Техническое обслуживание космических аппаратов на орбите

1.

Кафедра 611Б «Системный анализ и
проектирование космических
систем»
Современные проблемы анализа и синтеза
космических систем
Тема 3.
Техническое обслуживание космических
аппаратов на орбите
дтн, снс Клюшников В.Ю.
(ЦНИИ машиностроения)

2.

Вызовы, требующие перехода к обслуживаемому космосу
Осознание обслуживания технических
и технологических объектов на
планетах и телах Солнечной системы
как магистрального пути развития
космонавтики
Низкая надежность
вывода КА на переходные
орбиты и отлетные
траектории. Частые сбои в
работе целевой
аппаратуры
Нерациональное
использование платформ
КА вследствие более
низких сроков активного
функционирования и
морального старения
целевой аппаратуры
Отработка
средств и
технологий
обслуживания
Восстановление
работоспособности и
обеспечение
надежного
вывода КА
Своевременная
замена морально
устаревшей или
исчерпавшей
ресурс ЦА
ОБСЛУЖИВАНИЕ
КА
НА ОРБИТАХ
Ускоренное
развитие
перспективных
направлений,
оптимизация
структуры
КА и их ОГ
Увеличение
сроков
использования
КА, повышение
эффективности
их использования
Снижение
массы, выводимой в космос, увод
или утилизация КА
и их элементов,
не подлежащих
восстановлению
Развитие факторов, обеспечивающих
эффективность обслуживания
(возможность улучшения
баллистической структуры ОГ,
усиление тенденций унификации
приборов и комплексирования задач,
успехи робототехники)
Необходимость снижения
затрат и повышения
эффективности
использования
космического
пространства
Необходимость
ограничения роста
засоренности
космического
пространства
1

3.

Реализация парадигмы обслуживаемого космоса: принципиально новые
задачи использования космического пространства
Заправка космических аппаратов компонентами топлива, хладоагентами,
другими расходуемыми сыпучими материалами, жидкостями и газами с целью
продления ресурса их работы
Обслуживание космических аппаратов, замена или ремонт отдельных
блоков, модулей, приборов и систем с целью продления их технического
ресурса или восстановления работоспособности
Замена морально устаревших блоков, модулей, приборов и систем с целью
повышения эффективности решения целевых задач
Замена или дополнительное оснащение комплексной целевой аппаратуры с
целью решения новых задач
Утилизация КА
Обслуживание и заправка космических аппаратов, многоразовых
межорбитальных буксиров и разгонных блоков на низкой околоземной орбите
с последующим их запуском на геостационарную орбиту и на отлетные
траектории с целью повышения надежности и эффективности процессов
выведения
2

4.

3
Проблемные вопросы обслуживания в космосе
1
ТЕХНИЧЕСКИЕ
инспекция КА, определение
его текущего физического и
юридического статуса
маневры вблизи некооперируемого
объекта в автономном режиме,
подготовка к операциям
обслуживания
стыковка и обеспечение
контроля над КО
обеспечение взаимодействия с КО,
проведение операций по его
обслуживанию и ремонту
управление комплексом
обслуживаемый КО обслуживающий КА
увод (снятие) КО с орбиты и
затопление (захоронение) в
безопасном районе
2
ПОЛИТИЧЕСКИЕ
двойственность
технологий
возможность вывода
из строя КА других стран
возможность дестабилизации
международной обстановки
перенос гонки вооружений
в космос
полная открытость и
прозрачность работ
3
ЮРИДИЧЕСКИЕ
идентификация космического объекта
как элемента космического мусора
получение у владельца КО
разрешения на работу с ним,
в случае если объект представляет
угрозу для других КА
раскрытие новизны технологий
при необходимости следовать
принципу максимальной открытости
и прозрачности миссий по
орбитальному обслуживанию КО
внедрение международного
«Кодекса поведения в ОКП»,
обеспечение безопасности и
страхование миссий
по обслуживанию КО

5.

ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ
ОРБИТАЛЬНЫХ ГРУППИРОВОК
Вызовы
4
ПРОГНОЗ ЗАПУСКОВ РОССИЙСКИХ РН
В ПЕРИОД 2011-2040 ГОДОВ
Сог – 1800
млрд. руб.
Сог – 700
млрд. руб.
годы
годы
Прогнозируется рост количественного состава орбитальных группировок отечественных КА с
темпом 5-6 КА в год и насыщением после 2040 года
с достижением после 2050 года
общего количества более 320 КА
Тонн
В рассматриваемый период прогнозируется изменение
запусков от 35 до 50 КА в год
СТАРТОВЫЙ ГРУЗОПОТОК
(ГРАЖДАНСКИЙ)
Тонн
интенсивности
ДИНАМИКА ГРУЗОПОТОКОВ
ПО ТИПАМ ОРБИТ
Прогнозируется возрастание суммарного веса полезной нагрузки, ежегодно
выводимой в космос, с 90 тонн в 2011 году до 210 тонн в 2030 году
К 2030 году прогнозируется почти двукратное возрастание стартового
грузопотока с 7 тыс. тонн в 2011 году до 14 тыс. тонн к 2030 году
годы
годы

6.

