Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка принципов построения и методов проектирования многоцелевых спутниковых платформ с аммиачными корректирующими двигательными установками в целях создания маневрирующих малых космических аппаратов военного, социально-экономического и научного назначения.

Номер контракта: 14.574.21.0104

Руководитель: Вавилов Игорь Сергеевич

Должность руководителя: профессор кафедры "АвиРС"

Докладчик: Косицын Валерий Владимирович, научный сотрудник НИЧ НИЛ "ДУМИТ МКА" каф. "АвиРС"

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
корректирующая двигательная установка, маневрирующий малый космический аппарат, методы проектирования, метод гарантированного результата, метод структурного проектирования, многоцелевая спутниковая платформа, многоцелевой метод проектирования, средства адаптации, электротермический микродвигатель.

Цель проекта:
Целью выполнения ПНИ является разработка и исследование принципов построения и методов проектирования многоцелевых спутниковых платформ с аммиачными корректирующими двигательными установками (КДУ) в целях создания маневрирующих малых космических аппаратов (МКА) военного, социально-экономического и научного назначения. Задачами ПНИ являются выбор направления исследований; разработка научно-технической документации на проектирование и испытания аммиачных электротермических микродвигателей различной конструкции; проведение экспериментальных исследований электротермических микродвигателей различной конструкции; разработка научно-технической документации на проектирование и испытания КДУ с аммиачными электротермическими микродвигателями; проведение экспериментальных исследований экспериментального образца аммиачной КДУ для наноспутниковой платформы и оценка полноты выполнения работ и достижения поставленных целей ПНИ.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения ПНИ должны быть получены следующие научные и научно-технические результаты:
1 Промежуточный и заключительный отчеты о ПНИ, содержащие:
1.1 Анализ научно-технической, нормативной, методической литературы в области проектирования многоцелевых маневрирующих спутниковых платформ для МКА с КДУ на различных принципах создания тяги.
1.2 Сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы и обоснование выбора направления исследований.
1.3 Целевые задачи маневрирующих МКА для формирования исходных данных для математических моделей орбитального маневрирования.
1.4 Анализ проектно-конструктивных характеристик КДУ МКА и требования к средствам их адаптации к МКА при реализации групповых и попутных запусков.
1.5 Описание математических моделей орбитального маневрирования МКА, учитывающих функциональное взаимодействие аммиачной КДУ и служебных систем МКА.
1.6 Результаты расчетных исследований запасов характеристических скоростей, реализуемых КДУ в составе МКА заданного массового ряда для различных параметров рабочих орбит функционирования МКА и параметров служебных систем для различных рабочих орбит функционирования МКА, определяющих требования к служебным системам и проектно-конструктивному облику МКА для обеспечения функционирования корректирующей двигательной установки.
1.7 Описание методов проектирования аммиачных электротермических микродвигателей различной конструкции: с трубчатым нагревательным элементом; с автономным нагревательным элементом; с совмещенной с испарителем схемой; электродуговой.
1.8 Описание схемных решений формирования структурного и проектно-конструктивного облика аммиачных микродвигателей, их конструктивные и функциональные особенности.
1.9 Описание математических моделей электротермических микродвигателей различной конструкции для определения их проектных параметров и температурных режимов.
1.10 Проектные параметры и температурные режимы электротермических микродвигателей.
1.11 Результаты исследовательских испытаний электротермических микродвигателей различной конструкции.
1.12 Описание методов проектирования аммиачных КДУ с электротермическими микродвигателями для маневрирующих спутниковых платформ МКА массового ряда: (до 10 кг); (10-30) кг; (30-40) кг; (40-70) кг; (70-120) кг; (120-200) кг; (200-400) кг и более, а также определения габаритно-массовых характеристик КДУ, их проектно-конструктивных параметров и различных схем сопряжения с МКА для формирования требований к отсеку размещения КДУ в МКА.
1.13 Описание схемных решений структурного и проектно-конструктивного облика аммиачных КДУ, их конструктивных и функциональных особенностей.
1.14 Описание математических моделей КДУ с электротермическими микродвигателями различной конструкции.
1.15 Обоснованные потребные запасы топлива, количество включений КДУ для различных схем запуска, габаритно-массовые характеристики, проектно-конструктивные параметры и различные схемы сопряжения КДУ с МКА для формирования требований к отсеку размещения КДУ в МКА.
