CC BY
251
Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки
УДК 629.78.048
И. В. Буртыль Научный руководитель - К. Ф. Голиковская Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛНЕНИЯ ПРИБОРНЫХ ОТСЕКОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Рассматриваются варианты исполнения приборных отсеков герметичного и негерметичного типа.
Создание высоконадежных и эффективных систем ракетной и ракетно-космической техники (РКТ), обеспечивающих по своим тактико-техническим характеристикам высокий уровень выполнения программ в экстремальных условиях, является неотъемлемой задачей повышения обороноспособности страны и дальнейшего освоения космического пространства. В настоящее время к ракетно-космическим модулям предъявляются все более высокие требования по параметрам, условиям работы и надежности при широком спектре выполняемых программ [1].
При планировании и реализации дорогостоящих космических программ большое внимание уделяется эффективности космических исследований и полетов, оценке их оправданности и целесообразности. Но с этими критериями нельзя подходить к проектам первых ИСЗ: они осуществлялись, прежде всего, ради становления самой космической техники. По мере развития космической техники к КА предъявлялись все более жесткие требования, совершенствовалась бортовая аппаратура, возрастал круг решаемых задач, а в некоторых случаях стали использоваться системы спутников, подчиненных единой цели.
Основу традиционных конструктивно-компоновочных схем российских КА, предназначенных для эксплуатации на геостационарных орбитах со сроком активного существования до 7 лет, составлял тяжелый герметичный контейнер, что позволяло использовать высокоточную аппаратуру с определенным диапазоном работоспособности, и активная циркуляционная СТР с конструктивно обособленными не всегда надежно раскрывающимися, излучающими радиаторами для отвода избыточного тепла от бортовой аппаратуры (БА) в космическое пространство. Возможности таких конструктивно-компоновочных схем КА в настоящее время практически исчерпаны. На современном научно-техническом и технологическом этапе развития явные преимущества имеют конструктивно-компоновочные схемы КА негерметичного исполнения, т.е. бортовая аппаратура расположена непосредственно на рамах и корпусе КА, что позволяет вырабатывающееся тепло бортовой аппаратуры отводить непосредственно в космическое пространство.
Конструктивно-компоновочная схема ряда современных КА, как правило, содержит элемент, сохранившийся с первого спутника - это герметичный приборный контейнер. Его проявление в компоновке первых ИСЗ было обосновано новизной и необычностью решаемой задачи. На базе имеющихся отработанных схемно-технических решений создавалась радиоэлектронная аппаратура ИСЗ. Знания о космосе, как о природной среде функционирования спутника, в це-
лом были крайне скудны, поэтому конструкции первых ИСЗ отличались простотой и консервативностью.
Опыт обеспечения работоспособности радиотехнической аппаратуры, инженерные и конструкторские решения, используемые при разработке приборных блоков для высотной скоростной авиации и межконтинентальных баллистических ракет, явились необходимым обоснованием технической целесообразности контейнерной схемы размещения бортовой радиоэлектронной аппаратуры на космических аппаратах. При этом на борту КА искусственно создавались условия для функционирования аппаратуры, близкие к земным. Оболочка контейнера в таких КА защищает аппаратуру от дестабилизирующего влияния факторов космического пространства: радиации, глубокого вакуума, низких температур.
Органично вписавшись в конструктивно-компоновочную схему ИСЗ, герметичный контейнер принял на себя не только защитные функции от влияния космоса, но и стал основным силовым элементом спутника.
Таким образом, применение гермоконтейнера для размещения бортового ретранслятора позволило даже при скудных знаниях о влиянии космических условий принять техническое решение по централизованной защите аппаратуры от вибрации, проникающего излучения, тепловой и электростатической защите. Это сняло или значительно смягчило многие ограничения, которые по мере накопления знаний о космосе должны быть реализованы в схемотехнических решениях бортового радиотехнического комплекса, что позволило в сжатые сроки создать специальную аппаратуру на основе имеющейся элементной базы.
Размещаемая вне гермоконтейнера аппаратура работает в более жестких условиях по всем параметрам (вакуум, температура, радиация), что, безусловно, требует специальных решений при проектировании и особого технологического цикла изготовления.
Для аппаратуры, эксплуатируемой непосредственно в космическом пространстве, требуется максимальная имитация космического пространства, при которой аппаратура должна надежно функционировать. Тепловая отработка такой аппаратуры очень сложна, так как требует не только имитации вакуума, но и имитации «безграничной тепловой емкости», каким, с точки зрения теплового проектирования, является космос. При этом нуждаются в имитации и все структуры тепловых связей, самой аппаратуры и тех связей, которые проводят тепло от соседних конструкций или соседнего аппарата. Все это представляет сложную инженерную задачу, требует уникальных дорогостоящих стендов и, что особенно важно, дает
Секция «ДВИГАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯЛА И КА»
заключение о пригодности той или иной аппаратуры только на завершающем этапе испытаний аппаратуры в составе КА.