Вызовы
5
Прогноз использования РН и РБ в период до 2040 года
(среднегодовая интенсивность запусков)
2011-2015 гг.
2016-2020 гг.
2021-2025 гг.
2026-2030 гг.
2031-2035 гг.
2036-2040 гг.
РН Протон
РН Ангара-А5
РН Зенит
РН Союз
РН Союз-2
РНСТК
РН Рокот
РН Ангара-1.2
РН Союз-1
РБ ДМ
РБ Бриз-М
РБ Фрегат
РБ КВТК
МОБ ПК, ТГ
10
10
3
6
2
16
1
9
6
14
6
15
6
17
6
16
8
1
13
3
9
6
1
6
10
10
2
6
11
7
10
2
6
9
1
15
5
3
6
11
3
6
11
3
5
9
7
6
1
12
5
3
9
6
6
Всего РН
42
44
40
37
47
46
легкого класса
среднего класса
тяжелого класса
сверхтяжелого класса
Всего РБ
5
27
10
8
24
12
8
22
11
26
28
30
9
14
14
1
26
9
19
15
3
32
8
15
17
6
30
М топлива верхней ступени (т)
1881
2049
1776
1934
2707
3199
6
8
13
4
В рассматриваемый период прогнозируется ежегодное использование при выведении КА
до 6 разгонных блоков и до 9 третьих ступеней РН

7.

Вызовы
6
Весовая отдача РН при выведении КА
%
5
Э= МПГ /М
Выведение
на НОО
4
РН-СВТК
МПГ - 125 т
4,0
РН-ТК
МПГ - 50,0 т
Ангара
Протон-М
Союз 2-3
3
3,0
Зенит
3,1
3,45
3,16
2,9
2
Выведение
на ГСО
1
ЛК
0,87
341
М , т
0,39
0,38
80
0,76
0,65
0,53 0,58
500
463
702
1000
773
1500
2000
2500
3000
1450
Весовая отдача РН весьма низкая (до 3-4% для выведения на НОО и до 0,7% при выведении на ГСО) и существенно растет при переходе
от РН легкого класса к РН тяжелого класса (для выведения КА на низкие орбиты с ~1% до ~3,5%). Увеличение грузоподъемности РН с 50
до 125 тонн повышает весовую отдачу всего на 0,5% при выведении на НОО и на 0,01% при выведении на ГСО

8.

7
Вызовы
Прогноз роста засоренности космического пространства
35
30
25
20
15
ОБЛАСТЬ НОО
1 - не предпринимается никаких мер по
предотвращению засорения ОКП
2 - увод 90% заканчивающих
функционирование КА, РН, РБ
3 - полный отказ от дальнейших запусков
1
2
3
10
5
0
1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 2110
Уменьшение отечественной орбитальной группировки на 100 КА (за
счет ее орбитального обслуживания) приводит к снижению
возрастания числа фрагментов КМ размером более 10 см в НОО на
2% на интервале 50 лет
Основные требования к сервисным КА по уводу КМ:
-выполнение операций по уводу из защищаемых зон ОКП
крупных фрагментов КМ (отработавших КА, РН, РБ);
-дозаправка заканчивающих функционирование изделий РКТ для
их увода из защищаемых зон ОКП.
Количество столкновений в год (КО 10 см)
Количество столкновений в год (КО 10 см)
Прогноз засоренности
Рост числа фрагментов КМ размером более 10 см и их
столкновений будет происходить даже при полном прекращении
космической деятельности за счет цепной реакции саморазмножения
КМ: на (30- 50)% к 2020 году и на (150- 200 )% к 2040 году.
50
ОБЛАСТЬ НОО
40
1 - Без увода отработавших КА, РН, РБ
2 - Увод двух отработавших КА, РН, РБ в год
3 - Увод пяти отработавших КА, РН, РБ в год
1
2
30
20
3
10
0
2010
2030
2050
2070
2090
2110
2130
2150
2170
2190
2210
Регулярный увод до 5 отработавших КА, РН, РБ в год из зоны НОО
приведет к снижению возрастания числа фрагментов КМ
размером более 10 см и их столкновений в НОО ОКП на 25 % на
интервале 50 лет.
Таким образом:
•Техногенное засорение ОКП, даже при принятии всех возможных мер по предупреждению образования КМ, в среднесрочной перспективе будет возрастать вследствие эффекта
саморазмножения КМ.
•Уменьшение отечественной орбитальной группировки КА на 100 КА (за счет орбитального обслуживания) практически не влияет на состояние техногенного засорения ОКП в
области НОО.
•Увод с использованием сервисных КА 2-5 крупных фрагментов КМ (отработавших КА, РН, РБ) из области НОО на интервале 50 лет приведет к заметному снижению возрастания
КМ.
•Увод отработавших изделий РКТ с ГСО с целью снижения техногенного засорения этой области ОКП необходим и является одной из приоритетных задач орбитального
обслуживания ОКП.

9.

Критериальная база оценивания целесообразности перехода к
обслуживаемому космосу
Критерий 1. "Структурная целесообразность"
"Снижение среднегодовой стартовой (С Земли) массы (МСТ) ракет-носителей,
обеспечивающей поддержание орбитальной группировки КА на требуемом уровне
эффективности (РТР)"
МБО
(РТР ) МОСТ (РТР )
СТ
Критерий 2. "Технологическая целесообразность"
«Готовность ключевых технологий, необходимых для реализации процессов
обслуживания"
Т
Т
ψi (t) PТР для всех i 1,I , где
0
I – количество ключевых технологий
Ψi – плотность распределения вероятного времени реализации
i-той ключевой технологии
Критерий 3. "Экономическая целесообразность"
"Соответствие затрат на реализацию ключевых технологий и создание обслуживаемых и
обслуживающих систем финансовым ограничениям"
CΣT (t) CΣCP (t) CДОП (t)
, где
t 1, T0 , T0 – момент начала обслуживания
8

10.