1.16 Результаты исследовательских испытаний экспериментального образца аммиачной КДУ для наноспутниковой платформы.
1.17 Технико-экономическая оценка полученных результатов.
1.18 Сравнительный анализ научно-технического уровня полученных результатов с современным уровнем аналогичных разработок.
1.19 Обобщение полученных результатов, оценка полноты выполнения работ и достижения поставленных целей ПНИ.
1.20 Методика формирования требований к КДУ с аммиачными микродвигателями в части компоновки в МКА, взаимодействия с бортовыми системами МКА, наземной эксплуатации в составе МКА.
1.21 Требования к запасам характеристических скоростей, реализуемых КДУ с аммиачными микродвигателями в составе МКА.
2 Отчеты о патентных исследованиях.
3 Эскизная конструкторская документация на экспериментальные электротермические микродвигатели с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции.
4 Эскизная конструкторская документация на испытательный стенд для исследований экспериментальных электротермических микродвигателей с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции.
5 Испытательный стенд для исследований экспериментальных электротермических микродвигателей с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции.
6 Экспериментальные электротермические микродвигатели с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции.
7 Программа и методика исследовательских испытаний экспериментальных электротермических микродвигателей с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции.
8 Эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец аммиачной КДУ для наноспутниковой платформы.
9 Программа и методика исследовательских испытаний экспериментального образца аммиачной КДУ для наноспутниковой платформы.
10 Экспериментальный образец аммиачной КДУ для наноспутниковой платформы.
11 Рекомендации и предложения по использованию полученных результатов индустриальным партнером, а также в дальнейших исследованиях и разработках.
12 Проект ТЗ на проведение ОКР по теме «Разработка аммиачной корректирующей двигательной установки с электротермическими микродвигателями для малого космического аппарата».

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Краткая характеристика создаваемой научно-технической продукции:
- аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы в области проектирования многоцелевых маневрирующих спутниковых платформ для МКА с КДУ на различных принципах создания тяги;
- сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы и выбор направления исследований;
- определение целевых задач маневрирующих МКА;
- патентные исследования содержащие:
1) исследования в области многоцелевых маневрирующих спутниковых платформ;
2) исследования в области КДУ МКА и средств их адаптации к МКА;
3) исследования в области электротермических микродвигателей;
- анализ проектно-конструктивных характеристик КДУ МКА и требования к средствам их адаптации к МКА при реализации групповых и попутных запусков с целью формирования проектно-конструктивного облика КДУ в составе МКА;
- математические модели орбитального маневрирования МКА заданного массового ряда с КДУ с аммиачными микродвигателями при решении различных целевых задач;
- расчетные исследования запасов характеристических скоростей, реализуемых КДУ в составе МКА заданного массового ряда для различных рабочих орбит функционирования МКА;
- расчетные исследования параметров служебных систем для различных рабочих орбит функционирования МКА, требования к служебным системам и проектно-конструктивному облику МКА для обеспечения функционирования КДУ;
- методика формирования требований к КДУ с аммиачными микродвигателями в части компоновки в МКА, взаимодействия с бортовыми системами МКА, наземной эксплуатации в составе МКА;
- требования к запасам характеристических скоростей, реализуемых КДУ с аммиачными микродвигателями в составе МКА;
- методы проектирования аммиачных электротермических микродвигателей с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции: с трубчатым нагревательным элементом; с автономным нагревательным элементом; с совмещенной с испарителем схемой; электродуговой;
- схемные решения формирования структурного и проектно-конструктивного облика аммиачных микродвигателей, их конструктивные и функциональные особенности;
- математические модели электротермических микродвигателей различной конструкции для определения их проектных параметров и температурных режимов;
- проектные параметры и температурные режимы электротермических микродвигателей;
- эскизная конструкторская документация на экспериментальные электротермические микродвигатели с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции;
- эскизная конструкторская документация на испытательный стенд для проведения исследований экспериментальных электротермических микродвигателей с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции;
- испытательный стенд для проведения исследований экспериментальных электротермических микродвигателей с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции;
- экспериментальные электротермические микродвигатели с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции;
- программа и методика исследовательских испытаний экспериментальных электротермических микродвигателей с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции;
- исследовательские испытания электротермических микродвигателей с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции;
- методы проектирования аммиачных КДУ с электротермическими микродвигателями для маневрирующих спутниковых платформ МКА массового ряда: (до 10 кг); (10-30) кг; (30-40) кг; (40-70) кг; (70-120) кг; (120-200) кг; (200-400) кг и более, методы определения габаритно-массовых характеристик КДУ, их проектно-конструктивных параметров и различных схем сопряжения с МКА для формирования требований к отсеку размещения КДУ в МКА;
