы электропитания (СЭП) платформы. Длительное наблюдение за СОТР и СЭП двух МКА, работающих на различных орбитах, анализ суточных (15 витков) измерений температур поверхностей аппаратов в различные периоды времени привел к следующим выводам:
• температура поверхностей по всем граням обоих МКА практически не зависит от включения НА;
• при угловых скоростях вращения аппаратов в пределах 0,25...10 °/с средняя температура поверхностей остается практически неизменной;
• анализ изменения температур БА и граней аппаратов в течение всего полета свидетельствует о следующем:
- при отсутствии регулярных включений НА температура бортовой обеспечивающей аппаратуры снижается, однако не уходит в минусовой диапазон;
- максимальные температуры Б А МКА КБ-43аз на ~10 °С ниже максимальных температур БА МКА КБ-41аЬ в связи с наличием на орбите последнего существенно больших по длительности постоянно-солнечных участков;
- для обоих аппаратов, даже при выключенной НА, тепла, сохраняемого сотовыми панелями с тепловыми трубами и выделяемого обеспечивающей БА, достаточно для поддержания внутри корпуса МКА положительных температур без задействования пленочных нагревателей СОТР;
- температура на гранях аппаратов на постоянно-солнечных участках орбит не отличается более чем на 10 °С, ощутимо влияние динамики вращения МКА вокруг центра масс, однако его степень требует дополнительного изучения и анализа в ходе эксплуатации аппаратов;
- по мере эксплуатации аппаратов температура БА на постоянно-солнечных участках орбит повышается от участка к участку на 1-3 °С, что свидетельствует об ухудшении теплоотдачи за счет снижения отражательной способности поверхностей аппарата.
Исследования работоспособности СОТР и СЭП обоих аппаратов продолжаются. Полученные данные могут быть использованы при проектировании новых унифицированных маломассогабаритных космических платформ.
Выводы
Пятилетняя работа двух однотипных МКА на орбите, постоянная регистрация и обработка телеметрической информации позволили впервые произвести углубленный анализ живучести унифицированных маломассогабаритных космических платформ МКА серии «АИСТ», сформировать
перечень возможных отказов БА, разработать алгоритмы повышения живучести МКА рассматриваемого типа, сформулировать рекомендации по повышению живучести для вновь разрабатываемых МКА научно-образовательного и опытно-технологического назначений.
В результате работы над созданием и по эксплуатации МКА серии «АИСТ» выполнено 44 дипломных проекта, защищены 21 магистерская, 8 кандидатских диссертаций, опубликовано более 35 статей в рецензируемых журналах.
Эта статья посвящается памяти нашего коллеги, д.т.н., профессора Сергея Ивановича Ткаченко, координатора проекта «АИСТ», отдавшего более 40 лет созданию и экспериментальной отработке многих классов космических аппаратов.
Список литературы
1. Садовничий В.А., Панасюк М.И., Бобровников С.Ю., Веденькин Н.Н. и др. Первые результаты исследования космической среды на спутнике Университетский-Татьяна // Космические исследования. 2007. Т. 45. № 4. С. 291-305.
2. Садовничий В.А, Панасюк М.И., Яшин И.В. и др. Исследования космической среды на микроспутниках Универ-ситетский-Татьяна и Университетский-Татьяна-2 // Астрономический вестник. 2011. Т. 45. № 1. С. 5-31.
3. Кремез Г.В., Сахно И.В., Ткачев Е.А., Фатеев В.Ф. Учебно-исследовательский малый космический аппарат «Можаец-4»: десять лет на орбите // Труды Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. 2013. № 640. С. 112-118.
4. Майорова В.И., Зеленцов В.В. Космический инновационный научно-образовательный проект «Космический аппарат «Бауманец»: особенности реализации // Актуальные проблемы российской космонавтики. Тезисы XXX научных чтений по космонавтике. М.: Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства, 2006. С. 306-308.
5. Майорова В.И. Научно-образовательная космическая микроплатформа Бауманец-2 // Тезисы докладов Второй международной научно-практической конференции. М.: МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2016. С. 54-55.
6. Зимин И.И., Валов М.В., Яковлев А.В., Галочкин С.А. Малый космический аппарат
«Михаил Решетнев». Результаты работы // Электронный журнал «Труды МАИ». № 65. Режим доступа: http://www.mai. ru/upload/iblock/03d/03d30644dbfb234 5b900cc87ec8ad158.pdf (дата обращения 20.04.2017 г.).
7. Ткаченко С.И., Салмин В.В., Сем-кин Н.Д., Куренков В.И., Абрашкин В.И., Прохоров А.Г., Ткаченко И.С., Петрухина К.В. Проектный облик и основные характеристики малого космического аппарата СГАУ - ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» // Вестник СГАУ. 2010. № 2. С. 154-165.