9
«Структурная целесообразность». Дорожная карта развития ОГ КА
ОБЛАСТНАЯ СТРУКТУРА
КЛАСТЕРНАЯ СТРУКТУРА
ИНТЕГРИРОВАННАЯ СТРУКТУРА
Принцип: группирование КА
по областям
Принцип: группирование КА
по орбитам
Принцип: максимально возможное
комплексирование задач на одном КА
nКА= 200 шт.
Н = 400 ÷ 36000 км,
точка либрации L2
Область средневысотных
орбит
Н ≈ 20000 км
I ≈ 63 65
Ω ≈ 0 180
Область солнечносинхронных орбит
Н ≈ 400 800 км
I ≈ 98 100
Ω ≈ 0 180
Область отлетных и
переходных на
геосинхронные
орбиты траекторий
Ноп ≈ 300 км
I ≈ 51
Ω ≈ 0 180
nКА= 280 шт.
Н = 500 км; 20000 км; 36000 км,
точка либрации L2
Кластер КА
связи, вещания, ретрансляции
и метеонаблюдения
на геостационарной орбите
nКА= 60 шт.
Н = 500 км; 20000 км; 36000 км,
точка либрации L2
Кластер КА для ФКИ
в точке либрации L2
Кластеры КА навигации
на средневысотных
орбитах
L2
КЛ2
КЛ1
Область высокоэллиптических орбит
Нп ≈ 500 км
На ≈ 40000 км
I ≈ 65
Ω ≈ 0 180
Кластеры КА метеонаблюдения
на солнечно-синхронной орбите
(средний ярус)
ФИКСИРОВАННАЯ СВЯЗЬ
Область низких
орбит
Н ≈ 200 400 км
I ≈ 51 90
Ω ≈ 0 180
Кластеры КА
высокодетального
наблюдения
на солнечно-синхронной
орбите
(нижний ярус)
Область
геосинхронных орбит
Н ≈ 36000 км
I ≈ 1
Ω ≈ 0 180
Критерий построения –
максимальная
эффективность
решения конкретной
задачи
КЛ11
Обслуживающие станции
на низких орбитах
Многоцелевые КА:
геодезия;
навигация;
метеонаблюдение;
обзорное наблюдение;
подвижная связь;
широкополосный радиодоступ
Критерий построения –
минимальные затраты
на решение основного
комплекса задач за счет
обслуживания и
максимально возможного
комплексирования задач
на борту одного КА
Критерий построения –
минимальные затраты
на решение основного
комплекса задач за счет
обслуживания
2020 г.
2030 г.
10
2040 г.

11.

10
Баллистические ограничения
Затраты характеристической скорости ∆VX для изменения фазового положения КА на 360° от времени
∆Vx , м/сек
НКР = 200 ÷ 1200 км
∆ϕ = 360°
t, сут
Устранение фазового рассогласования в положениях обслуживающего и обслуживаемого КА, орбиты которых
находятся в одной плоскости, даже при максимально-возможном угле расфазировки (до 360°), требует умеренных
затрат характеристической скорости (∆Vx). Так, при времени фазирования более 1 суток в области низких орбит
∆Vx не превышает 200 м/сек.
Для более высоких орбит эти затраты будут снижаться пропорционально снижению величины круговой
скорости

12.

11
Баллистические ограничения
Прецессия орбиты КА и возможности ее использования для совмещения плоскостей обслуживающего и
обслуживаемого КА с одинаковым наклонением
ПРЕЦЕССИЯ – поворот плоскости орбиты вокруг земной оси за счет несферичности Земли
Угловая скорость прецессии (
)
где
r зэ– радиус экватора Земли;
i – наклонение плоскости
орбиты;
a – большая полуось орбиты;
e – эксцентриситет
Прецессия орбиты
10
320
8
640
6
B
Орбита
спутника
Экватор
Зависимость скорости
прецессии от наклонения
(i) и высоты орбиты КА (Н)
Н, км
, град.
, град/сут
51,6
5,3
98
0,9
51,6
4,3
98
1,2
51,6
3,3
98
1,5
2560
51,6
2,3
5120
51,6
1,3
S
320
1280 км
4
640
2
1280
0
Плоскость
экватора
0
i
Скорость вращения в сутки
r
cos(i )
( / сут ) 9,97( зэ ) 3 , 5
,
а
(1 e 2 ) 2
N
20
40
60
80
Наклонение орбиты к экватору
i, град
Скорость прецессии зависит от наклонения орбиты и ее
высоты и может составлять до 8,5 градусов в сутки для
квазиэкваториальных орбит высотой ~300 км.
С увеличением высоты и наклонения скорость
прецессии резко уменьшается. Так, для низких орбит с
наклонением 51,6º она не превышает 5,3 град/сут, а для
солнечно-синхронных орбит – не превышает 1,3 град/сут.
В области средневысотных и геостационарной орбиты –
она практически ничтожна

13.

