CC BY
86References
1. Ermakov D. V., Bobrikov A. N., Aleksanov P. A., Ljanzburg V. P. Magnetic-hydraulic bearing of reaction wheels / Reshetnevskie chtenija : XVII international scientific conference (12-14th of November 2013, Krasnoyarsk) : in 2 vol. / ed. by Y. Y. Loginov ; SibSAU. Krasnoyarsk, 2013, vol. 1, р. 497-498.
2. Patent RF for invention №: 2013118932, Reaction wheel, authors: Aleksanov P. A., Bobrikov A. N., Erma-
kov D. V., Ljanzburg V. P., date of publication
20.11.2013.
3. Patent RF for invention №: 2014114248, Reaction wheel, authors: Aleksanov P. A., Bobrikov A. N., Ermakov D. V., Ljanzburg V. P., date of publication
10.04.2014.
© Ермаков Д. В., Бобриков А. Н., Алексанов П. А., 2014
УДК 629.783
ПРЕИМУЩЕСТВА МАСШТАБИРУЕМОЙ МОДУЛЬНОЙ АРХИТЕКТУРЫ МАЛЫХ И СВЕРХМАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Д. М. Зуев, А. Г. Пятков, П. В. Мовчан
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Рассматриваются преимущества использования модульной и масштабируемой архитектуры при разработке и изготовлении малых и сверхмалых космических аппаратов.
Ключевые слова: малый космический аппарат, сверхмалый космический аппарат, масштабируемая модульная архитектура, CubeSAT, nanosatellites.
ADVANTAGES OF MODULAR AND SCALABLE ARCHITECTURE IN SMALL AND ULTRASMALL SPACECRAFT
D. M. Zuev, A. G. Piatkov, P. V. Movchan
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E-mail: [email protected]
Advantages of using a modular and scalable architecture are considered. These advantages are assumed in relation to the development and production of small and ultra-small spacecrafts.
Keywords: small spacecraft, ultra-small spacecraft, satellite, scalable modular architecture, CubeSAT, nanosatellite.
Стоимость разработки и производства тяжелых спутниковых платформ составляет до нескольких миллиардов долларов, что делает актуальной задачу уменьшения стоимости космических аппаратов (КА). Процесс миниатюризации электроники стал основой для тенденции перехода от тяжелых платформ к малым и сверхмалым космическим аппаратам без потери функциональности (МКА и СМКА). Это позволяет на порядок уменьшить стоимость разработки, производства и выведения на орбиту [1].
Важным параметром является срок разработки и производства КА. Снижение сроков производства спутников позволит увеличить объемы производства и снизить итоговую цену для заказчика. Также короткие сроки изготовления важны для быстрого создания орбитальных группировок, оперативной замены вышедшего из строя аппарата, что, например, является важным для военных заказчиков. Стоит упомянуть американскую концепцию оперативного доступа
в космос ORS (Operationally Responsive Space), согласно которой должен быть разработан и внедрен ряд технологий, позволяющих изготовить, протестировать и запустить МКА за короткий срок (от нескольких недель до нескольких дней) для оперативной и непосредственной поддержки боевых действий. Данную задачу предполагается решить использованием модульных масштабируемых платформ [2].
Модульный масштабируемый принцип построения позволит определять функционал спутника путем компоновки типовых узлов служебной платформы и модулей полезной нагрузки по типу конструктора. Это позволит предложить заказчику широкий спектр решений и быстро вносить изменения в конфигурацию по желанию заказчика в зависимости от решаемых заказчиком задач.
Использование типовых узлов при модульной архитектуре позволит снизить стоимость комплектующих, так как производство деталей становится не
Малые космические аппараты: производство, эксплуатация и управление
штучным, а мелкосерийным. И для создания нужной конфигурации достаточно выбрать уже разработанные необходимые узлы. Таким образом, отсутствует этап разработки, а это позволяет ускорить процесс изготовления спутника и решить большое количество задач с помощью одной и той же служебной платформы. При необходимости решить новую для данной платформы задачу достаточно разработать только необходимые дополнительные модули.
