ИНФОРМАЦИОННЫЕ СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ имени академика М.Ф. Решетнева ЛЕКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Железногорск, 201 9 1
2
3
4
Конструкция космического аппарата 5
Размещает на себе оборудование полезной нагрузки и служебных систем Прочность и целостность космического аппарата Конструкция ТУТ! Конструкция в зоне оптимального решения! Посмотрите! Это же скелет спутника! И правда! Он такой прочный! 6
Моноблочная герметичная схема Моноблочная негерметичная схема Модульная схема Закупоренный контейнер с приборами с общей благоприятной средой Открытая конструкция с приборами с индивидуальной средой Открытая конструкция с приборами с индивидуальной средой, поделенная на модули с разным назначением 7
Моноблочная герметичная схема Моноблочная негерметичная схема Модульная схема Долго изготавливается Долго испытывается Большая масса конструкции Быстро изготавливается Быстро испытывается Меньшая масса конструкции Еще быстрее изготавливается Еще быстрее испытывается Уменьшенная масса конструкции 8
1 – силовая труба; 2 – панели для приборов; 3 – панели для систем, обеспечивающие деятельность спутника; 4 – панели для обеспечения жёсткости конструкции; 5 – антенные панели; 6 – панели для обеспечения жёсткости антенных панелей; 7 – Конический адаптер. 1 7 2 2 3 3 5 5 4 4 6 6 2 4 1 3 3 6 Состав конструкции КА 9
является переходником между КА и разгонным блоком Конический адаптер Конструкция, на которой закрепляются сотовые панели и антенны Силовая труба “ позвоночник ” космического аппарата, который воспринимает возникающие нагрузки Сотовая панель Малая масса и высокая прочность на изгиб, поэтому из них делают ВСЕ панели в конструкции 10
Модульная конструкция состоит из 2-х модулей: Полезной нагрузки Служебных систем Все приборы и системы для “ жизни ” аппарата Приборы и устройства полезные для людей 11
12
13 Корпусная панель Рис.1 Состав сотопанели. 1 – Теплопроводная обшивка; 2 – Пленочный клей; 3 – Встроенный жидкостный контур (тепловая труба); 4 – Сотовый заполнитель; 5 – Вспенивающийся клей; 6 – Вставка (закладкой элемент) для крепления оборудования В95 Толщина до 0,3 мм Фольга из АМг-2Н АД31 (инертен к аммиаку) Образец сотопанели Конструкция из сотопанелей
14 Углеволокно Стекловолокно Элементы крупногабаритных разворачиваемых антенн Рис.6 Материалы
15 Основные характеристики: Масса: * Адаптера конич. – макс. 47 кг; * Центр. Трубы – макс. 68 кг; Максимальная несущая способность: * Адаптера конич. – более 136 т; * Центр. Трубы – 136 т;
16 Рис.9 Рефлектор 2200мм с радиотражающим покрытием Рис. 10 Рефлектор с углепластиковыми обшивками и алюминиевым наполнителем Спиральные антенны
17 Схема покрытия ОСО-С-ЭП: 1 - пластины из радиационно-стойкого стекла К-208; 2 - прозрачное электропроводное покрытие на основе In 2 O 3; 3 - отражающее покрытие из высокочистого серебра; 4 – подслой из нихрома; 5 - радиационностойкий эластичный клей; 6 - электропроводный наполнитель; 7 - поверхность радиатора. Рис.11. Сотовая панель с покрытием ОСО-С 1 – лента из фторполимера; 2 – отражающее покрытие – серебро, с двухслойной защитой – нихром/лак; 3-клей; 4-подслой; 5-конструкция (оболочка радиатора-излучателя); 6-пузырек непроклея; 1-внешний экран – металлизированная плёнка с одной стороны;2-прокладки – рифлёная плёнка/стекловуаль; 3-внутренние экраны - плёнки двухсторонней метализацией. 1 2 3 Рис.12. Образец покрытия СОТ1 Рис.13. Полиимидная плёнка в составе ЭВТИ
18 Композиционные материалы Конический адаптер Силовая конструкция (Центральная труба) Интерфейсные панели: Силовые Размеростабильные Конструкция солнечных батарей Интерфейсные силовые панели Антенная панель и рефлектор Астроплата Антенный блок Ксеноновый бак
19 ОСО-С СОТ1-С-200 Эмаль АК-512б ОСО-С СОТ1-С-200 ЭВТИ Эмаль АК-512белая
20
21
