ПЕРСПЕКТИВЫ ТЕРМОВАКУУМНОЙ ОТРАБОТКИ МАЛЫХ И СВЕРХМАЛЫХ АВТОМАТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

PERSPECTIVES THERMAL VACUUM TESTING SMALL AND ULTRA-SMALL AUTOMATIC SPACECRAFT

Grigory Regotov

2nd category engineer, JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems,

Russia, Zheleznogorsk

АННОТАЦИЯ

За счет миниатюризации электронной компонентой базы сверхмалые искусственные спутники Земли с каждым годом представляют все больший интерес.  В статье кратко описаны наиболее популярные и перспективные форматы малых спутников, а также представлена концепция проведения термовакуумных испытаний таких аппаратов с учетом их преимуществ и недостатков.

ABSTRACT

Due to the miniaturization of electronic component base ultra-small artificial satellites every year are all the more interesting. The article briefly describes the most popular and promising formats of small satellites, as well as introduces the concept of thermal vacuum testing of such spacecraft in accordance with their advantages and disadvantages.

Ключевые слова: микроспутники; наноспутники; пикоспутники; CubeSat; термовакуумные испытания.

Keywords: microsatellites; nanosatellites; picosatellites; CubeSat; thermal vacuum tests.

Тенденции последних лет таковы, что доля искусственных микро-, нано- и пикоспутников среди общего количества автоматических космических аппаратов, отправляемых на околоземную орбиту, неумолимо растет. Так, широкое распространение получил формат спутников CubeSat. Такой формат подразумевает форму спутника в транспортировочном состоянии в виде куба 10х10х10 см, именуемого юнитом (Unit), также есть несколько увеличенных форматов, по своим размерам кратных одному юниту и составляющих 2, 3, 6 и 12 юнитов. Все форматы CubeSat показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Типовые размеры спутников формата CubeSat.

К преимуществам CubeSat относят относительно невысокую стоимость изготовления и запуска (от 20000 долларов за запуск одного юнита) такого аппарата, отсутствие необходимости проектирования и изготовления адаптера к разгонному блоку – кубсаты просто помещаются в стандартизованные боксы. Также известна разновидность таких спутников под названием PocketQube. Она обладает стандартными габаритами в 5х5х5 см, что позволяет установить ее вместе с еще 7 такими же по формату спутниками в 1 юнит CubeSat, что в свою очередь сводит стоимость запуска такого пикоспутника всего до нескольких тысяч долларов. Пример PocketQube показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Спутник формата PocketQube

Помимо кубсатов и им подобных аппаратов на данный момент активно развиваются системы глобального спутникового интернета, заключающиеся в развертывании на низких орбитах сети из малых спутников связи, охватывающей территорию практически всей Земли.

За границей построением такой системы под названием Starlink занимается американская компания SpaceX, планирующая вывести к середине 2020-х годов практически 12000 тысяч спутников на орбиты от 340 до 1150 км. На данный момент выведено 60 таких экспериментальных спутников. Вес каждого такого аппарата составляет 227 кг. К преимуществам Starlink можно отнести большую плотность аппаратов и запуск с помощью собственных ракет-носителей, что существенно ускорит и удешевит запуск всей системы на полную мощность.

Не менее перспективна британская планируемая группировка спутников OneWeb, которая по планам должна насчитывать в своем составе порядка 700 низкоорбитальных (от 800 до 950 км) космических аппаратов, каждый из которых весит чуть менее 150 кг. На сегодняшний день на орбите функционирует 6 тестовых спутников.

Отечественным аналогом описанных выше систем является проект глобальной спутниковой связи «Сфера», который заключается в запуске порядка 640 космических аппаратов. На данный момент предполагается применение для этого спутников «Гонец-М1» [1], обладающих массой в 260 кг.

Рисунок 3. Космический аппарат «Гонец-М1»

Востребованность нано- и пикоспутников для широкого рынка, а также предстоящий бум, обусловленный стремительным производством и множественными запусками глобальных группировок малых космических аппаратов систем «Starlink», «OneWeb» и «Сфера», определяют требования к надежности систем таких аппаратов, для обеспечения которой необходимо проведение спектра работ по наземной экспериментальной отработке. Одним из основных видов отработки являются термовакуумные испытания, призванные отработать тепловые схемы космических аппаратов, проверить функционирование в условиях, близких к летным, а также подтвердить качество изготовления элементов их конструкции.

Термовакуумная отработка малых и сверхмалых космических аппаратов должна включать в себя имитацию вакуума, условий «холодного черного космоса», излучения Солнца в видимом спектре, а также, в виду малых орбит функционирования, следует имитировать инфракрасное излучение Земли, как собственное, так и переотраженное.

В случае с тяжелыми космическими аппаратами проведение испытаний с имитацией динамической засветки аппарата не видится возможным в полной мере, т.к. для этого необходим специальный поворотный стенд, размещаемый внутри термобарокамеры, на который устанавливается непосредственно само отрабатываемое изделие. Подобное устройство крайне дорого в изготовлении и в обслуживании, а также занимает большой полезный объем термобарокамеры. Поэтому динамику изменения засветки аппарата оценивают проведением компьютерного моделирования, верифицируемого стационарным состоянием, достигнутым в ходе проведения термовакуумных испытаний, что гораздо дешевле, однако, вносит некоторую погрешность в чистоту полученных в ходе такого численно-экспериментального исследования данных.

Малые, и особенно, сверхмалые спутники лишены этой громоздкости и массивности, что может позволить использовать небольшие термобарокамеры с применением малых поворотных стендов. При одновременном применении численного моделирования и термовакуумной отработки с имитацией динамики засветки космического аппарата будут получены более чистые экспериментально-расчетные данные, которые позволят пересмотреть текущие тепловые схемы таких спутников с целью их более рационального проектирования, что может отразится в конечном итоге на повышении надежностных характеристик при уменьшении массы и габаритов подобных спутников, что позволит в свою очередь выводить на орбиту большее количество спутников в ходе одного запуска и, соответственно, уменьшить стоимость запуска одного спутника.

Список литературы:

1. «Гонец-М1» обеспечит связью систему «Сфера» [Электронный ресурс] // - Режим доступа: https://ria.ru/20180628/1523574892.html/ (Дата обращения: 15.07.2019)