Ярким примером использования модульной масштабируемой архитектуры является зарубежное CubeSAT-движение, которое пришло к стандартизации используемых узлов. После такого шага возник рынок стандартизированных комплектующих, который позволил собирать наноспутники класса CubeSAT за короткие сроки без существенного опыта и материальной базы. Этот факт можно назвать одной из основных причин большой популярности CubeSAT в качестве образовательного КА для стран и университетов, не имеющих космических технологий и опыта. Возникла концепция CubeSAT Kit - набора комплектующих для сборки спутника «в одной коробке», иногда включая запуск, что позволяет запускать спутники школам и любителям, готовым заплатить определенную сумму за комплект (порядка миллиона рублей). На данной почве произошло быстрое развитие индустрии: появляются и развиваются компании, которые занимаются разработкой и продажей различных CubeSAT-комплектующих, доступных для заказа в специализированных интернет-магазинах [3]. За счет доступности комплектующих и простоты изготовления CubeSAT стал популярной платформой для проведения экспериментов и испытания новых космических технологий.
Для обеспечения модульности и масштабируемости требуется унификация интерфейсов и использование определенных протоколов. В CubeSAT используется CubeSAT Space Protocol, специально разработанный для спутников данного класса. Он работает с различными реализациями физического интерфейса: I2C, TCP/IP, CAN-шина и другие, большинство из которых не разрабатывались для использования в космической среде, что значительно уменьшает и без того малый срок функционирования аппарата на орбите.
Перспективной технологией для построения модульных масштабируемых архитектур является высокоскоростной сетевой стандарт для космических аппаратов SpaceWire, который определяет и физический интерфейс, и протокол передачи данных, изначально рассчитанных на космос.
В России разработки СМКА, использующие модульную масштабируемую архитектуру на основе SpaceWire, ведутся в компании СПУТНИКС для собственного стандарта МКА TabletSAT (10-50 кг) [4] и Сибирском государственном аэрокосмическом университете для использования в студенческом сверхмалом аппарате «SibCube» класса CubeSAT (1-5 кг) [5]. Оба проекта КА базируются на разработках сетевого бортового комплекса управления (БКУ) на основе SpaceWire, выполненных в СибГАУ [6]. Разработанный БКУ в данный момент работает на борту первого российского частного спутника «ТаблетСат-
Аврора» («TabletSat-Aurora»), запущенного в июне 2014 г. Также разработки по использованию и внедрению SpaceWire ведутся в ОАО ИСС имени академика М. Ф. Решетнева и НТЦ «ЭЛВИС» совместно с ГУАП.
В перспективе с учетом увеличения спроса на оперативную информацию из космоса возрастет спрос на орбитальные группировки для дистанционного зондирования земли, связи, исследования космоса и атмосферы на основе СМКА. Использование масштабируемых модульных архитектур СМКА позволит наиболее эффективно и экономически выгодно решать вопросы получения подобных группировок за счет скорости создания и использования типовой служебной платформы, которую можно быстро адаптировать к нужной задаче.
Библиографические ссылки
1. Спутниковые системы [Электронный ресурс]. URL: http://www.gazprom-spacesystems.ru/ru/innova-tion_and_science/science/index.php?ELEMENT_ID=657 (дата обращения: 05.09.2014).
2. Борисов В. Открытая архитектура для закрытых программ [Электронный ресурс]. URL: http://www. sputnix.ru/ru/analytics/item/322-otkrytaya-arkhitektura-dlya-zakrytykh-programm (дата обращения: 05.09.2014).
3. The space E-commerce Revolution [Электронный ресурс]. URL: http://digitalcommons.usu.edu/smallsat/ 2008/all2008/5 (дата обращения: 05.09.2014).
4. Микроспутники [Электронный ресурс]. URL: http://www.sputnix.ru/ru/technologies/microsatellites (дата обращения: 05.09.2014).
5. Пятков А. Г., Зуев Д. М. «SibCube» - проект сверхмалого космического аппарата СибГАУ класса CubeSAT // Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем : сб. III Науч.-техн. конф. молодых специалистов OAO «ИСС». Железногорск, 2014. С. 29-30.
6. Ханов В. Х., Шахматов А. В., Чекмарев С. А., Вергазов М. Ю., Лукин Ф. А. Разработка аппаратуры системы информационного обмена бортового комплекса управления малого космического аппарата // Вестник СибГАУ. Красноярск. 2013. Вып. № 3 (49). С. 149-153.
References
1. Sputnikovyie sistemy. Available at: http://www. gazprom-spacesystems.ru/ru/innovation_and_science/ science/index.php?ELEMENT_ID=657 (05.09.2014).
2. Borisov V. Otkryitaya arhitektura dlya zakryityih programm. Available at: http://www.sputnix.ru/ru/ana-lytics/item/322-otkrytaya-arkhitektura-dlya-zakrytykh-programm (05.09.2014).