Баллистика – наука о движении тел, брошенных в пространстве, основанная на математике и физике. Небесная баллистика – наука, изучающая движение искусственных небесных тел: спутников Земли, космических аппаратов различного назначения. Основная задача – построение орбит космических аппаратов. Т.е. выбор из большого числа путей той траектории, которая является оптимальной для достижения поставленных целей. Орбита – это траектория полета небесного тела в гравитационном поле другого тела, обладающего значительно большей массой. Искусственным спутником Земли называется тело, движущееся вокруг Земли по эллиптической (в частном случае – круговой) орбите. На рисунке 1 изображена типичная орбита спутника Земли, на которой буквами П и А обозначены соответственно перигей (самая близкая к Земле точка орбиты) и апогей (самая дальняя точка орбиты). Плоскость орбиты определенным образом ориентирована в пространстве, причем, если пренебречь возмущениями, эта ориентация остается неизменной. Плоскость орбиты образует определенный угол с плоскостью земного экватора (угол наклонения или просто наклонение ), который является важной характеристикой орбиты. Когда этот угол равен нулю, орбита называется экваториальной, спутник все время пролетает над экватором (рис.2 орбита 1). При наклонении 90 орбита называется полярной, т.к. проходит над земными полюсами (рис.2 орбита 2). Если движение спутника происходит в том же направлении, что и вращение Земли, то спутник называется прямым (рис.2 орбита 3). В противном случае спутник называется обратным (рис2. орбита 4). Рисунок 1 Типичная орбита спутника Земли Рисунок 2 Орбиты спутников 22
Тип орбиты Преимущества и недостатки Пример Назначение Низкая орбита (высота орбиты от 160 км до 2000 км) Преимущества: Поверхность Земли близко. Недостатки: Атмосфера сильно влияет на полет. КА «Гонец-М» Высота орбиты: 1500 км Наклонение орбиты: 82,5° Период обращения: 115 мин. Космодром: Плесецк Связь для абонентов на северных широтах Связь (спутниковая телефония) Дистанционное зондирование Земли Наблюдение за метеоусловиями Разведка Средневысокая орбита (высота орбиты от 5000 км до 20000 км) Преимущества: Можно подобрать орбиту так, что ее не придется корректировать. При наличии всего 18 спутников в трех орбитальных плоскостях абоненту в любой момент времени видно не меньше 4. Это важно для точности навигации. КА «ГЛОНАСС» Высота орбиты: 19100 км Наклонение орбиты: 64,0° Период обращения: 438 мин. Космодром: Байконур Навигация Геостационарная орбита (высота орбиты 36000 км) Преимущества: Спутник «висит» над одним и тем же местом. Недостатки: Долго идет сигнал и приполярные и полярные широты не видно. КА «Экспресс» Высота орбиты: 36000 км Наклонение орбиты: 0° Период обращения: 438 мин. Космодром: Байконур Связь и телевещание Высокая эллиптическая орбита (высота орбиты 550х40000 км) Преимущества: Обслуживание большой территории и длинные сеансы работы. Недостатки: Необходимо иметь минимум 3 спутника и очень мощные антенны. Долго идет сигнал – сложно работать в реальном времени. КА «Молния» Высота апогея орбиты: 40000 км Высота перигея орбиты: 500 км Наклонение орбиты: 63,4° Период обращения: 1436 мин. Космодром: Байконур Связь и телевещание 23
Процесс вывода КА на орбиту, геостационарная орбита. После выхода КА на целевую орбиту происходит раскрытие панелей солнечных батарей и антенн, включение гиростабилизатора, ориентация аппарата в пространстве. Затем спутник дрейфует в точку стояния. В точке стояния КА останавливается. После этого стабилизируется его положение, происходит ориентация антенн на нужную точку Земли и включение дежурного режима работы аппарата. Это общая схема выведения. При выводе на более низкую орбиту используется меньшее количество витков. При выводе на наклонную орбиту обычно не используется переходная орбита и смена наклонения. сокращения : РН – многоступенчатая ракета-носитель, РБ – разгонный блок, МД – двигатели разгонного блока, ДТБ – дополнительный топливный бак разгонного блока, ОБ – орбитальный блок, состоящий из КА с разгонным блоком. 24
