Скачать 168.5 Kb.
|
ТЗ Парус-МГТУ Лист Приложение 1: Научно-техническое обоснование космического эксперимента «Парус-МГТУ»
Космический эксперимент «Парус-МГТУ» является комплексным экспериментом, преследующим несколько целей. Во-первых, эксперимент направлен на освоение технологии развертывания крупногабаритных двухлопастных тонкопленочных космических конструкций, стабилизированных вращением (рис. 1). Освоение данной технологии позволит практически использовать солнечные паруса в качестве движителей, устанавливаемых на КА как альтернативу использованию ракетных двигателей, что позволит сводить с орбиты отработавшие КА без затрат рабочего тела, а также обогатит знания о динамике крупногабаритных космических конструкций. Эти знания имеют большое значение, например, для создания будущих систем космической связи, систем поддержания орбит космических солнечных электростанций на некеплеровых орбитах.
Во-вторых, эксперимент направлен на проведение летных испытаний бортовой аппаратуры разработанного в МГТУ им. Н.Э. Баумана сверхмалого космического аппарата (СКА), которая создана с широким применением электрорадиоизделий неспециализированного назначения. Успешные летные испытания позволят использовать созданный научно-технический задел в области производства бортовой электронной аппаратуры для других космических экспериментов на сверхмалых КА. В-третьих, эксперимент направлен на получение практического опыта разработки СКА студентами и аспирантами, занятыми в работе над проектом, также для подготовки демонстрационных и иных материалов для обогащения учебных курсов: «Проектирование КА», «Динамика конструкций КА» и др., методическими пособиями, демонстрационными материалами, лабораторными работами, затрагивающими спектр вопросов, решённых в ходе проектирования СКА. Успешное внедрение полученного опыта в учебный процесс позволит существенно повысить практическую составляющую образовательной компоненты учебных программ аэрокосмических специальностей. Проведение сеансов связи с СКА в радиолюбительском диапазоне частот позволяет привлечь к осуществлению эксперимента большое количество студентов и школьников и имеет цель популяризации космических исследований, инженерного образования и научно-технического творчества молодёжи. Помимо этого данные сеансы связи способствуют укреплению отношений с международными университетами, молодежными организациями, более того, популяризируют российскую космонавтику, повышают её престиж на международном уровне. В ходе КЭ планируется осуществить сначала раскрытие тонкопленочной конструкции в виде двух лент под действием центробежных сил с борта СКА в непосредственной близости от МКС, затем протестировать работу бортовых систем в режиме полета в течение всего срока активного существования КА. При этом планируется решить следующие задачи:
На настоящий момент в мировой практике было проведено три успешных космических эксперимента по раскрытию крупногабаритных тонкопленочных конструкций, результаты которых могут быть применены для создания КА с солнечным парусом на борту. Первым осуществлённым проектом был КЭ «Знамя-2», проведённый 4 февраля 1993 года с борта грузового космического корабля «Прогресс М-15»(рис. 2, а).