3. The space E-commerce Revolution. Available at: http://digitalcommons.usu.edu/smallsat/2008/all2008/5 (05.09.2014).
4. Микро-спутники. Available at: http://www. sput-nix.ru/ru/technologies/microsatellites (05.09.2014).
5. Pyatkov A. G., Zuev D. M. «SibCube» - proekt sverhmalogo kosmicheskogo apparata SibGAU klassa CubeSAT // Razrabotka, proizvodstvo, ispyitaniya i ek-
spluatatsiya kosmicheskih apparatov i sistem : sb. III Nauchno-tehnicheskoy konferentsii molodyih spetsial-istov OAO «ISS». ISS, Zheleznogorsk, 2014, p. 29-30.
6. Hanov V. H., Shahmatov A. V., Chekmarev S. A., Vergazov M. Yu., Lukin F. A. Razrabotka apparaturyi
sistemyi informatsionnogo obmena bortovogo kompleksa upravleniya malogo kosmicheskogo apparata. Vestnik SibGAU, 2013, no. 3 (49), p. 149-153.
© Зуев Д. М., Пятков А. Г., Мовчан П. В., 2014
УДК 629.7.05
РАЗРАБОТКА ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ АКТИВНОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ ДЛЯ СТУДЕНЧЕСКОГО НАНОСПУТНИКА SIBCUBE КЛАССА CUBESAT
А. С. Костюков, Д. М. Зуев, С. А. Бабич
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Предложена конфигурация и проведены расчеты параметров исполнительных органов активной магнитной системы ориентации для наноспутника SibCube. Проведено сравнение с исполнительными органами других аппаратов класса CubeSAT.
Ключевые слова: CubeSAT, наноспутник, система ориентации, активная магнитная система ориентации.
DEVELOPING ACTUATORS OF ACTIVE MAGNETIC ATTITUDE CONTROL SYSTEM FOR STUDENT CUBESAT CLASS SPACECRAFT "SIBCUBE"
A. S. Kostyukov, D. M. Zuev, S. A. Babich
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E-mail: [email protected]
The magnetorquer system for the CubeSAT nanosatellite «SibCube» is proposed. The most profitable configuration is assumed as well as the technical characteristics and the temperature deflection of the selected configuration are calculated. Obtained results are compared with the other CubeSAT nanosatellite.
Keywords: CubeSAT, nanosatellite, magnetorquer system, altitude control system, active magnetic altitude control.
Система ориентации (СО) является одной из важнейших систем космического аппарата (КА). Данная система выполняет функцию обеспечения заданного углового движения путем задания углового ускорения относительно центра масс. Стабилизация и ориентация аппарата являются важными условиями для его работы и полезной нагрузки [1].
В последние годы набирают популярность нанос-путники класса СиЪе8АТ, отличительной чертой этих аппаратов являются малый размер и масса (10^10x10 см, 1,3 кг). Для аппаратов подобного рода остро стоит вопрос о необходимости минимизации исполнительных органов СО и низком энергопотреблении.
Наиболее подходящим вариантом активной СО для КА класса СиЪе8АТ, не требующего высокоточной ориентации, является активная магнитная СО (АМСО). АМСО способна обеспечить точность порядка 1-10°. В нашем случае используются магнитные исполнительные органы в виде катушек (КМИО), где магнитный момент формируется путем протекания через катушку электрического тока.
Для аппарата «8ШСиЪе» была выбрана конфигурация исполнительных органов в виде прямоугольных КМИО размером 80x96x10 мм, которые должны располагаться на внешней поверхности аппарата, что позволяет увеличить площадь КМИО и не занимать внутренний объем аппарата. Размеры выбраны так, чтобы КМИО имел максимально возможную площадь, которую позволяет внешнее крепление, что дает возможность увеличить магнитный момент без увеличения тока для повышения эффективности использования потребляемой мощности. Верхняя сторона КМИО имеет выемку для закрепления панели фотопреобразователей (ФП). Для намотки предполагается использовать провод ПЭТВ2 (ГОСТ 10519). При расчете использовалась модель, представленная в [2-3]. Конструкцию каркаса КМИО можно видеть на рис. 1, полностью собранную конструкцию на рис. 2.
Расчет производился для потребляемых мощностей 1 и 0,5 Вт. Диаметр сечения подбирался для обеспечения массы обмотки не более 50 г при максимальном магнитном моменте. Исходя из требуемого количества витков и диаметра были найдены габари-
