Использование низких орбит как средство снижения стоимости космической техники

Язык труда и переводы:
УДК:
629.783
Дата публикации:
22 января 2022, 18:00
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Бечаснов Павел Михайлович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Рассмотрены расчеты радиационной дозовой нагрузки, проведенные в программном пакете Omere, которые показали, что радиационная обстановка на солнечно-синхронной орбите высотой 300 км соответствует наблюдающейся на орбите международной космической станции и позволяет использовать обычную промышленную электронику с типовой радиационной стойкостью не более 5 крад. Сделан вывод, что космическими аппаратами на высотах 300–350 км потенциально могут решаться практически все задачи современной космонавтики, в т. ч. пилотируемой, а благоприятные условия этого диапазона орбит могут значительно сократить стоимость космических проектов и практически устранить риски от роста количества космического мусора.
Ключевые слова:
низкие орбиты, внешние воздействующие факторы, условия работы спутников, эффективность полезной нагрузки
Основной текст труда

В настоящее время большинство космических аппаратов (КА) размещается на рабочих орбитах в диапазоне высот 600–800 км, этому диапазону соответствует максимум плотности космического мусора. Это ставит под вопрос будущее развитие подобных платформ, т. к. дальнейший ее рост будет требовать частых маневров уклонения и вызовет риск поражения КА ненаблюдаемыми объектами. Также на этих высотах существенна радиационная дозовая нагрузка, что усложняет использование коммерчески доступной элементной базы.

Вместе с тем при снижении высоты орбиты улучшаются условия работы полезной нагрузки информационных КА: линейно возрастает разрешение оптико-электронной аппаратуры, пропорционально квадрату высоты орбиты снижается потребная мощность передатчиков спутников связи, и пропорционально ее четвертой степени — потребная мощность радаров радиолокационных КА.

Проведенные расчеты по модели ЕКА Master 2.0.8 показали, что поток космического мусора на высоте 300 км на порядок меньше, чем на высоте 600 км. К тому же мелкий мусор на этой высоте быстро сходит с орбиты, что позволяет предполагать возможность практически полного отсутствия микрометеоритной эрозии.

Расчеты радиационной дозовой нагрузки, проведенные в программном пакете Omere показали, что радиационная обстановка на солнечно-синхронной орбите высотой 300 км в целом соответствует наблюдающейся на орбите международной космической станции и позволяет использовать обычную промышленную электронику с типовой радиационной стойкостью не более 5 крад. Еще сильнее улучшить радиационную нагрузку позволяет плановое отключение электрорадиоаппаратуры в приполярных районах, особенно во время солнечных вспышек.

Совокупность этих обстоятельств позволяет использовать на орбитах высотой ниже 350 км КА с герметичными корпусами, вероятность пробоя которых стремится к нулю за типовой срок службы низкоорбитального аппарата. Это, в свою очередь, позволяет эффективно охлаждать мощную электронику и максимально приближает условия работы аппаратуры КА к наземным, существенно сокращая программу их испытаний и снижая сроки и стоимость создания.

Тем не менее, на таких орбитах становится достаточно существенным сопротивление атмосферы. Для противодействия вызванному им сокращению срока активного существования предложено [1] для космических аппаратов оптико-электронного наблюдения со сверхвысоким разрешением массой порядка 1000 кг снижать баллистический коэффициент до величин менее 0,003 м2/кг и использовать электрореактивную двигательную установку (ЭРДУ) с удельным импульсом около 9 км/с. Это, в свою очередь, является развитием идей спутника ЕКА GOCE [2], высота орбиты которого составляла 224–254 км, что обеспечивалось ксеноновой ЭРДУ с удельным импульсом около 40 км/с.

Однако указанный подход ориентирован на поддержание высоты орбиты при любом состоянии солнечной активности. Это обуславливает потребность в значительном запасе характеристической скорости, что выливается в требование наличия дорогостоящей ЭРДУ и развитых солнечных батарей. Анализ истории солнечной активности [3] показывает, что предельные задействованные в расчете [1] значения F10,7 достигаются крайне редко. Расчет, проведенный в STK 11.2, показал, что для средней за последнее десятилетие солнечной активности потери характеристической скорости КА с вышеуказанным баллистическим коэффициентом составляют всего 35 м/с/год, что открывает возможности использования относительно недорогих двигателей, например, электронагревных [4]. На время же повышения солнечной активности возможно временное незначительное повышение орбиты.

Таким образом, КА на высотах 300–350 км потенциально могут решаться практически все задачи современной космонавтики, в т. ч. пилотируемой, а благоприятные условия этого диапазона орбит могут значительно сократить стоимость космических проектов и практически устранить риски от роста количества космического мусора.

 

Литература
  1. Волоцуев В.В. Низкоорбитальные космические аппараты высокодетального наблюдения с длительным сроком существования на рабочих орбитах с высотой ниже четырехсот километров // XLV Академические чтения по космонавтике (Королёвские чтения – 2021): сб. тез.: в 4 т. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2021. Т. 1. С. 70–71.
  2. GOCE Spacecraft & Instrument Overview. Spaceflight101.com. URL: https://spaceflight101.com/spacecraft/goce/ (дата обращения 25.11.2021).
  3. NASA Space Weather Prediction Center: Current Space Weather Conditions F10.7 cm Radio Emissions. Noaa.gov. URL: http://www.swpc.noaa.gov/phenomena/f107-cm-radio-emissions (дата обращения 25.11.2021).
  4. Квасников Л.А., Латышев Л.А., Пономарев-Степной Н.Н., Севрук Д.Д., Тихонов В.Б. Теория и расчет энергосиловых установок космических летательных аппаратов. М.: Изд-во МАИ, 2001. 480 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.