В ходе эксперимента «Знамя-2» с помощью центробежных сил была раскрыта тонкопленочная конструкция диаметром примерно 20 м, при этом была проверена сама концепция такой конструкции, исследована устойчивость тонкопленочной конструкции в поле центробежных сил, осуществлено управление большой гибкой конструкцией в космических условиях, проведен эксперимент «Новый свет» по освещению ночной стороны Земли [12]. В ноябре 2010 года ракетой-носителем «Минотавр» был запущен КА «FASTSAT», с борта которого 17 января 2011 года был отделён КА «Nanosail-D2», созданный Исследовательским центром Эймса, НАСА. Данный КА массой 3 кг имел в своем составе раскрываемый солнечный парус каркасного типа (рис. 2, б) суммарной площадью порядка 10 м2. Так как отношение площади паруса к массе данного КА мало, то основной задачей эксперимента Nanosail-D2 было сведение его с начальной орбиты. На начало ноября 2011 года КА уменьшил среднюю высоту орбиты с начальных 650 км более чем на 140 км [5]. В мае 2010 года был осуществлен запуск АМС «Planet-C», совместно с которой попутным запуском был выведен прототип АМС с солнечным парусом на борту «IKAROS» (рис. 2, в). При массе конструкции примерно 315 кг солнечный парус имеет площадь порядка 200 м2, что не позволяет судить об аппарате IKAROS как о полноценном солнечном парусе. Тонкопленочная конструкция паруса в развернутом виде представляет собой квадрат со стороной порядка 20 м, развертывается за счет центробежных сил. Для управления ориентацией вращающегося паруса были использованы специальные области на поверхности светоотражающего полотна, покрытые элементами на основе жидких кристаллов таким образом, чтобы регулированием управляющего напряжения было бы возможно менять отражательные характеристики светоотражающей поверхности и тем самым создавать управляющие моменты. Дальнейший полет АМС «IKAROS» показал работоспособность выбранной концепции. За прошедшее время от старта эксперимента суммарное приращение скорости на гелиоцентрической траектории составило примерно 20 м/с [9].
В настоящее время возрастают возможности использования малых спутников. В то время, как спутниковая индустрия традиционно поддерживалась большими, высокопроизводительными спутниками, вторым направлением разработки являлось изготовление и запуск малых спутников. Разные страны по всему миру вкладывают капитал в этот второй рынок, как источник дохода в будущем. Малые КА все больше используются в космосе, так как они обеспечивают уменьшение стоимости, как производства, так и запуска, а также способны обеспечить выполнение все возрастающего количества функций. Классификация малых спутников по критерию массы представлена в таблице 1. Таблица 1
Начиная с 1997 года, было запущено свыше сотни КА массой до 10 кг, большинство из них были созданы в рамках образовательных программ. Для пико- и наноспутников существует практически устоявшееся компоновочное решение «кубсат» (CubeSat). Простейший кубсат представляет собой КА массой примерно 1 кг, имеющий форму куба со стороной 10 см (рис. 3), среднее энергопотребление которого составляет примерно 1 Вт [2]. Один такой куб представляет собой базовый модуль, который можно компоновать совместно с другими модулями, или же использовать как полноценный аппарат (на текущий момент было успешно запущено свыше 40 одномодульных кубсатов, 6 кубсатов, состоящих из одного полного модуля и половины, 2 двухмодульных, 15 трехмодульных кубсатов [4]). Стоит заметить, что описанный ваше СКА Nanosail-D2 также относится к серии спутников «кубсат». Если рассматривать только низкоорбитальные КА, то при их разработке в последнее время начали активно использовать электрорадиоизделия неспециализированного назначения - коммерчески доступные электронные компоненты (COTS-компоненты). Было показано [8], что с помощью коммерческих электронных компонент можно существенно снизить стоимость студенческих микроспутниковых проектов без существенных потерь в надежности и функциональности.
В настоящее время необходимо подтверждение основных рабочих характеристик электрорадиоизделий неспециализированного назначения в условиях комплексного воздействия факторов космического полёта (механические нагрузки при старте, условия жёсткого теплового режима), а также стойкости к единичным случайным событиям (например, пролет высокоэнергетических частиц галактического космического излучения) [3]. Для уменьшения влияния факторов космического полета на вышеописанные характеристики необходимо адаптировать методики проектирования и изготовления печатных плат и блоков электронных устройств для создания стойких к механическим и тепловым нагрузкам, а так же стойких к радиации бортовых устройств, что сейчас активно прорабатывается как на уровне топологии интегральной микросхемы, на блочном уровне построения печатной платы, общей коммутационной шины, алгоритмов программного обеспечения для управления КА, так и с помощью рациональной компоновки бортовой электроники относительно прочих систем входящих в состав КА, менее чувствительных к описанным воздействиям.