Необходимо создать тепловой режим для работы бортовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), при котором функционирование каждого отдельного элемента РЭА осуществлялось бы в оптимальном температурном диапазоне. В настоящее время перспективным направлением для повышения надежности и увеличения срока активного существования КА, является разработка КА нового поколения, имеющих негерметичное исполнение [2].
Современные космические аппараты (КА) с негерметичным корпусом строятся по панельному принципу и обладают модульной структурой [3]. Обычно в отдельные конструктивно-независимые модули выделяют антенный блок, двигательную установку с топливными баками и магистралями, а также служебные системы аппарата.
Многофакторная задача по компоновочной схеме КА решается в комплексе с учетом состояния и пер-
спектив развития не только схемо-конструктивных решений бортовой аппаратуры, но и располагаемого оборудования наземного испытательного и измерительного комплексов имитационных испытаний и оснащенности стендов.
Библиографические ссылки
1. Александров О. Г. Системы терморегулирования автоматических космических аппаратов : учеб. пособие ; КИКТ. Красноярск, 1990.
2. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А. И. Перова, В. Н. Харисова. 4-е изд. перераб. и доп. М. : Радиотехника, 2010.
3. Сильченко П. Н. Оптимальное проектирование гермоконтейнера для бортовой аппаратуры спутников связи : материалы Междунар. НТК «Спутниковые системы связи и навигации», Красноярск, 1997.
© Буртыль И. В., 2012
УДК 629.78
Д. О. Волков, А. П. Ганущенко Научный руководитель - М. В. Кубриков Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ
Нынешние двигатели ракет применяются уже много десятилетий, используя жидкое и твердое химическое топливо. Чтобы поднять на орбиту средних размеров спутник требуется очень большие объемы горючего, поэтому финансирование запусков и полетов очень дорого. Поэтому ученые десятилетиями работают над более экономичными видами ракет и их двигателей. Плазменный двигатель - очень недорогой и эффективный - для будущих космических полетов. За счет его использования стоимость запуска может быть снижена почти в 10 раз.
Чтобы поднять с Земли и разогнать до первой космической скорости огромный космический аппарат, требуются мощности в миллионы и десятки миллионов киловатт. На этом этапе никаких реальных альтернатив реактивным двигателям на химическом топливе пока нет. Но если аппарат уже выведен на орбиту, им вполне можно управлять при помощи двигателей малой мощности. Они могут поддерживать ориентацию спутника, стабилизировать его на орбите, переводить с одной орбиты на другую.
Существует несколько конструкций таких двигателей. В настоящее время, например, созданы хорошие модели так называемых электронагревных двигателей. Газ - аммиак или гидразин - пропускают через катализатор, который его разлагает на молекулы, и нагревают изотопным источником тепла или электрической печкой. Молекулы имеют гораздо меньшую массу и при нагреве приобретают более высокую скорость. Но есть и другой путь: получить направленный поток не молекул, а ионов или плазмы, разогнав их при помощи электрических и магнитных полей.
Путь этот чрезвычайно перспективен. Элементарные расчеты показывают, что ион водорода, пройдя разность потенциалов 4,5 вольта (напряжение бата-
рейки «Крона» в два раза выше), приобретет скорость 30 км/с - гораздо большую, чем может дать химическая реакция. Неудивительно, что в начале 60-х годов, после запуска первого искусственного спутника Земли, работы по созданию электрореактивных двигателей развернулись сразу во многих странах, но ведущими оставались СССР и США. В нашей стране были созданы очень сильные научные коллективы, среди которых особенно выделилась группа из Института атомной энергии. Ей удалось найти интересные научные решения, благодаря которым мы до сих пор удерживаем лидирующее положение в этой области, а созданные ею стационарные плазменные двигатели (СПД) признаны лучшими в мире [1].
Первые предпосылки для создания плазменных двигателей возникли более ста лет назад.
Первый эффективный плазменно-ионный двигатель был создан американцем Г. Кауфманом в 60-х годах и использован в космическом эксперименте 8еП-П.
Примерно в это же время в нашей стране был создан плазменно-эрозионный двигатель конструкции А. М. Андрианова. Он стал первым устройством такого типа, выведенным в космос: в 1964 году его уста-