8. Kirilin A.N., Shakhmatov E.V., Soifer V.A., Akhmetov R.N., Tkachenko SI, Prokofev A.B., Salmin V.V., Stratilatov N.R., Semkin N.D., Abrashkin VI., Tkachenko I.S., Safronov S.L., Zheleznov Yu.E. Small satellites «AIST» constellation — design, construction and program of scientific and technological experiments // Procedia Engineering. 2015. V. 104. P. 43-49. DOI:/10.1016/j.proeng. 2015.04.095.
9. Абрашкин В.И., Воронов К.Е., Пия-ков А.В., Пузин Ю.Я., Сазонов В.В., Сем-кин Н.Д., Филиппов А.С., Чебуков С.Ю. Определение вращательного движения спутника «АИСТ» по данным бортовых измерений магнитного поля Земли // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2014. № 17. 38 с.
10. Абрашкин В.И., Воронов К.Е., Пия-ков А.В., Пузин Ю.Я., Сазонов В.В., Сем-кин Н.Д., Филиппов А.С., Чебуков С.Ю.
Определение движения спутника «Бион М-1» средствами аппаратуры ГРАВИТОН // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2014. № 2. 44 с.
11. Абрашкин В.И., Воронов К.Е. Реконструкция неуправляемого вращательного движения малого спутника «АИСТ» // Научные и технологические эксперименты на автоматических космических аппаратах и малых спутниках. Тезисы докладов Третьей международной конференции «Научные и технологические эксперименты на автоматических космических аппаратах и малых спутниках». Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2014. С. 177-180.
12. Абрашкин В.И., Воронов К.Е., Пия-ков А.В., Пузин Ю.Я., Сазонов В.В., Сем-кин Н.Д., Филиппов А.С., Чебуков С.Ю. Неуправляемое вращательное движение малого спутника «Аист» // Космические исследования. 2015. Т. 53. № 5. С. 395-408.
13. Семкин Н.Д., Брагин В.В., Пия-ков А.В., Телегин А.М., Рязанов Д.М., Мат-виец М.Г. Электролизация поверхности низкоорбитального малого космического аппарата «АИСТ» // Вестник СГАУ. 2015. Т. 14. № 1. С. 46-57.
14. Новиков Л.С., Милеев В.Н., Крупников К.К., Маклецов А.А. Электризация космических аппаратов в магнитосферной плазме / В кн.: Модель космоса. В 2-х т. М.: КДУ, 2007. Т. 2. С. 236-275.
Статья поступила в редакцию 28.09.2018 г.
Reference
1. Sadovnichiy V.A., Panasyuk M.I., Bobrovnikov S.Yu., Veden'kin N.N. etc. Pervye rezul'taty issledovaniya kosmicheskoy sredy na sputnike Universitetskiy-Tat'yana [The first results of a study of the space environment on the Universitet-Tatiana satellite]. Kosmicheskie issledovaniya, 2007, vol. 45, no. 4, pp. 291-305.
2. Sadovnichiy V.A, Panasyuk M.I., Yashin I.V. etc. Issledovaniya kosmicheskoy sredy na mikrosputnikakh Universitetskiy-Tat'yana i Universitetskiy-Tat'yana-2 [Studies of the space environment on microsatellites Universitetskiy-Tatyana and Universitetsky-Tatyana-2]. Astronomicheskiy vestnik, 2011, vol. 45, no. 1, pp. 5-31.
3. Kremez G.V., Sakhno I.V., Tkachev E.A., Fateev V.F. Uchebno-issledovatel'skiy malyy kosmicheskiy apparat «Mozhaets-4»: desyat' let na orbite [Educational and research small space vehicle Mozhaets-4: ten years in orbit]. Trudy Voenno-kosmicheskoy akademii imeni A.F. Mozhayskogo, 2013, no. 640, pp. 112-118.
4. Mayorova V.I., Zelentsov V.V. Kosmicheskiy innovatsionnyy nauchno-obrazovatel'nyy proekt «Kosmicheskiy apparat «Baumanets»: osobennosti realizatsii. Aktual'nye problemy rossiyskoy kosmonavtiki. Tezisy XXX nauchnykh chteniy po kosmonavtike [Space innovative scientific and educational project «Spacecraft «Baumanets»: features of realization. Actual problems of Russian cosmonautics]. Moscow, Commission of the Russian Academy of Sciences on the development of the scientific legacy of pioneers of space exploration publ, 2006. Pp. 306-308.