Начиная с 1981 г., в различных странах были осуществлены свыше 30 космических образовательных проектов, которые включали в себя запуск одного или нескольких спутников (и это только в сфере дистанционного зондирования Земли, не включая образовательные проекты с КА других типов) [1]. Образовательные малые КА разрабатывают во всем мире для разработки и испытания новых инженерных решений, технологий, используя технические университеты как базовые площадки для дешёвой и быстрой отработки новых конструкторских и технологических решений, результаты которых могут в дальнейшем быть использованы при разработке и эксплуатации больших КА. При этом, образовательный потенциал подобных КА в России практически не был раскрыт. Среди наиболее значимых образовательных проектов студенческих спутников стоит выделить проект КА «Бауманец» (рис. 4, а), КА «Университетский – Татьяна 2» (рис.4, б) и серия КА «Можаец» (рис. 4, в).
КА дистанционного зондирования Земли «Бауманец» был разработан студентами МГТУ им. Н.Э. Баумана и создан при технической поддержке ФГУП «НПО Машиностроения» (г. Реутов) по заказу МГТУ им. Н.Э. Баумана. Основные разработки в ходе эскизного проектирования были проведены силами студентов и преподавателей МГТУ им. Н.Э. Баумана, затем по согласованию с предприятием были произведены необходимые изменения во внутренней компоновке, бортовой аппаратуре и пр. На борту КА «Бауманец» были размещены несколько экспериментов научно-технического и научно-образовательного назначения. Из-за аварии РН «Днепр», на которой осуществлялось выведение на орбиту КА «Бауманец», 26 июля 2006 г. космический аппарат был потерян. В ходе работы над проектом КА «Бауманец» был создан курс «Основы проектирования и испытаний малых космических аппаратов», созданы учебные пособия по данному курсу, студентами было защищено более 20 курсовых и дипломные проектов по бортовым системам и экспериментам микроспутника. Космический аппарат «Университетский – Татьяна 2» был создан во ФГУП «НПП ВНИИЭМ» по заказу НИИЯФ МГУ. Основной задачей спутника являлось изучение транзиентных явлений в верхних слоях атмосферы Земли [10]. Запуск КА был осуществлен 15 сентября 2009 г. Направленность данного эксперимента на фундаментальные космические исследования обусловили характер образовательной программы: хотя спутник был полностью разработан на предприятиях аэрокосмической отрасли, студенты, аспиранты и преподаватели принимали активное участие в анализе полученных с него результатов. По результатам работ были защищены несколько дипломных проектов, опубликованы десятки научных статей в рецензируемых журналах. Серия малоразмерных КА в составе спутников «Можаец-3», «Можаец-4», «Можаец-5» была запущена на орбиту в интересах учебного процесса ВКА им. А.Ф. Можайского [11]. Спутники были созданы с использованием производственного задела конверсионного МКА 11Ф625 «Светоч» разработки НПО ПМ, что обеспечивало их создание при минимальных экономических затратах. Данные КА использовались для отработки и испытания бортовой аппаратуры в условиях космического полета, для научных и прикладных экспериментов. Управление полетом спутников осуществляют курсанты Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского. Спутники «Можаец-3», «Можаец-4» имели фактический срок активного существования на орбите 5 и 6,5 лет соответственно. МКА «Можаец-5» был потерян во время выведения РН «Космос-3М» из-за аварии системы разделения. На настоящий момент в России нет осуществленных проектов образовательных КА массой до 10 кг.
Отработка раскрытия крупногабаритной тонкопленочной конструкции, стабилизированной вращением, весьма затруднительна в земных условиях: необходимо моделировать состояние микрогравитации в течение сравнительно длительного интервала времени (порядка минуты), что делает невозможной отработку в ходе полетов на самолетах по параболической траектории. Для эксперимента по развертыванию также необходимо исключить возможные возмущения, связанные с движением воздуха, что, учитывая габариты конструкции в раскрытом состоянии (более 3 м суммарно), приводит к необходимости использования больших стендов (с пониженным давлением, вакуумных камер). Одновременно удовлетворить требованиям по микрогравитации и атмосферному давлению существующими испытательными средствами в наземном эксперименте не представляется возможным.