Кластеры КА отечественной орбитальной группировки
Кластер КА
связи, вещания, ретрансляции
и метеонаблюдения
на геостационарной орбите
Кластеры КА навигации
на средневысотных
орбитах
12
Кластер КА для ФКИ
в точке либрации L2
и в области Луны
L2
КЛ2
КЛ1
Кластеры КА метеонаблюдения
на солнечно-синхронной орбите
(средний ярус)
Обслуживающие станции
на низких орбитах
Кластеры КА
высокодетального
наблюдения
на солнечно-синхронной
орбите
(нижний ярус)
КЛ11
В период до 2030 года в интересах повышения эффективности обслуживания КА отечественная орбитальная группировка может быть
объединена в одиннадцать кластеров. КА каждого кластера должны находиться на одной орбите

14.

Классификация и реализуемость схем обслуживания КА в области низких орбит
для пространственной структуры построения ОГ
Классификатор
по типу
базирования
На орбите
На орбитальной
станции
по схеме
обеспечения
по наличию
экипажа
по количеству
обслуж-х КА за один
вылет
по типу выполняемых
операций обслуж-я
Удельный импульс
двигателя, с
с Земли
автоматические
несколько КА
заправка + ТО
2500*
2030÷2040
с орбитальной
станции
автоматические
несколько КА
заправка + ТО
2500*
2030÷2040
без обеспечения
автоматические
один КА
заправка + ТО
1000*
2025÷2030
несколько КА
заправка + ТО
2500*
2030÷2040
одноразовые
без обеспечения
автоматические
один КА
заправка + ТО
700*
2025÷2030
несколько КА
заправка + ТО
2500*
2030÷2040
многоразовые
с орбитальной
станции
пилотируемые
несколько КА
ТО
10000*
после 2040
автоматические
несколько КА
заправка + ТО
2500*
2030÷2040
одноразовые
без обеспечения
автоматические
один КА
заправка +ТО
310
несколько КА
заправка +ТО
2500
один КА
заправка + ТО
310
несколько
заправка +ТО
1000
один КА
ТО
310
несколько КА
ТО
10000
один КА
заправка +ТО
310
несколько КА
заправка +ТО
1000
2025÷2030
несколько КА
ТО
1000
2025÷2030
по кратности
использования
многоразовые
автоматические
без обеспечения
На Земле
пилотируемые
многоразовые
с Земли
автоматические
пилотируемые
Возможность
реализации, годы
2030÷2040
2025÷2030
после 2040 г.
* Средний угол поворота плоскости орбиты при перелете к обслуживаемому КА принят равный 90
ВЫВОД: в период до 2030 года в области низких орбит возможно обслуживание лишь одиночных КА
из положения старта с Земли
- схемы, реализуемые уже в настоящее время
13

15.

Перспективы создания систем орбитального обслуживания
космических аппаратов связи и ретрансляции
Финансовый профиль эксплуатации КА связи
Денежный поток
Вывод:
продление ресурса КА (заправка)
обеспечивает для владельца КА:
•продление периода получение дохода
от эксплуатации КА;
•повышает рентабельность операторской
деятельности;
•возможность увеличение периода
капитальных вложений;
•дает дополнительные варианты при
принятии решения о заказе нового КА.
Доли рынка крупнейших операторов спутниковой связи
№ пп
Оператор
Intelsat
SES
Eutelsat
Telesat
Sky Perfect Jsat
Arabsat
Yahsat
Thaicom
Chinasat
Hispasat
ГПКС
Доход с продаж, млрд.дол.
2013
2014
2,64
2,56
1,79
0,838
0,595
0,341
0,05
0,267
0,23
0,278
0,176
2,47
2,33
1,65
0,764
0,446
0,35
0,285
0,267
0,26
0,247
0,23
% роста
-6,44%
-8,98%
-7,82%
-8,83%
-25,04%
2,64%
470,00%
0,00%
13,04%
-11,15%
30,68%
14
Кол-во
спутников на
орбите
58
54
39
11
17
7
2
5
10
7
15
Кол-во
спутников в
заказе
4
10
5
2
3
4
1
0
2
3
1

16.

Оценка востребованности орбитального обслуживания
Год
Количество КА САС которых
завершается
2017
14
2018
14
2019
13
2020
11
2021
22
2022
14
2023
20
2024
23
2025
19
2026
21
2027
24
2028
15
2029
20
2030
21
2031
11
1.В пределах САС и эксплуатируются 276
коммерческим операторам космической связи.
КА
15
принадлежащие
2.Основная причина ограничивающая САС (ресурс) КА - ограниченные
запасы рабочего тела (топлива) ДУ.
3.Количество потенциальных заказчиков задач по продлению ресурса
(заправку) от 6 до 11 в год.

17.