- схемные решения структурного и проектно-конструктивного облика аммиачных КДУ, их конструктивные и функциональные особенности;
- математические модели КДУ с электротермическими микродвигателями различной конструкции;
- потребные запасы топлива, количество включений КДУ для различных схем запуска, габаритно-массовые характеристики, проектно-конструктивные параметры и различные схемы сопряжения с МКА для формирования требований к отсеку размещения КДУ в МКА;
- эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец аммиачной КДУ для наноспутниковой платформы;
- экспериментальный образец аммиачной КДУ для наноспутниковой платформы;
- программа и методика исследовательских испытаний экспериментального образца аммиачной КДУ для наноспутниковой платформы;
- результаты исследовательских испытаний экспериментального образца аммиачной КДУ для наноспутниковой платформы на имеющейся стендовой базе;
- технико-экономическая оценка полученных результатов;
- рекомендации и предложения по использованию полученных результатов индустриальным партнером, а также в дальнейших исследованиях и разработках;
- сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований создаваемых многоцелевых аммиачных КДУ с электротермическими микродвигателями с современным уровнем аналогичных разработок;
- обобщение полученных результатов, оценка полноты выполнения работ и достижения поставленных целей ПНИ;
- техническое задание на проведение ОКР по теме «Разработка аммиачной корректирующей двигательной установки с электротермическими микродвигателями для малого космического аппарата»
Конечные продукты, создаваемые с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта:
- методика формирования требований к КДУ с аммиачными микродвигателями в части компоновки в МКА, взаимодействия с бортовыми системами МКА, наземной эксплуатации в составе МКА;
- методы проектирования аммиачных электротермических микродвигателей с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции: с трубчатым нагревательным элементом; с автономным нагревательным элементом; с совмещенной с испарителем схемой; электродуговой;
- схемные решения формирования структурного и проектно-конструктивного облика аммиачных микродвигателей, их конструктивные и функциональные особенности;
- эскизная конструкторская документация на экспериментальные электротермические микродвигатели с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции;
- эскизная конструкторская документация на испытательный стенд для проведения исследований экспериментальных электротермических микродвигателей с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции;
- испытательный стенд для проведения исследований экспериментальных электротермических микродвигателей с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции;
- экспериментальные электротермические микродвигатели с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции;
- результаты исследовательских испытаний электротермических микродвигателей с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции;
- методы проектирования аммиачных КДУ с электротермическими микродвигателями для маневрирующих спутниковых платформ МКА массового ряда: (до 10 кг); (10-30) кг; (30-40) кг; (40-70) кг; (70-120) кг; (120-200) кг; (200-400) кг и более, а также определения габаритно-массовых характеристик КДУ, их проектно-конструктивных параметров и различных схем сопряжения с МКА для формирования требований к отсеку размещения КДУ в МКА;
- схемные решения структурного и проектно-конструктивного облика аммиачных КДУ, их конструктивные и функциональные особенности;
- эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец аммиачной КДУ для наноспутниковой платформы;
- экспериментальный образец аммиачной КДУ для наноспутниковой платформы;
- результаты исследовательских испытаний экспериментального образца аммиачной КДУ для наноспутниковой платформы на имеющейся стендовой базе;
- проект технического задания на проведение ОКР по теме «Разработка аммиачной корректирующей двигательной установки с электротермическими микродвигателями для малого космического аппарата»
Оценка элементов новизны научных решений, применявшихся методик и сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень:
- создание многоцелевых спутниковых платформ и средств их адаптации к ракетным средствам выведения при реализации групповых и попутных запусков является новой инновационной стратегией создания маневрирующих МКА для выполнения задач, имеющих общенациональное значение, обеспечивающей укрепление позиций нашей страны на новых зарубежных рынках по созданию МКА и их запуску на орбиты функционирования групповым и попутным способом;
- выполняемая работа характеризуется масштабностью решаемой проблемы по созданию МКА военного, социально-экономического и научного назначения и их запуску групповым и попутным способом: на сегодняшний день за рубежом созданы более 800 МКА военного, социально-экономического и научного назначения, запущенных на орбиты функционирования групповым и попутным способами;
- выполняемая работа характеризуется рыночной привлекательностью решаемой проблемы: значительная часть МКА создается «продвинутыми» странами по заказу других стран на основе созданных спутниковых платформ;
- выполняемая работа характеризуется наличием значительного числа проектных организаций, занимающихся созданием спутниковых платформ и вовлечением в этот процесс ВУЗов (в основном при создании микроспутников, наноспутников и пикоспутников).