Космический сегмент эксперимента состоит из сверхмалого КА и транспортно-пускового контейнера (ТПК). СКА состоит из нескольких основных блоков: герметичного отсека с бортовой аппаратурой, на котором закреплены катушки со светоотражающей лентой и исполнительными органами, а также раскладные полуволновые антенны бортовой радиоэлектронной аппаратуры. ТПК предназначен для запуска СКА с заданными параметрами движения. Наземный сегмент КЭ состоит из сети приемных радиолюбительских станций и центра приема и обработки информации в Университете (ЦУП-МГТУ). Радиолюбительские приемные станции связаны с ЦУП-МГТУ через сеть интернет. Подготовительная часть КЭ производится внутри герметичного объема РС МКС. Космонавт освобождает СКА от транспортировочных элементов, производит внешний осмотр и фотографирование СКА и ТПК. Непосредственно перед началом эксперимента (до начала ВКД) космонавт, который будет непосредственно заниматься осуществлением запуска КА, должен уточнить последовательность операций в соответствии со служебной документацией, а также уточнить параметры проведения эксперимента с ЦУП-М. Во время ВКД космонавтом осуществляется запуск КА из ТПК в заданном направлении в заданное время. Через заданное время после отделения начинается космический эксперимент по раскрытию тонкопленочной конструкции. При этом осуществляется запись информации о поведении конструкции СКА на бортовые датчики, а также видеосъемка процесса развертывания светоотражающих лопастей, раскрытия антенн и последующего полета КА после окончания развертывания. Отснятые фото- и видеоматериалы необходимо передать на Землю в целях обработки результатов эксперимента. В случае необходимости отложить проведение КЭ, следует вернуть ТПК вместе с КА обратно в герметизируемый объем РС МКС, произвести операции по установке транспортировочных элементов внутри ТПК и установить ТПК в специально отведенном месте на хранение. После окончания эксперимента по развертыванию тонкопленочной конструкции начинается свободный полет КА. Осуществляется передача записи информации с датчиков, задействованных во время проведения эксперимента, а также информации о текущем состоянии СКА. На основе полученных данных осуществляется верификация математических моделей развертывания тонкопленочной конструкции, проверка работы КА в условиях космического полета. По завершении КЭ необходимо вернуть ТПК на борт МКС в целях хранения для дальнейшего возможного использования для запуска других СКА, разработанных студентами, или же уничтожить вместе с отходами станции.
Принципиальными требованиями к условиям выполнения КЭ являются:
Технические особенности НА приведены в Приложении 2 настоящего документа.
