Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0104

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0104
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет"
Название доклада
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.
Докладчик
Косицын Валерий Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью выполнения исследований является разработка и исследование принципов построения и методов проектирования многоцелевых спутниковых платформ (МСП) 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 (ЭТМД) 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.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность: создание МСП и средств их адаптации к ракетным средствам выведения при реализации групповых и попутных запусков, что является новой инновационной стратегией создания маневрирующих МКА для укрепления позиций нашей страны на новых зарубежных рынках по созданию МКА и их запуску на орбиты функционирования групповым и попутным способом и сокращение до 40% материальных и временных затрат на создание и запуск МКА.
Новизна исследования:
1.Будет создан научно-технический задел для разработки перспективных маневрирующих МКА с высокими тактико-техническими характеристиками, не уступающих общемировому уровню и конкурентоспособных на мировом рынке, разработан унифицированный ряд МСП с использованием наилучших конструкторских и технологических решений для создания многоцелевых маневрирующих МКА в широком диапазоне масс.
2. Впервые будет осуществлено комплексное исследование принципов построения и методов проектирования МСП с аммиачными ДУ и средств их адаптации к ракетным средствам выведения при реализации групповых и попутных запусков в целях создания маневрирующих МКА в широком диапазоне масс;
3. В рассматриваемом диапазоне масс МКА для совмещенной, модульной и параллельной конструктивно-компоновочной схем будут разработаны (проведены):
методы создания МСП с аммиачными КДУ и их компонентов для маневрирующих МКА;
методы создания многоцелевых аммиачных КДУ с ЭТМД различной конструкции и изготовлены опытные образцы;
методы создания многоцелевых средств адаптации многоцелевых спутниковых платформ к ракетным средствам выведения при реализации групповых и попутных запусков;
конструктивные схемы и опытные образцы ЭТМД с энергопотреблением до 60 Вт
экспериментальные исследования ЭТМД.
Описание исследования

Эффективность МСП и ее компонентов, включая КДУ, во многом определяется используемыми принципами построения и методами проектирования МСП с КДУ и средств их адаптации к ракетным средствам выведения при реализации групповых и попутных запусков.
Отечественные маневрирующие МКА, в большинстве своем создаются на основе одноцелевых методов проектирования, что является существенным недостатком. Вместе с тем, современный подход к созданию МКА основан на создании МСП, что требует проведения работ по созданию соответствующего методологического и математического аппарата.
С целью создания научно-технического задела для разработки перспективных маневрирующих МКА с высокими тактико-техническими характеристиками, не уступающих общемировому уровню и конкурентоспособных на мировом рынке, необходима разработка унифицированного ряда МСП с использованием наилучших конструкторских и технологических решений для создания многоцелевых маневрирующих МКА в широком диапазоне масс (от 10 до 400 кг и более).
Для минимизации затрат на разработку многоцелевых маневрирующих МКА необходимо выявить возможность и пути разработки многоцелевых средств их адаптации к ракетным средствам выведения, позволяющих обеспечивать групповые и попутные запуски.
Задача создания МСП для создания многоцелевых маневрирующих МКА предполагает выявление класса целевых функций для реализации задач орбитального маневрирования. Учет этих факторов накладывает определенные дополнительные требования при разработке МСП, однако в дальнейшем приведет к снижению затрат при развертывании и поддержании космических систем. Это обусловлено снижением затрат, средств и времени при разработке и адаптации МКА, при разработке головного блока, наземных испытаниях, подготовке на техническом и стартовом комплексах МКА к пуску и др.
Задача разработки МСП для МКА относится к многоцелевым задачам проектирования, которые применительно к МКА практически не разработаны. Стратегия оптимизации параметров МСП по критерию «стоимость-эффективность» в значительной степени определяется типом решаемых целевых задач. Оценка эффективности МСП при решении целевых задач показывает, что для системы с фиксированным вектором проектно-конструктивных параметров наилучшая эффективность достигается в некоторой малой области. При реализации же всех других целевых функций, даже весьма близких, эффективность МСП всегда хуже.
Повышение целевой эффективности путем применения МСП не на всей области возможного применения, а на некоторой, более узкой области, не является оптимальным.
Повышение эффективности МСП может быть достигнуто применением структурного подхода к оптимизации состава и построения ее систем и конструкции. Принцип оптимизации заключается в формировании структурного состава МСП с возможностью его изменения как в сторону наращивания, так и в сторону сокращения относительно некоторой универсальной базовой структуры, используемой для всех целевых функций, первоначальном определении проектных параметров МСП для наихудших условий функционирования (наиболее «напряженные» целевые функции) с последующим поэтапным их уточнением без нарушения структурного состава рассматриваемой платформы и перераспределении основных проектных параметров для некритичных условий функционирования (наиболее «облегченные» целевые функции) для снижения ее переразмеренности путем изменения структурных и конструктивных связей платформы.
Задачу создания МСП для маневрирующих МКА нельзя отрывать от задачи создания многоцелевых КДУ, отвечающим требованиям структурного подхода.
Выполнение задач орбитального маневрирования МКА оптимальным образом требует исследований как по структурному построению многоцелевых аммиачных двигательных установок, так и теоретических и экспериментальных исследований по способам их запуска («холодный» и «горячий» запуск) с учетом различного энергопотребления.
Используемый в практике создания спутниковых платформ методологический многоцелевой подход основан на использовании метода гарантированного результата. Основной недостаток этого метода заключается в том, что в результате формируются постоянные проектные и структурные параметров платформы, приводящие к параметрической и структурной избыточности МКА при решении заданного диапазона целевых задач, кроме наиболее «напряженной».
Предлагаемый методический подход основан на том, что для получения оптимальных решений для всего диапазона целевых задач предлагается использовать метод структурного проектирования, предусматривающий формирование базовых и комплектующих структур спутниковой платформы для МКА.
 