По результатам ПНИ будет создан научно-технический задел для разработки перспективных маневрирующих МКА с высокими тактико-техническими характеристиками, не уступающих общемировому уровню и конкурентоспособных на мировом рынке, разработки унифицированного ряда многоцелевых спутниковых платформ с использованием наилучших конструкторских и технологических решений для создания многоцелевых маневрирующих МКА в следующем диапазоне масс: (10-30) кг; (30-40) кг; (40-70) кг; (70-120) кг; (120-200) кг; (200-400) кг и более.
С использованием предыдущих и реализуемых в проекте результатов исследований в РФ созданы два маневрирующих МКА с аммиачными КДУ - это МКА «Угатусат» и МКА в интересах ПО «Полет» -филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева».
В интересах иностранного заказчика созданы маневрирующие МКА «Орбкомм-Демонстратор», МКА «Орбкомм».
Создание многоцелевых спутниковых платформ и средств их адаптации к ракетным средствам выведения при реализации групповых и попутных запусков является новым научным и практическим направлением создания МКА в нашей стране и за рубежом.
Предлагаемая в проекте методология создания МКА обеспечивает сокращение до 40% материальных и временных затрат на создание и запуск МКА.
Проведенные исследования свидетельствуют о возможности достижения характеристик маневрирующих МКА с аммиачными КДУ и электротермическими микродвигателями (ЭТМД) мирового уровня с более низким энергопотреблением ЭТМД и КДУ по отношению к зарубежным аналогам.
Пути и способы достижения заявленных результатов:
- использование многоцелевых методов проектирования;
- использование результатов экспериментальных исследований для создания и корректировки используемых в работе методов, методик и математических моделей;
- использование накопленного научно-технического задела при создании маневрирующих МКА с аммиачными КДУ, в т.ч. имеющих лётную историю.
Ограничения и риски минимизированы за счёт участия авторского коллектива в ряде ОКР по созданию маневрирующих МКА с аммиачными КДУ.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Назначение и область применения: проект ориентирован на создание современных маневрирующих МКА с аммиачными КДУ с характеристиками, не уступающими и превосходящими аналогичные характеристики зарубежных МКА.
Эффекты от внедрения результатов проекта: создание многоцелевых спутниковых платформ и средств их адаптации к ракетным средствам выведения при реализации групповых и попутных запусков обеспечивает сокращение до 40% материальных и временных затрат на создание и запуск МКА за счет:
а) сокращения времени и объемов наземной-экспериментальной отработки создаваемых маневрирующих МКА с обеспечением заданных параметров их надежности;
б) сокращения времени и объемов наземной-экспериментальной отработки средств адаптации создаваемых маневрирующих МКА к ракетным средствам выведения при реализации групповых и попутных запусков.
Описание областей применения планируемых результатов (области науки и техники, отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться результат или планируемая на их основе инновационная продукция). Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования:
Возможными потребителями полученных научных результатов являются предприятия космической отрасли, специализирующиеся на создании МКА и их запусках групповым и попутным способом с использованием ракетных средств выведения лёгкого класса.
С использованием предыдущих и реализуемых в проекте результатов исследований в РФ созданы два маневрирующих МКА с аммиачными КДУ - МКА «Угатусат» и МКА в интересах ПО «Полет» -филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева».
В интересах иностранного заказчика созданы маневрирующие МКА «Орбкомм-Демонстратор», МКА «Орбкомм».
Создание многоцелевых спутниковых платформ и средств их адаптации к ракетным средствам выведения при реализации групповых и попутных запусков является новым научным и практическим направлением создания МКА в нашей стране и за рубежом.
Предлагаемая в проекте методология создания МКА обеспечивает сокращение до 40% материальных и временных затрат на создание и запуск МКА.