Отработка развертывания тонкопленочной роторной конструкции солнечного паруса, содержащей светоотражающие лопасти, является одной из основных задач космического эксперимента. К настоящему времени, как было показано, в космосе были проведены три успешных эксперимента: проект IKAROS, NanoSail-D2, Знамя-2. При этом ни в одном из этих экспериментов не испытывалась конструкция, содержащая длинные лопасти в качестве светоотражающей поверхности. Двухлопастная конструкция роторного солнечного паруса ранее не была описана в литературе, хотя сама идея лопастного роторного паруса не нова [7]. Для солнечного паруса важно, чтобы параметр парусности (отношение площади паруса к полной массе КА) был как можно больше. Это влечет за собой необходимость уменьшения как массы непосредственно паруса, куда входит масса системы развертывания, так и массы космического аппарата, который приводится в движение. У роторного солнечного паруса нет каркаса, размеры которого соизмеримы с размерами тонкопленочной конструкции, в то время, как массовые характеристики узла, где хранится тонкая пленка в свернутом виде, сопоставима с массовыми характеристиками узлов для хранения тонкой пленки для солнечных парусов других типов. Конструкция роторного солнечного паруса позволяет увеличивать площадь светоотражающей поверхности практически неограниченно, в то время, как проблема масштабируемости каркасных конструкций солнечных парусов остается практически нерешенной [6]. Помимо этого, предложенная конструкция обладает рядом преимуществ, связанных с принципиально новым типом управления ориентации космического аппарата, основанном на следствии из теоремы Пуансо. В данном эксперименте управление ориентацией космического аппарата проводиться не будет, однако, отработка данной технологии запланирована на последующих экспериментах. Наличие существенного ограничения на массу КА для проведения КЭ влечет за собой необходимость создания сверхлегкой космической спутниковой платформы. Предложенный вариант платформы является существенным шагом на пути развития концепции «спутник на одной плате», при этом становится возможным использовать новый вариант модульного подхода в проектировании спутников, заключающегося в замене отдельных электронных компонент как отдельных модулей для целей конкретных космических экспериментов, что приводит к возможности унификации созданной платформы под различные нужды. Условия эксперимента таковы, что позволяют использовать для создания КА коммерчески доступные электронные компоненты, что приводит к общему снижению стоимости всей платформы, а также к снижению стоимости адаптации данной платформы под другие эксперименты. При этом становится возможным осуществлять адаптацию платформы под конкретную задачу силами студенческого коллектива. Образовательный проект в рамках эксперимента «Парус-МГТУ» направлен на создание кооперации между учебными заведениями разного уровня: как высшей, так и средней школы. Данный проект отличается от предыдущих образовательных космических проектов существенно меньшей ролью предприятий космической отрасли, работающих в кооперации с Университетом, на этапе проектирования и изготовления КА. Исключение составляет только этап ввода НА в эксплуатацию. Данный подход позволяет в полной мере реализовать творческие способности студентов – будущих кадров российской аэрокосмической отрасли. Эксперимент позволяет студентам в рамках курсовых научно-исследовательских работ, курсовых и дипломных проектов, а также аспирантам в рамках диссертационных исследований, принимать непосредственное участие во всех стадиях разработки КЭ: от этапа формирования технического задания на КЭ и НА, технического предложения, разработки эскизного проекта, создания конструкторской документации, до наземных и летно-конструкторских испытаний.
Подробное обоснование технической возможности создания НА с заданными характеристиками приведено в Приложении 2 настоящего документа.
КА для проведения КЭ «Парус-МГТУ» не содержит пиротехнических или иных элементов, способных повредить бортовое оборудование РС МКС и причинить увечья или повреждения обслуживающим космонавтам. Во время проведения КЭ возможно создание риска повреждения внешних конструкций МКС при грубом нарушении порядка проведения эксперимента. Ректор МГТУ им. Н.Э. Баумана ___________ А.А. Александров « » __________ 2012 г Список цитируемой литературы
|
Учебная дисциплины «Актуальные проблемы «холоднойвойны» предусмотрена компетентно- ориентированным учебным планом по направлению... | |||
Учебная дисциплина «Проблемы истории Малых стран Западной Европы в Новое и новейшее время» предусмотрена компетентностно-ориентированным... | I, о том, как Сахалин стал островом, а его обитатели сахалинскими аборигенами | ||
Проблемы становления и развития предпринимательства в России в контексте современных реформ | В ходе встречи обсуждались экономическое состояние и проблемы инвестиционной привлекательности района | ||
Правовая основа деятельности судебных приставов: история и современное состояние | Современные проблемы методологии исторической науки и преподавания истории в вузе | ||
Студенческой научно – практической конференции «общественное питание: современное состояние и актуальные проблемы развития» | В. Усмапов М. Чуриков В. Попов А. Евстратова Н. Резников В. Королева М. Рошаль, Л. Комарова А. Рапопорт В. Н. Дружинин |
Поиск Главная страница   Заполнение бланков   Бланки   Договоры   Документы    |