Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Существенной особенностью современной космонавтики является все большее использование низкоорбитальных космических аппаратов (КА) нанокласса в реализацию разнообразных космических миссий. На момент 20 августа 2021 г. всего запущено на орбиту 1766 наноспутников (НС), из них 1634 было разработано на основе стандарта CubeSat [1], что делает его основным стандартом для разработки подобных аппаратов.
Для реализации задач, поставленных перед НС, он должен быть полнофункциональным [2]. Таким образом, необходимым элементом является устройство управления положением и ориентацией в космическом пространстве. Вследствие этого, целесообразным является оснащение КА блоком маневрирования (БМ), способным удовлетворить требования по управлению движением. В связи с этим важнейшим элементом БМ является двигательная установка (ДУ).
Выбор той или иной ДУ зависит от конкретной миссии и требований к ней. В связи с этим, выбор оптимальной ДУ на этапе проектирования КА является критически важным. В случае НС разработчик сталкивается с жесткими массогабаритными ограничениями в соответствие с форматом. Таким образом, предварительная оценка массы ДУ является крайне важной задачей. Существующие методики разработаны для КА массой более 50 кг и освещают в основном электрореактивные ДУ [3–6], поэтому их применении для НС затруднительно.
Таким образом, разработка методики оценки предварительной массы БМ для НС является актуальной задачей. В данной работе рассмотрены ДУ на химических и электрических физических принципах работы.
Оценка массы проводится с точки зрения предельно достижимой минимальной массы БМ с использованием современных технологий проектирования и изготовления. Немало важным фактором является лёгкая интеграция БМ в КА. В связи с этим, БМ должен содержать элементы энергопитания, необходимые датчики, а также ДУ, позволяющую управлять движением КА.
В общем случае БМ содержит следующие системы:
ДМ включают в себя средства для изменения положения КА в пространстве. Он предназначен для создания управляющего момента движением КА.
СПУ содержит устройства для аккумулирования энергии, элементы питания и преобразования энергии, модули управления, КБС, датчики и источник питания разряда (ИПР) в электрических ДУ на эффекте Холла.
Назначение СПУ:
СХП включает в себя топливные баки, заправочные горловины и блок подачи топлива при использовании электрических ДУ. Она предназначена для хранения и подачи топлива в ДМ.
Расчет массы БМ проводится с учетом массы его подсистем, а также конструкции и соединительных элементов.
Масса СПУ складывается из массы аккумуляторных батарей, массы элементов питания и преобразования, массы элементов автоматики, массы датчиков и массы ИПР. Массу аккумуляторных батарей можно определить исходя из необходимой энергии для функционирования БМ. Массу элементов питания и преобразования в первом приближении можно принять от 100 до 200 г в зависимости от типа ДУ [7]. Масса элементов автоматики складывается из массы клапанов и элементов регулирования расхода при их наличии [8]. Массу датчиков можно определить исходя из их количества и типа, чаще всего применяют датчики освещённости и датчики угловых скоростей, также возможно применение магнитометров и звёздных датчиков [9,10]. Типичные массы датчиков представлены в [7, 9, 10]. Масса ИПР в первом приближении можно принять равной 0,5 кг [8]. Масса СХП складывается из топлива, необходимого для обеспечения требуемого запаса характеристической скорости, массы топливного бака, датчиков давления и температуры, а также заправочных горловин. Масса топлива определяется исходя из требуемого запаса характеристической скорости и удельного импульса ДУ [11]. Для определения массы бака химических ДУ используются формулы согласно [11] для электрических используются эмпирические коэффициенты [4, 5, 12]. Массу КБС можно принять в первом приближении равной 100 г [9]. Масса конструкции и соединительных элементов БМ зависят от применяемых материалов и размера спутника, для размера 1U в первом приближении данную величину можно принять равной 150 г [13].
В результате разработана методика предварительной оценки массы БМ для наноспутника с ДУ на различных физических принципах. Рассмотрены основные системы БМ, их состав и функции, которые они выполняют.
В целях проверки разработанной методики были просчитаны несколько существующих вариантов БМ с ДУ на химическом и электрическом принципе действия [14–18], исходя из обеспечения суммарного удельного импульса либо запаса характеристической скорости, указанного разработчиками.
В итоге было обнаружено, что погрешность определения массы БМ с ДУ на химическом топливе составляет от 10 до 35 %, в то время как для электрических — не более 80 %. Стоит отметить, что представленные ДУ в работах используют бортовые системы КА и не являются автономными, а также не обеспечивают полную ориентацию и управление движением КА. Если исключить из СПУ элементы питания и датчики, а также гироскоп и магнитные катушки, то погрешность определения составляет до 10 %.
Проведен обзор подсистем БМ и выполняемые ими функции. Предложен метод предварительной оценки массы БМ исходя из массы спутника и требуемого запаса характеристической скорости либо суммарного импульса. Погрешность определения массы по методике в сравнение с существующими ДУ составляет не более 10 %. В дальнейшем планируется разработка программы для автоматизированного расчета массы двигательной установки под определенную задачу космического аппарата.