Научно-технический задел отечественной ракетно-космической промышленности
16
Требования к средствам орбитального обслуживания
1. Задача орбитального обслуживания должна решаться специализированным космическим
комплексом.
2. КА орбитального обслуживания должен выполнять действия, направленные на
восстановление характеристик обслуживаемого КА или на выполнение любых других действий в
отношении объекта на околоземной орбите, в т.ч.:
• восполнение бортовых запасов топлива;
• инспекция орбитальных объектов;
• реализация функции орбитального буксира, в том числе для увода на орбиту захоронения не
эксплуатируемых КА;
• другие задачи.
3. Объектом орбитального обслуживания может быть как управляемый, так и неуправляемый
(неисправный, неэксплуатируемый) КА.
4. Решение всех задач орбитального обслуживания предполагает максимально близкое
сближение космических аппаратов включая стыковку КА.
5. Специализированные сервисные КА должны обеспечивать многократное выполнения полного
цикла миссии обслуживания.
Оценка реализуемости создания КА орбитального обслуживания (заправщика) на базе платформы КА для ГСО разработки АО «ИСС»
(оценки АО «ИСС» и компании MDА (Канада)
Сервисный КА для функционирования на ГСО должен создаваться на базе платформы КА связи для геостационарной орбиты по следующим причинам.
- наличие ресурсов (энергетических, механических интерфейсов) для размещения полезной нагрузки сервисного КА;
- высокий достигнутый ресурс платформ для КА связи;
- идеология модульного построения КА, платформ, систем, практическое внедрение стандартизованных внешних и внутренних интерфейсов КА;
- опыт обеспечение коллокации двух и более КА в одной орбитальной позиции с использованием ЭРДУ;
- практически подтвержденная технология радионавигации по навигационному полю систем ГЛОНАСС и GPS;
- диапазон обеспечиваемой мощности системы электропитания от 11,5 до 25 кВт (проработаны варианты форсирования до 34 кВт);
- системы терморегулирования с производительностью в диапазоне от менее 3,5 до 10,0 кВт (проработаны варианты форсирования до 14 кВт);
- диапазон масс размещаемых полезных нагрузок от 500 до 1100 кг (проработаны варианты увеличения до 2500 кг);
- конструктивно-силовые схемы, обеспечивающие создание в составе КА приборных отсеков для размещения оборудования полезной нагрузки с линейными размерами 5 м в
длину и 2,5 м в поперечнике;

18.

Миссия сервисного космического аппарата
Стадия 1. Перевод сервисного КА в орбитальную плоскость.
В этой стадии обеспечивается расположение плоскости орбиты сервисного КА в плоскости орбиты обслуживаемого КА или близко к ней.
Стадия 2. Фазирование.
Уменьшение фазового угла - угла между радиус-векторами сервисного КА и обслуживаемого КА до заданной стабильной величины.
Стадия 3. Сближение.
Сближение - переход в точку начала режима стыковки два этапа:
- сближение в дальней зоне (до сотен метров);
- сближение в ближней зоне.
Стадия 4. Стыковка или захват.
Сближение до расстояния между двумя КА близкому к нулю, стыковка.
Стадия 5. Выполнение целевой задачи.
Стадия 6. Расстыковка.
Базовыми и критическими технологиями для систем орбитального обслуживания являются следующие:
• технология локальной навигации сервисного КА относительно обслуживаемого КА на базе оптической камеры;
• технология реализации телеоператорного режима в реальном масштабе времени.
Предпосылки создания базовых технологий орбитального обслуживания
Технология локальной навигации сервисного КА относительно обслуживаемого КА на базе оптической камеры, реализующей функцию
технического зрения.
Прототипом такой камеры могут служить приборы СЛС (изделие 101C) и СЛТ (изделие 359К) работы по которым ведутся в «НПП «ГеофизикаКосмос» по ТЗ АО «ИСС».
Технология телеоператорного режима в реальном масштабе времени.
Технология должна быть создана на базе отечественных разработок по высокоскоростным линиям радиосвязи Космос-Земля-Космос.
Необходимо создание телекамер космического исполнения и соответствующего математического обеспечения (бортового и НЕСУ) для реализации
функции выбора «стыковочного узла» на обслуживаемом КА.
Вывод: Предоставление услуг орбитального обслуживания космических аппаратов связи и
ретрансляции - потенциально рентабельный бизнес.
17

19.

Концепция хранения криогенных компонентов на орбите
(United Launch Alliance, США)
Конический теплозащитный
экран, раскрываемый на орбите
Защита бака с криогенным
топливом от солнечного
излучения за счет изменения
ориентации теплозащитного
экрана
18

20.

Результаты тепловых расчетов
При расчетах учитывались основные
источники
теплового
излучения:
Солнца,
Земля,
электронное
оборудование, а также
тепловые
свойства топливного бака-хранилища
криогенных компонентов
Результаты
предварительных
расчетов,
показали, что достаточно простая конструкция
бака
позволяет
обеспечить
длительное
пассивное хранение криогенного топлива с
потерями от испарения менее чем 0,1% в день
с возможностью дальнейшего их снижения.
19

21.

Концепция экспериментальной платформы CRIOTE
(CRYogenic Orbital TEstbed)
Криогенная
испытательная
платформа (CRYOTE, компания
ULA, - United Launch Alliance)
предназначена для исследования
и отработки технологий хранения
и заправки криогенного топлива в
космосе. Платформа выводится в
качестве
дополнительной
полезной нагрузки.
Для проведения экспериментов
используются
невыработанные
остатки жидкого водорода в
ступени
(разгонном
блоке)
«Центавр» одноразовой РН.
20

22.

Схема выведения на орбиту платформы CRYOTE и имитации
заправки водородом
21

23.