Движение КА по орбите подчинено ряду законов (на сам аппарат действует множество разных сил, из-за которых орбита все время меняется, вытягивается и сужается): Сила притяжения Земли. Под воздействием силы притяжения Земли движение аппарата подчиняется законам Кеплера. В соответствии с ними КА всегда движется по эллиптической орбите (частный случай – круговая) и КА делает полный оборот на более низкой орбите быстрее, чем на более высокой. Сила притяжения Луны. Световое давление и солнечный ветер. Солнце воздействует на солнечные панели и на сам аппарат (если он достаточно большой), как ветер на парусную лодку. Атмосфера Земли. На низких орбитах атмосфера Земли значительно тормозит КА. Неидельная форма Земли. Поскольку Земля не является идеальной сферой, сила ее притяжения в каждой точке орбиты неодинакова. В результате на каждом обороте КА пересекает экватор западнее, чем на предыдущем, т.е. орбита постоянно сдвигается. Исключение составляет орбита с наклонением 90 . Д ля того, чтобы КА мог выполнять целевую задачу, его орбита должна оставаться максимально стабильной. Для этого существует два пути. Первый – подобрать орбиту, как, например, для ГЛОНАССа. Второй – поставить на аппарат двигатели и баки с топливом и постоянно корректировать орбиту. 25
Для того, чтобы правильно выбрать орбиту, необходимо ответить на несколько вопросов: Сколько будет аппаратов? Одним аппаратом сложнее выполнять целевую задачу. Если аппаратов много, нужно продумать их взаимное движение так, чтобы они не сталкивались. Каково назначение аппарата? Какие функции будут выполняться на борту, а какие – в центре управления ? Из ответов на эти вопросы вытекает требуемая мощность. Для связи нужны более мощные аппараты, для съемки поверхности Земли достаточно маломощных аппаратов. Каково требуемое быстродействие? Если аппарат должен давать отклик в реальном времени, то лучше разместить его ниже. Если быстродействие не важно, можно поднять его на более высокую орбиту. Какими будут размер и вес аппаратов? Слишком большие и тяжелые аппараты невозможно вывести на высокие орбиты. При этом у больших аппаратов обычно высокая мощность, что очень важно, если спутник связной. Какова площадь поверхности, которую должен постоянно видеть аппарат? Для метеоспутников важно видеть как можно больше деталей, поэтому видимая площадь будет небольшой. В этом случае необходимо выбрать более низкую орбиту. Для одного аппарата, обеспечивающего связь, необходимо видеть сразу всю зону покрытия, поэтому его нужно поместить на более высокую орбиту. 26
27
Вид Подвид Изображение Проволочные антенны Спиральные антенны - металлическая спираль, питаемая обычной коаксиальной линией. Сегодня в основном используются ленточные спирали, а не проволочные Виды: цилиндрические, конические и плоские. Вибраторные антенны - прямолинейный провод, в середине которого включен источник переменного тока. Антенны акустического типа Волноводные антенны - устройство в виде прямоугольного канала, трубы, стержня, в котором распространяется сигнал. В основном используются в качестве облучателей и переходников. Рупорные антенны - состоит из отрезка волновода с плавно расширяющимся концом волновода в форме рупора. Виды: конический, пирамидальный и секториальный. 28
Вид Подвид Изображение Антенны оптического типа Зеркальные антенны - антенны, состоящие из зеркала (рефлектора) и облучателя. Фазированные антенные решетки (ФАР) ФАР – решетка излучателей, в которой перемещение луча в пространстве производится путем введение переменных фазовых сдвигов между токами, питающими отдельными излучателями, что позволяет управлять формой диаграммы направленности и положением ее в пространстве. 29
Связь, телевещание и ретрансляция Зеркальные антенны Навигация и геодезия Проволочные и акустические виды антенн «Ямал -401» «Луч – 5В» « Глонасс-К » «Гео-ИК-2» 30
Диаграмма направленности (ДН) – графическое представление зависимости коэффициента усиления антенны от направления антенны в заданной плоскости Контурная ДН Многолучавая ДН Точечная ДН 31
Диапазоны рабочих частот спутниковой связи Диапазон Частоты Применение L 1.5-2 ГГц Подвижная спутниковая связь S 2-4 ГГц Подвижная спутниковая связь C 4-6 ГГц Фиксированная спутниковая связь X 8-12 ГГц Фиксированная спутниковая связь (для военных целей) Ku 10-14 ГГц Фиксированная спутниковая связь, спутниковое вещание Ka 20-30 ГГц Фиксированная спутниковая связь, межспутниковая связь 32
33
Система ориентации и стабилизации КА 34
Система ориентации и стабилизации КА 35
Современные СОС КАК производства АО «ИСС» 36
