Концепция построения базовой технологической модели разработки баллистической структуры автоматических КА

Стр.1

Стр.2

Стр.3

Стр.4

Стр.5

Стр.6

Стр.7

Стр.8

Стр.9

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2016, том 3, выпуск 4, c. 65–73 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ УДК 004.9: 629.78 Концепция построения базовой технологической модели разработки баллистической структуры автоматических КА В. В.Бетанов1,В.К.Ларин2 1д. т. н., проф., 2к. т. н. АО «Российские космические системы» e-mail: betanov_vv@spacecorp.ru Аннотация. В статье рассмотрена концепция построения базовой технологической модели баллистической структуры КА автоматического типа. Полная технологическая модель БС представляет собой совокупность базовой и частной моделей. Как правило, такая модель необходима для расчета БС КА конкретного вида, что является наиболее частым случаем в практике проектирования КС. Основой для построения моделей являются т. н. таблицы соответствия параметров функционального назначения и баллистической структуры. Последние формируются на базе ТЗ на проект и на базе данных анализа баллистических характеристик предыдущих пусков. Отличие данных ПФН базовой и частной ТМ заключается в различии конкретных значений ПФН и включении в таблицу дополнительных значений, характерных для проектируемого КА. Предлагаемая базовая ТМ БС, построенная на основе данных функционирующих КА автоматического типа, позволяет рассчитывать большую часть параметров БС, значительно упрощая процесс проектирования новых КА. Ключевые слова: технологическая модель, баллистическая структура, система, показатели функционального назначения Concept of Development of Basic Engineering Model for Ballistic Structure of Unmanned Spacecraft V. V.Betanov1, V. K.Larin2 1doctor of engineering science, professor, 2candidate of engineering science Joint Stock Company “Russian Space Systems” e-mail: betanov_vv@spacecorp.ru Abstract. The article deals with the concept of development of the basic engineering model of ballistic structure (BS) for the unmanned SC. The complete engineering model of the BS is a combination of the basic and the special models. Typically, such a model is needed to calculate the BS for a specific type of SC, which is the most frequent task in spacecraft design. The basis for development of the models are the so-called compliance matrixes for the factors of functional purpose (FFP) and BS. The latter are formed based on the statement of work (SOW) and the ballistic analysis data from the previous launches. The difference between the FFP data for the basic and the special engineering models (EM) lies in the difference of specific values of FFP and inclusion of additional values, characteristic for the SC under development, into the matrix. The proposed basic EM BS, based on the data of the functioning unmanned SC, makes it possible to calculate the majority of features of BS, greatly simplifying the process of designing new SC. Keywords: engineering model, ballistic structure, system, factors of functional purpose

Стр.1

66 В. В.БЕТАНОВ, В. К.ЛАРИН Введение Одной из основных составляющих проектирования космических систем является выбор орбитальной структуры, включающей число плоскостей орбит, их наклонение, положение в пространстве, количество КА в каждой плоскости, их фазовое расположение в плоскости и высоты полета. В большинстве публикаций, посвященных данной теме [1, 2, 8], представлены методики (или технологии) проектирования БС, применяемые для конкретной КС (или КА) определенного типа с соответствующим набором условий функционирования. Наиболее полно эта проблема рассмотрена в [3], где описываются методы баллистического проектирования для спутников ДЗЗ и связи. Построение универсальной модели для проектирования баллистической структуры большинства типов КС теоретически возможно [3], но технология ее применения на практике сложна вследствие большого числа условий функционирования. Более целесообразным можно считать построение модели БС для проектируемой КС одного типа. Концепция построения унифицированной технологической модели (УТМ) заключается в двухэтапной последовательности разработки, вначале базовой модели, затем уточняющей — частной ТМ. В работе рассмотрена концепция построения базовой ТМ для КС автоматического типа. Предлагаемая ТМ может быть использована в качестве базового методического инструмента для проектирования БС других типов КА. 1. Общая постановка задачи Определения. Технологическая модель проектирования БС —унифицированное описание структуры, функциональных характеристик и способов определения орбитальных параметров в зависимости от основных функциональных показателей, характеризующих целевое назначение КС. Показатели функционального назначения — количественные характеристики основных параметров, определяющих функциональное назначение КА. 2. Системный подход к разработке унифицированной ТМ БС В соответствии с [1] «cистемный подход» — это методологическое направление в науке, основная задача которого состоит в разработке методов исследования и конструирования сложноорганизованных объектов — систем разных типов и классов, в которых выделены элементы, внутренние и внешние связи, наиболее существенным образом влияющиена исследуемыерезультатыего функционироРАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 4 2016 Баллистическая структура спутниковой системы (БС) характеризуется следующими данными: количеством плоскостейорбит, их пространственным положением, наклонением к плоскости экватора, количеством КА в каждойплоскости, их фазовым расположением внутри плоскостиивысотамиполета. Введем обозначения орбитальных параметров идругихнеобходимых элементов БС СС: – количество плоскостей орбит — n , n = 1, ... ... ,m; – количество КА в каждой плоскости — k, k = = 1, . . . , q; – долготавосходящегоузлаплоскости орбиты — LΩk; – минимальная, максимальная высота полета — Hmin, Hmax; – наклонение плоскости орбиты к экватору — i; – эксцентриситет орбиты — e; – фазовое расположение КА в плоскости орбиты — ϕn1, ... ,ϕnk. Введем формальное обозначение обобщенных показателей функционального назначения КА (ПФН): ψj, j = 1, ... , p. В этом случае постановка задачи построения УТМ для новой КС формулируется следующим образом. Пусть известны значения ПФН ψj = = ψj(Qj), для проектируемого типа КА, необходимо найти значения орбитальных параметров баллистической структуры {n, k,LΩk,H, i, e,ϕnk},используя известные зависимости [1] для определения соответствия между ПФН и орбитальными параметрами.