22
Система обслуживания МКС корабли «Союз» И «Прогресс»
ПОИСК
(Малый исследовательский
модуль) (МИМ-2)
ЗАРЯ
(функционально-грузовой блок)
Союз ТМА-10М
(транспортный корабль)
26.09.13г.
ЗВЕЗДА
(Служебный модуль)
Прогресс М-21М
(грузовой корабль)
30.11.13г.
ПИРС
(стыковочный отсек -СО1)
Прогресс М-20М
(грузовой корабль)
28.07.13г.
DESTINY
(LAB)
Союз ТМА-11М
(транспортный
корабль)
7.11.13г.
КОРАБЛЬ «СОЮЗ ТМА-М»
COLUMBUS
(ESA)
РММ
(многоцелевой модуль)
РАССВЕТ
(Малый исследовательский модуль)
(МИМ -1)
КОРАБЛЬ «ПРОГРЕСС М-М»

24.

Система дозаправки ТГК «Прогресс-МС» СД4
23
1. Доставляемые компоненты топлива:
- горючее - несимметричный диметилгидразин от 62 до 310 кг;
- окислитель - азотный тетраоксид от 112 до 560 кг;
- газ для наддува баков, проверки герметичности и продувки магистралей - азот в шести баллонах (37±2 кг);
2. СД обеспечивает подачу каждого компонента топлива с расходом до 0,30 л/с в подсистему ДПО КДУ корабля (для
одновременной работы до 12 ДПО) и с расходом до 0,22 л/с в ОДУ станции. При этом давление компонентов топлива на входах в
ПДПО и в гидроразъемах СтА - от 14 до 21 кгс/см2.
3. Температура баков и магистралей системы дозаправки - от 0 до+30

25.

Анализ влияния атмосферы на движение орбитальных станций
Нср, км
500
450
Высотные характеристики орбит станций в интервале 1977-2003 гг.
Салют-6
Салют-7
Мир
МКС
400
350
300
250
200
yyyy
1977
yyyy
1982
yyyy
1987
yyyy
1992
yyyy
1997
год
yyyy
2002
Реальная интенсивность солнечной активности в интервале 1977-2003 гг.
F10.7 10-22, Вт м-2Гц-1
250
200
150
100
50
1977
21 цикл
1982
23 цикл
22 цикл
1987
1992
1997
2002
год
24

26.

Динамика высоты орбиты МКС и солнечной активности
420
410
400
390
380
370
360
350
340
330
320
310
300
290
280
270
260
250
Vx 50 м/с
Vx 124 м/с
2.5 г.
2.5 г.
Vx 48 м/с
2.5 г.
01.01.2015
01.01.2014
01.01.2013
01.01.2011
01.01.2010
01.01.2009
01.01.2008
01.01.2007
01.01.2006
01.01.2005
01.01.2004
01.01.2003
01.01.2002
01.01.2001
01.01.2000
01.01.1999
01.01.1998
01.01.2012
24 цикл солн. акт.
23 цикл солн. акт.
F10.7 10-22,
Вт м-2Гц-1
390
370
350
330
310
290
270
250
230
210
190
170
150
130
110
90
70
50
01.01.2016
Hср, км
25

27.

Обслуживание низкоорбитальных станций (Hcp ≈ 350÷500 км)
Особенностью обслуживания низкоорбитальных станций является постоянное тормозящее
влияние атмосферы.
Vx, м/с
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Затраты Vx на поддержание орбиты станции в течение года
в зависимости от высоты полёта и активности Солнца (F10.7)
∆Gт, кг
350
300
F10.7- max
Проектные затраты топлива
для изменения скорости на 1 м/с,
в зависимости от массы объекта
250
200
М≈130т
М≈300т
М≈500т
М≈800т
150
100
F10.7- min
50
300
350
400
450
500
Нср, км
0
0
М, т
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Показан возможный диапазон высот орбитального расположения станции в зависимости от ее
массы при ежегодных затратах топлива на поддержание орбиты порядка 3 тонн для
импульсного режима (двигатели большой тяги).
26

28. Основные технические характеристики КА «ОКА-Т» Обслуживаемый космический аппарат технологический

Основные технические характеристики КА «ОКА-Т»
27
Обслуживаемый космический аппарат технологический
Стартовая масса КА, кг
Высота орбиты функционирования, км
Объем ОЦПН, м3
Длительность автономного полета в цикле,
сутки
Количество циклов автономного полета в
год
7400
до 500
34
от 90
до 180
до 4
Орбитальный срок службы, лет
7
Электроэнергия для НА, кВт
5
Зона глубокого вакуума, Торр
до 10-12
Уровень микрогравитации, g
до 10-6
Ракета-носитель
«Союз-2»
этапа 1б
КА «ОКА-Т» предназначен для выполнения фундаментальных и прикладных научных исследований в космосе в условиях
невесомости и сверхглубокого вакуума, а также отработки базовых технологических процессов производства полупроводниковых,
оптических, биотехнологических материалов, эпитаксиальных гетероструктур и различных сплавов

