CC BY
28Время жизни KA PocketQube 1p до сгорания в плотных слоях атмосферы
Высота, км 200 280 300 350 400 500 600
Время жизни, сут. 1 13 20 39 117 560 2365
Платформа будет иметь внутреннюю модульно-стэковую компоновку, также платформа может быть масштабирована до больших размеров: 2p (10x5x5 см, 360 г), 2,5p (12.5x5x5 см, 450 г), 3p (15x5x5 см, 520 г).
Важным фактором разработки является обеспечение низкой стоимости платформы и высокого уровня энергосбережения. Направленность на энергосбережение объясняется низкими энергетическими возможностями таких КА вследствие малой площади солнечных батарей (СБ). Например, при КПД СБ 20 % и формате КА 1p мгновенная мощность, снимаемая с СБ, составляет порядка 0,5-0,6 Вт.
Планируемый интервал высот орбиты составляет от 280 до 600 км. Согласно ГОСТ 25645.101-83 [6] была проведена оценка времени жизни до схождения с орбиты для КА PocketQube 1p. Результаты представлены в таблице.
В работе описана концепция студенческой спутниковой платформы SibQube. Представлены цели разработки платформы, задачи текущего этапа работы над первым КА на базе платформы, ведущие факторы разработки. Приведен предполагаемый состав оборудования, дана оценка времени жизни до сгорания в плотных слоях атмосферы.
Библиографические ссылки
1. CubeSat Design Specification Rev. 13. California State Polytechnic University [Электронный ресурс]. URL: http://cubesat.org/images/developers/cds_rev13_ final2. pdf (дата обращения 02.09.2015).
2. The PocketQub Standard [Электронный ресурс]. URL: http://pocketqub.org/standard/ (дата обращения: 5.2.2015).
3. Deepak R. A., Twiggs R. J. Thinking out of the box: Space science beyond the CubeSat // Journal of Small Satellites. 2012. Vol. 1. No. 1. P. 3-7.
4. PQ60 Standard Document Rev. 1.1. [Электронный ресурс]. URL: http://www.pq60.info/ documents/PQ60StandardRev1_1.pdf (дата обращения 01.09.2016).
5. PocketQube. Gunter's Space Page. [Электронный ресурс]. URL: http://space.skyrocket.de/doc_sat/ pocketqub.htm (дата обращения 01.09.2016).
6. ГОСТ 25645.101-83. Атмосфера Земли верхняя. Модель плотности для проектных баллистических расчетов искусственных спутников Земли. М., 1984. 168 с.
References
1. CubeSat Design Specification Rev. 13. Available at: http://cubesat.org/images/developers/cds_rev13_ final2. pdf (accessed 02.09.2015).
2. The PocketQub Standard. Available at: http://pocketqub.org/standard/ (accessed 5.2.2015).
3. Deepak R. A., Twiggs R. J. Thinking out of the box: Space science beyond the CubeSat. Journal of Small Satellites. 2012. Vol. 1, № 1. P. 3-7.
4. PQ60 Standard Document Rev. 1.1. Available at: http://www.pq60.info/documents/PQ60StandardRev1_1.p df (accessed 01.09.2016).
5. PocketQube. Gunter's Space Page. Available at: http://space.skyrocket.de/doc_sat/pocketqub.htm (accessed 01.09.2016).
6. GOST 25645.101-83. Atmosfera Zemli verkhnyaya. Model' plotnosti dlya proektnykh ballisticheskikh raschetov iskusstvennykh sputnikov Zemli. [State Standard 25645Earth upper atmosphere. Density model for ballistic calculation design of satellites]. Moscow, 1984. 168 p.