Проведенные исследования свидетельствуют о возможности достижения характеристик маневрирующих МКА с аммиачными КДУ и электротермическими микродвигателями (ЭТМД) мирового уровня с более низким энергопотреблением ЭТМД и КДУ по отношению к зарубежным аналогам.
Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений, разработку новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сферы: результаты ПНИ ориентированы на следующие особенности развития производства в области создания МКА:
- использование «безбумажных» методов проектирования и создания ракетно-космической техники за счёт использования современных САПР на основе 3D моделей и производственных комплексов на основе станков с ЧПУ;
- сокращения времени и объемов наземной-экспериментальной отработки создаваемых маневрирующих МКА с обеспечением заданных параметров их надежности за счёт использования многоцелевых методов проектирования;
- сокращения времени и объемов наземной-экспериментальной отработки средств адаптации создаваемых маневрирующих МКА к ракетным средствам выведения при реализации групповых и попутных запусков за счёт использования многоцелевых методов проектирования.
Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры:положительный прогноз в области международного сотрудничества по тематике ПНИ основан на успешной реализации коммерческого проекта по созданию маневрирующих МКА с аммиачными КДУ (МКА «Орбкомм-Демонстратор», МКА «Орбкомм») в рамках научно-технического сотрудничества РФ и Германии, в котором принимали участие члены авторского коллектива.
Развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры основано на широкомасштабном привлечении в процесс создания МКА научного и образовательного назначения ВУЗов и других образовательных учреждений: все современные МКА запускаются только групповым или попутным способами.
На сегодняшний день за рубежом созданы более 800 МКА военного, социально-экономического и научного назначения, запущенных на орбиты функционирования групповым и попутным способом.

Текущие результаты проекта:
На период 2014-2015 гг. получены следующие основные результаты:
- проведен анализ проектно-конструктивных характеристик КДУ МКА и определение требований к средствам их адаптации к МКА при реализации групповых и попутных запусков;
- разработаны математические модели орбитального маневрирования МКА заданного массового ряда с КДУ с аммиачными микродвигателями при решении различных целевых задач, учитывающие функциональное взаимодействие аммиачной КДУ и служебных систем МКА;
- разработана методика формирования требований к КДУ с аммиачными микродвигателями в части компоновки в МКА, взаимодействия с бортовыми системами МКА, наземной эксплуатации в составе МКА.
- определены целевые задачи маневрирующих МКА и показано их влияние на проектный облик КДУ и МКА;
- проведен анализ проектно-конструктивных характеристик КДУ МКА, основанный на созданных и перспективных МСП; показано, что перспективным направлением является создание электродуговых КДУ с ЭТМД при энергопотреблении менее 60-80 Вт, ЭТМД совмещенной схемы;
- разработаны математические модели орбитального маневрирования МКА;
- разработаны методические подходы к проектированию многоцелевых спутниковых платформ (МСП), основанные на многоцелевых методах проектирования (метод структурного проектирования, метод гарантированного результата);
- разработана методика формирования требований к КДУ с аммиачными микродвигателями;
- проведены расчетные исследования запасов характеристических скоростей КДУ в составе МКА заданного массового ряда и параметров служебных систем, определяющих требования к служебным системам и проектно-конструктивному облику МКА для обеспечения функционирования КДУ для различных параметров рабочих орбит функционирования МКА;
- определены требования к запасам характеристических скоростей КДУ;
- разработаны методы проектирования ЭТМД;
- определены схемные решения структурного и проектно-конструктивного облика ЭТМД, их конструктивных и функциональных особенностей;
- разработаны математические модели ЭТМД;
- определены проектные параметры и температурные режимы ЭТМД;
- разработана эскизная конструкторская документация на ЭТМД и изготовлен испытательный стенд;
- разработана программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных электротермических микродвигателей с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции;
- изготовлены экспериментальные электротермические микродвигатели с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции:с трубчатым нагревательным элементом; с автономным нагревательным элементом; с совмещенной с испарителем схемой; электродуговой;
- проведены исследовательские испытания электротермических микродвигателей различной конструкции;
- проведены патентные исследования в части электротермических микродвигателей;
- проведён аналитический обзор конструктивных особенностей спутниковых платформ, аппаратному построению, решаемым задачам МКА массой 70-120 кг.