29. Обслуживаемый космический аппарат технологический

Схема функционирования КА «ОКА-Т»
1
Запуск и выведение КА
«ОКА-Т», стыковка с РС
МКС
2
3
Выполнение
экипажем
МКС
операций по обслуживанию КНА:
Отстыковка и отход КА «ОКА-Т» от
МКС, формирование рабочей орбиты
для безопасного автономного полета по
отношению к МКС и осуществление
полета в автономном режиме
дооснащение КНА, выводимого в
составе КА «ОКА-Т» НА и ТО
перевод НА и систем КА в рабочее
положение
4
монтаж сменных элементов НА и
контейнеров с обрабатываемыми
материалами
Автономный полет КА «ОКА-Т»
поддержание параметров орбиты
тестовые включения и проверки НА
поддержание необходимой ориентации
После
обслуживания
производится
повторное последовательное выполнение пунктов
3 – 6 схемы функционирования.
Всего
за
время
эксплуатации в течение
7-ми лет планируется
реализация от 14 до 28
циклов
свободного
полета
КА
«ОКА-Т»
длительностью от 3-х до
6-ти месяцев каждый
Выполнение
экипажем
МКС
операций по обслуживанию КНА:
замена контейнеров с
обрабатываемыми материалами
замена сменных элементов НА
тестовые включения и проверки НА
дозаправку КА топливом при
необходимости
проведение технологических циклов
экспериментов в требуемых условиях
микрогравитации и вакуума в течение
времени от 3-х до 6-ти месяцев
6
5
Завершение
технологических циклов
экспериментов - старт КА
«ОКА-Т» с рабочей орбиты,
сближение и стыковка с
МКС
28

30. Обслуживаемый космический аппарат технологический

Функциональные и технические преимущества КА «ОКАТ»
Энергетика
Автоматические
МикрогравитаПараметры
ционные условия
уровень остаточных
микроускорений
не более 10-6 go
в течение не
менее 20 суток;
стабильность
направления
вектора остаточных
квазипостоянных
микроускорений
вдоль одной из
строительных осей
КА не более
± 0,5 град.
энергообеспечение
технологических
установок
(электропечей) до
5 кВт
Технологические
процессы
направленная
кристаллизация
молекулярнолучевая эпитаксия
зонная плавка
биокристаллизация
Приоритетные космические
эксперименты по получению:
остаточной
атмосферы
вблизи КА
средства
шлюзовой
камеры
сверхвысокий
вакуум до 10-12
мм рт.ст. в зоне
за защитным
экраном
выдвижение
научной
аппаратуры в
открытый космос с
последующим
возвратом НА в ШК
Технологическая среда
Обслуживание
периодическое
чередование
циклов свободного
полета КА с
циклами его
возвращения к
пилотируемой
станции и стыковки
с российским
сегментом МКС для
обслуживания КНА
микрогравитация
пониженная
оптическая
бликовость СВА
гетероэпитаксиальных
структур высокого качества
100 мм
однородных полупроводниковых
монокристаллов промышленных
размеров – до 75 мм
биокристаллов
дифракционного качества
зона сверхвысокого
вакуума
технология
сменяемых полезных
нагрузок
гибкое
планирование
регламентное
обслуживание ТО и НА
дооснащение и
переоснастка КНА
доставка результатов
КЭ на Землю
29

31.

Типы обслуживаемых орбитальных комплексов
Уникальные высокоресурсные ИСЗ
Космический телескоп «Hubble» (1990 - 2020 гг.)
масса, кг - 11000 ;
мощность, кВт - 2,4;
диаметр зеркала, м - 2,4;
стоимость, млрд. $ - 1,2
(1986) - 6,0 (1999)
выполнено 4 цикла
обслуживания
КА «Hubble» с сервисным
ИСЗ обслуживания
(проект)
Многоцелевой модульный
ИСЗ «MMS»
30

32. Основные характеристики и внешний вид КА «Спектр-М»

КК «Спектр-М» – «Миллиметрон»: перспективный КА для обслуживания –
сменный бак с жидким гелием для криосистемы космического телескопа
Основные характеристики и внешний вид КА «Спектр-М»
Наименование
Параметры орбиты
Непрерывность
наблюдений:
- в режиме одиночного
телескопа
- в режиме
интерферометра
Скорость передачи
информации на Землю
- научной
- командной
Массы КА
- на старте
- макс. заправка
топливом
Топливо ДУ КА
Срок активного
существования КА
32
Значение
Окрестности точки
либрации L2 с
максимальным удалением
от Земли на 1.8 млн. км и
выходом из плоскости
эклиптики на 660 тыс. км
до 20 ч
до 4 ч
2 канала по 256 Мбит/с
1 канал 32 Кбит/с
6350 кг
800 кг
Амилин + Гептил
10 лет, из них 3 года с
активным охлаждением
СЛАЙД ФГУП «НПО им.С.А.Лавочкина»,
31

33.

Уникальные информационные космические системы
1
2
3
№
Космический
аппарат
Масса, т
Диаметр
зеркала,
м
1
«Джеймс
Вебб»
6,2
6,5
2
«Гершель»
3,3
3,5
3
«Планк»
1,9
1,5
32

34.

Типы обслуживаемых орбитальных комплексов
Орбитальные компланарные группировки
1
2
3
4
1 – Геостационарная орбита. Высота орбиты
Н = 36000 км.
2 – Круговая орбита. Высота орбиты Н = 20000 км
(навигационные ИСЗ).
3 – Полярная круговая орбита. Высота орбиты
Н 1500 км (малые ИСЗ).
4 – Высокоэллиптическая орбита. Высота апогея
Нα = 36000 км.
Высота перигея Hπ = 400 км
(орбита типа КА «Молния»).
Российская геостационарная группировка спутников связи
3

35. Конструктивно-компоновочная схема малого КА «Серв-ИС» (предложения ЦНИЛ «АСТРА-МАИ»)