Стр.2

КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ БАЗОВОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ вания определены цели каждого из элементов исходя из общего предназначения объекта. В данном случае в качестве системы выступает БС, которая состоит из элементов Bi{n, k,LΩk,H, i, e,ϕnk}.Каждый элемент БС — Bi зависитотзаданныхПФН — Qj,характерных для заданного типа КА. Согласно постановке задачи необходимо найти зависимость Bi = f(Qj). Анализ существующих систем КА показал, что в некоторых случаях установить математическую зависимость Bi от Qj затруднительно, так как часть ПФН имеет неформализованный вид, в связи с чем данная проблема носит слабоструктурированный характер [7] и для ее решения целесообразно применять методы системного анализа. 3. Концептуальная модель унифицированной ТМ БС Концепция проектирования УТМ БС заключается в первоначальной разработке базовой ТМ (БТМ) с последующим ее уточнением частными ТМ (ЧТМ), учитывающими детали функциональных признаков проектируемой космической системы (рис. 1). 67 На рис. 2 приводится обобщенная схема распределения совокупности существующих типов КА в зависимости от высотных зон полета (ближний, средний и дальний космос). Высотный диапазон орбит КА: – ближний космос — 200–2000 км, – средний космос — ∼20 000–40000 км, – дальний космос — ∼380 000 км и более. В работе рассмотрены только автоматические КС. 4. Разработка базовой ТМ БС автоматических КС Под базовойТМБСавтоматическихКСпонимается модель, построенная на основе совпадающих ПФН (в рамках установленного диапазона) для большинства видов КА данного типа. Для уточнения понятия базовой УТМБС и последующего анализа данных по существующим видам КА в табл. 1 приводится соответствующий набор формальных параметров ПФН. Таблица 1. № Вид КС Рис. 1. Принципиальная схема УТМ–БС Разработка БС нового КА должна происходить в два этапа. На первом этапе используется базовая ТМ, которая позволит определить основную часть параметров БС, характерных для данного типа КА, на втором — частные ТМ для определения недостающих (или уточнения известных) параметров БС, относящихся к конкретной КС (или КА) данного типа. Исходными данными для проектирования БС новой КС (КА) являются: – показатели функционального назначения (ПФН); – высотный диапазон орбит КА (ближний, средний и дальний космос); – система или единичный КА. Связные ДЗЗ Показатели функционального назначения 1 Навигационные 1П1 1П2 1П3 ... 1Пn 2 2П1 2П2 2П3 ... 2Пn 3 Метеорологическ. 3П1 3П2 3П3 ... 3Пn 4 5 Геодезические Фото6 ирадионаблюдения В качестве примера допустим, что совпали признаки 1П2, . . ., 6П2, тогда ТМ, построенную по выбранным признакам, можно считать базовой. Для выбора конкретных ПФН ниже приводится схема классификации КА автоматического типа по функциональным признакам существующих систем [6,7]. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 4 2016 4П1 4П2 4П3 ... 4Пn 5П1 5П2 5П3 ... 5Пn 6П1 6П2 6П3 ... 6Пn

Стр.3

68 В. В.БЕТАНОВ, В. К.ЛАРИН Рис. 2. Обобщенная схема распределения по основным типам КА Пояснения к рис. 2. Блок 1.1.2 — количество плоскостей в КС — N,в каждой плоскости — M КА. Блок 1.1.3 — одна плоскость, M —количество КАвплоскости. Блок 1.1.4 — одна плоскость, один КА в плоскости. Блок 2.1.1 — ВЭО — высокоэллиптические орбиты. Блок 2.1.2 — СИСЗ — стационарные ИСЗ. В табл. 2 приводятся параметры функционального назначения для основных типов автоматических КС (КА), функционирующих в настоящее время, баллистические параметры которых выбраны из схемы (рис. 3). Для определения дальнейшего решения на основе анализа данных табл. 2 приведем табл. 3, где показано соответствие значений ПФН и параметровБС(см.разд.1). Сравнительный анализ орбитальных параметров различных видов КС, приведенных в табл. 2, показал целесообразность разработки трех базовых моделей: БМ1 — для навигационных КС; БМ2 — для связных КС; БМ3 — для метеорологических, геодезических КС, ДЗЗ, КС фото- и радионаблюдения. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 4 2016

