CC BY
17
УДК 629.764.001.76
В.Н. Блинов, *В.В. Шалай, Е.В. Ходорева
ПО «Полет» - филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», г. Омск * Омский государственный технический университет, г. Омск
ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МНОГОЦЕЛЕВЫХ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАНЕВРИРУЮЩИХ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Рассматриваются вопросы выбора многоцелевых методов проектирования маневрирующих малых космических аппаратов (ММКА) с корректирующими двигательными установками (КДУ) на аммиаке с электротермическими микродвигателями.
Среди многоцелевых методов проектирования ММКА рассмотрим метод гарантированного результата и метод структурного проектирования[1,2].
Метод «гарантированного» результата предусматривает формирование постоянного избыточного состава и систем ММКА с фиксированными векторами проектных и конструктивных параметров многоцелевой КДУ, выбранных для наиболее «тяжелой» целевой функции из числа реализуемых:
Вектор проектно-конструктивных параметров: S*: S^ = const (1)
Метод структурного проектирования предусматривает формирование переменного оптимального состава и систем ММКА с возможностью изменения структурного состава многоцелевой КДУ и конструкции ММКА как в сторону наращивания, так и в сторону сокращения относительно некоторой базовой структуры, используемой для всех целевых функций:
Вектор проектно-конструктивных параметров^*: SБ ММКАх SК ММКА (2)
где, SБ ММКА- множество значений вектора <«Б», определяющих базовую структуру многоцелевого ММКА, используемую при решении ММКА всего диапазона целевых задач;
Sm^A. - множество значений вектора <«К», определяющих комплектующие структуры многоцелевогоММКА, используемые ММКА при решении отдельных целевых задач.
р ММКА хар
Целевая функция МКА: AVKa i(m )=AV
i зад
(тММКА) (3)
138
Выбор метода проектирования ММКА определяется с учетом степени различия решаемых целевых задач.
Наиболее распространенными целевыми задачами орбитального маневрирования ММКАдля реализации целевой функции (3) при помощи КДУ являются[3]:
- коррекция ошибок выведения на орбиту функционирования;
- переходные маневры для формирования орбитального положения;
- поддержание рабочей орбиты в течение срока активного существования;
- увод с орбиты в конце срока службы и др.
Для КДУ с ЭТМД на аммиаке при холодном запуске ЭТМД оценены потребные запасы топлива для реализации целевой функции (3) при помощи уравнения (4), учитывающего выход на режим КДУ и ее функционирование после выхода на режим (для потребляемой мощности ЭТМД 60 Вт) (рис. 1):
где, АУ- характеристическая скорость;
- средний удельный импульс тяги ЭТМД при выходе на режим;
- средний удельный импульс тяги ЭТМД после выхода на режим; Мм
- стартовая масса ММКА;
- тяга ЭТМД;
_ время выхода ЭТМД на режим; -время работы ЭТМД на режиме; N -количество включений КДУ.
(4)
Рис. 1. Зависимость потребной массы топлива КДУ от величины характеристической скорости ММКА
Из приведенных данных следует, что степень различия целевых задач существенным образом определяется массовыми характеристиками ММКА. С другой стороны, величина
139
характеристической скорости определяется видами орбитальных маневров ММКА. В таблице 1 в качестве примера для ММКА массой 115 кг для круговой орбиты функционирования 800 км приведены значения требуемой характеристической скорости для реализации некоторых орбитальных маневров ММКА.
Таблица 1
№ Наименование маневра Требуемая скорость, м/с Расход рабочего запаса топлива, кг
1 Коррекция ошибки выведения на орбиту и позиционирование 6.5 0.329
2 Расстановка ММКА в плоскости в требуемые позиции и удержание в заданных пределах 2.4 0.121
3 Переходные маневры ММКА в плоскости орбиты 1 0.05
4 Подъем орбиты ММКА 26 1.318
5 Увод ММКА с орбиты в конце срока службы 40 1.845
Одной из наиболее энергоемких задач маневрирования является выведение ММКА с опорной промежуточной орбиты на рабочую круговую орбиту. Так, при выведении МКА массой 350 кг с опорной эллиптической орбиты с высотой перигея 280 км, высотой апогея 570 км и наклонением 98.63° на круговую орбиту высотой 470-494 км при помощи КДУ потребуется характеристическая скорость порядка 100 м/с и вместимость топливного бака 35 л.
В этой связи, выбор многоцелевого метода проектирования определяется степенью различия целевых задач из числа заданных с оценкой изменения проектного облика ММКА: габаритов, массы. Изменение проектного облика ММКА, обусловленное степенью различия целевых задач, определяется с учетом принятой компоновки КДУ в составе ММКА (рис.2).
ММКА 1 ММКА 2
Расположение и направления тяги КДУ
ММКА 1, 3: центральное расположение КДУ ММКА 3 ММКА 4
ММКА 2, 4: торцевое расположение КДУ
Рис. 2. Схемы расположения и направления тяги КДУ относительно корпуса ММКА
и панелей солнечных батарей
140
Наибольшему изменению проектно-конструктивного облика ММКА соответствует компоновка ММКА с центральным и торцевым расположением КДУ внутри приборного
блока (ММКА 1-3).