© Зуев Д. М., Кравчуновский А. П., Лапаев К. А., Скоробогатов С. А., Костюков А. С., 2016
УДК 629.783
РАЗРАБОТКА ПРОТОТИПА КОРПУСА СТУДЕНЧЕСКОГО ПИКОСПУТНИКА
КЛАССА POCKETQUBE
А. П. Кравчуновский, М. Н. Драганюк
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected]
Представлены результаты эскизного проектирования студенческого космического аппарата (КА) класса PocketQube. Спроектирован и изготовлен прототип корпуса КА и проведен прочностный анализ конструкции корпуса.
Ключевые слова: космический аппарат, PocketQube, корпус, пикоспутник.
<Тешетневс^ие чтения. 2016
DEVELOPING PROTOTYPE STRUCTURE OF POCKETQUBE CLASS STUDENT PICOSATELLITE
A. P. Kravchunovsky, M. N. Draganyuk
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
We present results of the schematic design phase of the PocketQube student spacecraft. We design and produce a prototype of spacecraft structure and realize a strength analysis of the structure.
Keywords: spacecraft, PocketQube, structure, picosatellite.
Введение. С каждым годом все большую популярность получают космические аппараты (КА) стандарта PocketQubе, принадлежащие к классу пикос-путников (до 1 кг). Такие ИСЗ уже имеют свой стандарт, который регламентирует внешние габариты КА: 50x50x50 мм и массу 125 г, что соответствует формату ^ [1].
Платформа является масштабируемой. Стандарт предусматривает различные компоновки от ^ до 8Q. Последняя соответствует размерам КА класса CubeSAT формата Ш [2]. Целью разрабатываемого аппарата является исследование малоизученных верхних слоев атмосферы и ближнего космоса,
а также использование в образовательных целях. Внешний облик прототипа корпуса КА представлен на рисунке, а.
Корпус представляет собой сборную алюминиевую конструкцию. Конструкционная целостность достигается за счет винтового соединения. В качестве материала был выбран сплав Д16, так как имеет подходящие механические свойства. В конструкции корпуса используются гнутые детали из листового металла из-за их низкой стоимости производства и особенностей сборки (рисунок, б) [3]. Основой корпуса служит стандартизированная алюминиевая пластина Base plate.
4
7
Внешний облик космического аппарата PocketQub (а); конструкция корпуса (б): 1 - Base plate; 2 - стенки корпуса; 3 - межплатные стойки; 4 - фотоэлемент; 5 - плата радиоэлектронного модуля; 6 - антенна; 7 - сервисный разъем; 8 - микропереключатель
Моды собственных частот КА
Таблица 1
№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Частота, Гц 865,8 867,2 874,1 879,3 880,9 1435,3 1436,6 1438,3 1441,4
№ 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Частота, Гц 1 445,2 1 454,8 1 456,2 1 456,5 1 459,1 1 467,8 1 485,2 1 488,1 1 552,5
Результаты динамического анализа случайных воздействий
Таблица 2
Масштаб 1 о 2 о 3 о
Вероятность возникновения, % 68,269 95,45 99,73
Эквивалентное напряжение, МПа 2,637 5,275 7,912
5
1
Пластина удерживает КА в пусковом контейнере, а также обеспечивает возможность перемещения КА по направляющим в контейнере при выведении аппарата из контейнера. Микропереключатели обеспечивают переход КА из спящего в активный режим при выходе аппарата из контейнера.
Электронно-технический модуль принципиально представляет собой совокупность печатных плат, разделенных межплатными стойками. КА предполагается оборудовать набором сервисных информационных и электрических интерфейсов для обеспечения возможности внесения поправок в структуру программного обеспечения аппарата.
Разрабатываемый КА будет оснащен радиотехническим модулем, в состав аппаратуры которого будут входить антенна, ресивер и трансмиттер. На настоящем этапе проектирования КА PocketQub выбрана антенна типа симметричный вибратор.
Антенна такого типа имеет оптимальную диаграмму направленности для передачи данных, поскольку отсутствует (или ограничена) возможность использования активной системы ориентации аппарата. Описанная конструкция полученного прототипа имеет массу 97 г.