5. Mayorova V.I. Nauchno-obrazovatel'naya kosmicheskaya mikroplatforma Baumanets-2 [Scientific-educational space microplatform Baumanets-2], Tezisy dokladov Vtoroy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Moscow, MGTU imeni N.E. Baumana publ., 2016. Pp. 54-55.
6. Zimin 1.1., Valov M.V., Yakovlev A.V., Galochkin S.A. Malyy kosmicheskiy apparat «Mikhail Reshetnev». Rezul'taty raboty [Small spacecraft «Mikhail Reshetnev». Results of the work], Elektronnyy zhurnal «Trudy MAI», no. 65. Available at: http://www.mai.ru/ upload/iblock/03d/03d30644dbfb2345b900cc87ec8ad158.pdf (accessed 20.04.2017).
7. Tkachenko S.I., Salmin V.V., Semkin N.D., Kurenkov V.I., Abrashkin V.I., Prokhorov A.G., Tkachenko I.S., Petrukhina K.V. Proektnyy oblik i osnovnye kharakteristiki malogo kosmicheskogo apparata SGAU - GNPRKTS «TSSKB-Progress» [The design and basic characteristics of a small spacecraft of SSAU - «TsSKB-Progress»]. Vestnik SGAU, 2010, no. 2, pp. 154-165.
8. Kirilin A.N., Shakhmatov E.V., Soifer V.A., Akhmetov R.N., Tkachenko S.I., Prokofev A.B., Salmin V.V., Stratilatov N.R., Semkin N.D., Abrashkin V.I., Tkachenko I.S., Safronov S.L., Zheleznov Yu.E. Small satellites «AIST» constellation — design, construction and program of scientific and technological experiments. Procedia Engineering, 2015, vol. 104, pp. 43-49. DOI:/10.1016/j.proeng. 2015.04.095.
9. Abrashkin V.I., Voronov K.E., Piyakov A.V., Puzin Yu.Ya., Sazonov V.V., Semkin N.D., Filippov A.S., Chebukov S.Yu. Opredelenie vrashchatel'nogo dvizheniya sputnika «AIST» po dannym bortovykh izmereniy magnitnogo poly a Zemli [Determination of the rotational motion of the satellite «AIST» according to the onboard measurements of the Earth's magnetic field], Preprinty IPMim. M.V. Keldysha, 2014, no. 17, 38p.
10. Abrashkin V.I., Voronov K.E., Piyakov A.V., Puzin Yu.Ya., Sazonov V.V., Semkin N.D., Filippov A.S., Chebukov S.Yu. Opredelenie dvizheniya sputnika «Bion M-1» sredstvami apparatury GRAVITON [Determination of the motion of the «Bion M-1» satellite by means of GRAVITON equipment]. Preprinty IPM im. M.V. Keldysha, 2014, no. 2, 44p.
11. Abrashkin V.I., Voronov K.E. Rekonstruktsiya neupravlyaemogo vrashchatel'nogo dvizheniya malogo sputnika «AIST». Tezisy dokladov Tret'ey mezhdunarodnoy konferentsii «Nauchnye i tekhnologicheskie eksperimenty na avtomaticheskikh kosmicheskikh apparatakh i malykh sputnikakh» [Reconstruction of uncontrolled rotational motion of a small satellite «AIST». Scientific and technological experiments on automatic spacecraft and small satellites], Samara, SNTS RAN publ., 2014, pp. 177-180.
12. Abrashkin V.I., Voronov K.E., Piyakov A.V., Puzin Yu.Ya., Sazonov V.V., Semkin N.D., Filippov A.S., Chebukov S.Yu. Neupravlyaemoe vrashchatel'noe dvizhenie malogo sputnika «Aist» [Uncontrollable rotational motion of the small satellite AIST], Kosmicheskie issledovaniya, 2015, vol. 53, no. 5, pp. 395-408.
13. Semkin N.D., Bragin V.V., Piyakov A.V., Telegin A.M., Ryazanov D.M., Matviets M.G. Elektrolizatsiya poverkhnosti nizkoorbital'nogo malogo kosmicheskogo apparata «AIST» [Electrification of the surface of the low-orbit small spacecraft «AIST»]. Vestnik SGAU, 2015, vol. 14, no. 1, pp. 46-57.
14. Novikov L.S., Mileev V.N., Krupnikov K.K., Makletsov A.A. Elektrizatsiya kosmicheskikh apparatov v magnitosfernoy plazme. Model' kosmosa. V 2 t. [Electrification of space vehicles in the magnetospheric plasma, In 2 vol,]. Moscow, KDUpubl., 2007. Vol. 2, pp. 236-275.