Для метода гарантированного результата проектные и структурные параметры ММКА Р|, Б], различны для отдельных единичных заданий. Для ММКА с фиксированными векторами параметров (Р], Б]) как для самого ММКА, так и для КДУ наилучшее значение эффективности достигается на некотором задании ц* из области допустимых заданий d(ц): ц*е ад. При выполнении же всех других заданий цed(ц) ММКА имеет «проигрыш» в локальной эффективности по сравнению с ее наилучшим значением J(ц*, р, б). Этот «проигрыш» характеризуется либо относительной величиной, либо абсолютной (р(ц*^^):
р(ц, р, s)=J(ц, р, б)/ J(ц*, р, б); р(ц, р, б)= I J(ц, р, б)- J(ц*, р, б) I (5)
Для повышения эффективности метода гарантированного результата при проектировании ММКА с расположением КДУ внутри приборного блока предлагается комбинированный подход (рис. 3), [4]:
- разработка приборного блока ММКА по методу гарантированного результата;
- проектирование КДУ по методу структурного проектирования.
1(т
)=АУ (т )
АУхар
191 ^=4 I
ММКА
зад
хар,max
ММКА
2(т
)<АУ зад(т )
АУхар
ММКА
хар,max
ММКА
Приборный блок ММКА,
00
X
00
00
К
«
о
и
и
3
2
«
н
и
2
§
о
н
р
&
о
АУ-
хар
ММКА
хар,max
разработанный по методу гарантированного результата П(т
)<.. <АУ
за (тММКА)
Рис. 3. Использование метода гарантированного результата для ММКА
д
и метода структурного проектирования для КДУ
Величина потери эффективности в соответствии с (5) определяет переход от метода гарантированного результата к методу структурного проектирования прежде всего конструкции приборного блока ММКА. Суммарная масса КДУ и масса средств ее адаптации к
141
ММКА как критерий эффективности по габаритно-массовому методу в зависимости от мае-
.у| Э
сы топлива и эксплуатационного давления г определяется выражениями [4]:
Чу = = ку(.2каткщ,оД{кут + 2)К|)С„*:£»Л
(6)
к к?
где, "-ч, ] - весовые коэффициенты, определяемые в соответствии с [4] и характеризующие
геометрические параметры КДУ и используемые конструкционные материалы.
Опыт создания ММКА на основе различных многоцелевых космических служебных платформ (МКСП)для массового ряда (30-40) кг; (40-70) кг; (70-120) кг; (120-200) кг; (200500) кг показал, что конструкция ММКА может быть отнесена как к базовой структуре
тт
( ^констр к
), так и к комплектующей структуре §конс1р
[5].
На основе анализа созданных МКСП и ММКА на их основе сделан вывод, что для массового ряда ММКА (30-40), (40-70) кг конструкция, как правило, является комплектующей структурой и разрабатывается по структурному методу в зависимости от решаемой ММКА целевой задачи [5].
При увеличении массового ряда ММКА метод структурного членения МКСП определяется на основе анализа задач орбитального маневрирования и используемых методов проектирования ММКА в целом.
Так, при создании ММКА по методу прототипа и многоцелевом подходе, в качестве базовых конструкций могут использоваться гермоконтейнеры, снаружи которого монтируется структурно-изменяющаяся КДУ.
Для ММКА ДЗЗ массой до 250 кг предпочтительной является схема МКСП, в которой в качестве базовой структуры используется каркасная конструкция с платами, на которых монтируются базовые структуры служебных систем МКСП, оптико-электронная система и КДУ (каркасный способ компоновки)[5]. При этом может быть использован как метод гарантированного результата, так и метод структурного проектирования.
Представленные подходы к формированию конструктивного облика ММКА основываются на использовании «безбумажных» методов проектирования и изготовления конструкции на основе 3-0 моделей элементов МКСП и КДУ.
б
Библиографический список
1. Блинов В.Н. Методы и конструктивные особенности разработки многоцелевых служебных платформ для создания малых космических аппаратов // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность: материалы всероссийской научно-технической конференции. - Омск, 2008. - С. 3-7.
2. Брусов В.С., Баранов С.К. Оптимальное проектирование летательных аппаратов.
Многоцелевой подход // М.: Машиностроение, 1989.
3. Блинов В.Н., Чарушина Е.Б., Шалай В.В. К вопросу оценки эффективности использования двигательных установок с электрическими микродвигателями для решения задач орбитального маневрирования малых космических аппаратов // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники: материалы VI все-росс. науч. техн. конф.- Омск, 2011. - С. 39-45.
142
4. Блинов В.Н., Шалай В.В. и др.Оценка массовой эффективности маневрирующих малых космических аппаратов с двигательной установкой микротяги на аммиаке// Омский научный вестник. - 2012. - Вып. 1. - С. 59 - 62.
5. Блинов В.Н. Вопросы структурно-параметрического синтеза многоцелевых космических служебных платформ для создания малых космических аппаратов // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники: материалы V всеросс. науч. техн. конф.- Омск, 2010. - С. 3-11.