1 – корпус КА;
2 – диагностический головной блок;
3 – диагностический модуль;
4 – оптико-электронный блок
(дальнего наблюдения);
5 – системы питания, преобразования
и управления, хранения
и подачи рабочего тела ЭРДУ;
6 – панели солнечной батареи;
7 – привод вращения СБ;
8 – система ориентации
и энергоавтоматика;
9 – химическая батарея и блок
бортового радиокомплекса;
10 – тросовая система;
11 – узконаправленная
параболическая антенна БРК;
12 – блок двигателей СПД-50 ЭРДУ.
34

36. Транспортно-сервисный космический аппарат (предложения ЦНИЛ «АСТРА-МАИ»)

35
Транспортно-сервисный космический аппарат
(предложения ЦНИЛ «АСТРА-МАИ»)
Маршрут перелета
Вариант транспортной
системы
на базе ХДУ
на базе ЭРДУ
на базе ХДУ/
ЭРДУ (одноразовая)
на базе ХДУ/
ЭРДУ(многоразовая)
«Орбита ИСЗ – ГСО»
«Орбита ИСЗ – L1»
характерист.
скорость
Vхар ,
км/с
время
перелета
tпер, сутки
относит. масса
ПН
μпн
характерист.
скорость
Vхар ,
км/с
время
перелета
tпер, сутки
относит.
масса ПН
μпн
4,3 - 4,9
7,6 - 7,9
2,8 / 3,2*)
0,3 - 3,5
150-210
90 – 150
0,2 - 0,25
0,5 - 0,6
0,3 - 0,35
3,2 - 3,4
6,9 - 7,1
2,8 / 3,0*)
3,0 - 5,0
120-180
60 – 120
0,3 - 0,35
0,55 -0,65
0,35 -0,4
2,8 / 3,2*)
90 – 150
30 -50**)
0,28 - 0,33
2,8 / 3,0*)
60 – 120
20 -40**)
0,33 -0,38

37.

Дорожная карта решения задач по переходу к обслуживаемому космосу с учетом
ограничений бюджетного финансирования
1. Формирование
основных элементов
1. Создание
интегрированной
технологий
структуры
для
1. Придание КА
ОГ КА
утилизации КА,
на ГСО, в точках
производства,
либрации
2. Создание КК
элементов КА
и в околоземном
для обслуживания
и компонентов
пространстве
КА (замена
1. Разработка
топлива
свойств
отказавших,
основных технологий,
на орбитах
обслуживаемости
морально
технических решений
(Луне)
устаревших
и приборов,
2. Летная
блоков)
необходимых
2. Переход
отработка
на ГСО, в точках
для обслуживания
к полностью
и эксплуатация
либрации и
КА на орбитах
обслуживаемой
КК для удаления
окололунном
архитектуре ОГ
ТТТ и ТЗ на
КА с ГСО
пространстве
2.
Создание
создание
и наземная
ключевых
3. Создание КА
3. Создание
отработка
элементов
для
дозаправки
КК для
ключевых
системы
КА на ГСО,
обслуживания
элементов
обслуживания
в
точках
КА на среднекосмического
ТЗ на создание
космических
либрации и
высотных и
комплекса
сервисного КА
аппаратов
окололунном
низких
для
удаления
КА,
для удаления
на орбитах
пространстве
орбитах
выработавших
некооперируемых
ресурс,
с
ГСО
объектов с
геостационарной
орбиты
2016 год
2020 год
2025 год
2030 год
2035 год
2040 год
2050 год
36

38.

Производство низкокипящих (криогенных)
компонентов топлива в космосе
Лунный кислородный завод
(США)
Предложения Михальчука В.В. (организация «Энергообменные
технологии» )
37

39.

38
Перспективы дальнейшего развития технологий орбитального обслуживания
Обслуживание космических
объектов на орбите
Обьекты (элементы) производственной
космической инфраструктуры
Эффект
- хранилища ракетного топлива;
- заводы по производству компонентов топлива;
- космическая система технического
(сервисного) обслуживания и модернизации КА
на орбите;
- космическая система ликвидации
(утилизации) «космического мусора».
- солнечные электростанции;
- атомные электростанции
Ускорение развития космической
техники за счет возможности
модернизации КА в течение срока
активного существования.
Снижение стоимости эксплуатации
орбитальной группировки
Производство в космосе уникальных
материалов препаратов
- малогабаритные промышленные модули
Сборка на орбите сложных
крупногабаритных конструкций
- орбитальные доки
Получение веществ, производство
которых на Земле или невозможно, или
обходится дороже, чем в космосе
Отказ от средств выведения полезных
грузов на орбиту сверхтяжелого класса
Добыча и переработка минеральносырьевых
ресурсов
планет,
астероидов и других небесных тел
- космическая система разведки минеральносырьевых ресурсов;
- космическая грузовая транспортная система;
- космические комбинаты по добыче и
переработке минерально-сырьевых ресурсов
- крупные промышленные предприятия в точках
либрации;
- склады и хранилища сырья, комплектующих и
готовой продукции
Получение и распределение
электрической энергии в космосе
Массовое производство в космосе
различных видов продукции для
нужд космической отрасли
Повышение энерговооруженности
орбитальной группировки КА
Независимость космической
промышленности от земного сырья.
Решение проблемы истощения
невозобновимых ресурсов на Земле
Самодостаточность производственной
космической инфраструктуры
Перенос в космос ракетно-космической
промышленности
Технологические задачи