Расчет для проверки прочности и устойчивости конструкции проводился в конечно-элементном пакете Ansys, с использованием модулей Ansys Workbench, Ansys Design Modeller и Ansys Mechanical
[4].
Граничные условия для анализа соответствуют данным по выведению на орбиту ракеты-носителя (РН) «Днепр» [5].
Были проведены: статический анализ на воздействие линейных перегрузок до 20g; модальный анализ на собственные частоты; динамический анализ случайных воздействий [6]. Результаты модального анализа представлены в табл. 1.
На основе модального анализа был проведен анализ на случайные воздействия. В расчет была введена спектральная плотность виброускорений в зависимости от частоты, эквивалентная вибрационным нагрузкам при полете РН «Днепр». Результаты представлены в табл. 2.
По результатам проведенных анализов установлено, что конструкция не имеет собственных частот на низких частотах (резонанс возможен при частотах выше 850 Гц). Максимальные напряжения, возникшие в результате воздействия перегрузок и случайных вибраций, не превышают 10 МПа, что значительно меньше предела текучести материалов (в среднем около 100-200 МПа для алюминиевых сплавов). Все это способствует высокому коэффициенту запаса прочности разработанной конструкции.
Библиографические ссылки
1. The PocketQub Standard [Электронный ресурс]. URL: http://pocketqub.org/standard/ (дата обращения: 5.2.2015).
2. SIBCUBE - проект студенческого космического аппарата СибГАУ класса CUBESAT / Д. М. Зуев, А. Г. Пятков, П. В. Мовчан и др. // Вестник СибГАУ. 2014. № 4 (56). С. 160-166.
3. Формообразование гнутых профилей: теория и практика : сб. науч. трудов / под науч. ред. В. И. Филимонова. Ульяновск : УлГТУ, 2011. C. 118-166.
4. Бруяка В. А., Фокин В. Г., Солдусова Е. А., Глазунова Н. А. Инженерный анализ в ANSYS Workbench : учеб. пособие. Самара : Самарский гос. тех. ун-т, 2010. 271 с.
5. Dnepr User's Guide [Электронный ресурс]. URL: http://www.kosmotras.en/docs_mkk/ (дата обращения: 14.8.2016).
6. Елисеев К. В., Зиновьева Т. В. Вычислительный практикум в современных CAE-системах : учеб. пособие. СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2008. С. 68-72.
References
1. The PocketQub Standard. Available at: http://pocketqub.org/standard/ (accessed 5.2.2015).
2. Zuev D. M., Pyatkov A. G., Movchan P. V., Smirnov D. V., Kostyukov A. V. ["SIBCUBE" CUBESAT satellite project of sibsau student] // Vestnik SibGAU. 2014. № 4. P. 160-166 (In Russ).
3. Formoobrazovanie gnutykh profiley: teoriya i praktika : sbornik nauchnykh trudov / pod nauch. red. dra tekhn. nauk, professora V. I. Filimonova [Shaping of bent profiles: theory and practice: the collection of sci. works / under the scientific edition of the Dr. Sci. Tech., professor V. I. Filimonov]. Ul'yanovsk : UlGTU, 2011. P. 118-166. (In Russ.)
4. Bruyaka V. A., Fokin V. G., Soldusova E. A., Glazunova N. A. Inzhenernyy analiz v ANSYS Workbench: uchebnoe posobie [The engineering analysis in ANSYS Workbench: training manual]. Samara: Samarskiy gos. tekh. un-t, 2010. 217 p.
5. Dnepr User's Guide. Available at: http://www.kosmotras.en/docs_mkk/ (accessed 14.8.2016).
6. Eliseev K. V., Zinov'eva T. V. Vychislitel'nyy praktikum v sovremennykh CAE-sistemakh: Ucheb. Posobie [Computing practical work in modern CAE systems: training manual]. SPb.: Izd-vo Politekhn. un-ta, 2008. P. 68-72. (In Russ.)
© Кравчуновский А. П., Драганюк М. Н., 2016