 

Результаты исследования

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 ЭТМД при решении различных целевых задач, учитывающие функциональное взаимодействие аммиачной КДУ и служебных систем МКА;
Разработана методика формирования требований к КДУ с аммиачными ЭТМД 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 МСП, основанные на многоцелевых методах проектирования (метод структурного проектирования, метод гарантированного результата);
Разработана методика формирования требований к КДУ с аммиачными ЭТМД; 
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 (ЭКД) на ЭТМД и изготовлен испытательный стенд.
Разработана  программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных ЭТМД с энергопотреблением до 60 Вт различной конструкции и изготовлены экспериментальные ЭТМД.
Проведены исследовательские испытания электротермических микродвигателей различной конструкции.
Проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96 в части ЭТМД. 
Проведён аналитический обзор конструктивных особенностей спутниковых платформ, аппаратному построению, решаемым задачам МКА массой 70-120 кг. 

Разработаны методы проектирования аммиачных КДУ с ЭТМД для МПС МКА  широкого массового ряда. 
Определены габаритно-массовые характеристики КДУ, их проектно-конструктивные параметры и различные схемы сопряжения с МКА для формирования требований к отсеку размещения КДУ в МКА. Разработаны математические модели КДУ с ЭТМД различной конструкции. Определены потребные запасы топлива, количества включений КДУ для различных схем запуска, габаритно-массовых характеристик, проектно-конструктивных параметров и различных схем сопряжения с МКА для формирования требований к отсеку размещения КДУ в МКА. Разработана ЭКД на экспериментальный образец аммиачной КДУ для наноспутниковой платформы. Разработан проект ТЗ на проведение ОКР по теме "Разработка аммиачной корректирующей двигательной установки с электротермическими микродвигателями для малого космического аппарата»

 

 

Практическая значимость исследования
Проект ориентирован на создание современных маневрирующих МКА с аммиачными корректирующими двигательными установками (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.
в) 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.
Описание областей применения планируемых результатов и описание практического внедрения планируемых результатов, перспективы 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, в т.ч. МКА «Угатусат» и МКА в интересах ПО «Полет» -филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева».
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.
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.