Стр.4

КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ БАЗОВОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 69 РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 4 2016 Рис. 3. Схема классификации КС

Стр.5

70 В. В.БЕТАНОВ, В. К.ЛАРИН Таблица 2. Показатели функционального назначения Виды КС (КА) N/n ∆h  (км) Навигация 4–6 /24 ∼20 000 ВЭО Связь Метеорология ДЗЗ 2–4/ 2–8 1/1–4 1/1 1/2 i/e ∼68◦/ ∼0 600–37 000 км ∼63◦/0,7 ГСО ∼37 000 км Зоны обзора (ЗО) ГЗО Северное полушарие ∼0/ ∼0 ±70◦ по широте/ 90◦ по долготе ∼600–1200 ∼98◦/ ∼0 ∼600–700 Геодезия Фотоирадионаблюдение 1/1 ∼300–400 65–72◦/∼0,0 ∼100 км 1/> 20 сут 1/1 ∼1500 ∼98◦/ ∼0 73,6; 82,6/∼0,0 ∼120 км ∼100 км – 1/10–15 сут 1/15–20 сут Цикличность трассы (цикл.) – – Примечание Цель: определение МП наземных объектов Цель: обеспечение многоканальной связью абонентов Цель: съемка облачности неба в различных диапазонах спектра Цель: изучение природных ресурсов Земли (съемка) Создание геодезической системы координат – повышенной точности, уточнение формы Земли, ее ГПЗ Цель: съемка земных объектов, пеленгация каналов радиосвязи Примечание. Данные табл. 2 получены на основе анализа опубликованных материалов по существующим внастоящее время КС(КА)[7]. ВЭО — высокоэллиптические орбиты, ГСО — геостационарные орбиты, ГЗО — глобальная зона обзора, ДЗЗ — дистанционное зондирование Земли. Таблица 3. Параметры ПФН nут kут Lут hут БС n k L h i i e ϕут ЗО Цикл e ϕ Примечание. ПФН: nут, kут, ... представляют собой параметры, которые определяются на основе значений табл. 2 и математических зависимостей от ЗО и цикличности трасс полета. 4.1. Технология разработки БМ 1 Сформируем таблицу соответствия ПФН и БС на базе табл. 2, выбрав значения ПФН применительно к навигационным КС (табл. 3.1). Та б л и ц а 3.1 Параметры ПФН 4–6 24 Lут 20 000 68 0 ϕут ГЗО – БС n k L h i e ϕ Согласно табл. 3.1 для создания БС необходимо определить долготы восходящего узла плоскостей орбиты Lут и фазовое расположение КА в каждой плоскости ϕут. Известно, что значение долготы восходящего узла первой орбитальной плоскости (фаза формирования системы) есть функция времени старта первого КА системы и продолжительности активного участка выведения на орбиту. Последующие РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 4 2016

Стр.6

КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ БАЗОВОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ Та б л и ц а 3.2 Параметры ПФН 2–4 6–8 Lут 600–37 000 ∼63◦ ∼0,7 ϕут Сев. полушарие – БС n k L h i e Та б л и ц а 3.3 Параметры ПФН 1 1–4 Lут ∼37 000 ∼0◦ ∼0,0 ϕут ±70◦ по широте/90◦ по долготе – БС n k L h i e плоскости орбит располагаются равномерно вдоль экватора путем сдвига времени старта каждого следующего запуска на время ∆t. tн = tст+∆t, где ∆t = 2π/n · ωз, tст — московское время предыдущего старта, n —число плоскостей. Фазовое расположение КА внутри плоскости ϕут является равномерным. При условии межплоскостного фазирования КА одной плоскости сдвинуты на угловое расстоянии ∆ϕ по отношению КА соседней плоскости. ϕk = ϕk−1+∆ϕ, где ∆ϕ = 2π/k, k — число КА в плоскости. 4.2. Технология разработки БМ2 В силу большого различия орбит БМ2 разбивается на две составные части: – для высокоэллиптических орбит — БМ2-1, – для геостационарных орбит — БМ2-2. 4.2.1. Базовая модель разработки БС для высокоэллиптических КА — БМ2-1 Сформируем таблицу соответствия ПФН и БС на базе табл. 2, выбрав значения ПФН применительно к связным КС на высокоэллиптических орбитах, — табл. 3.2. ϕ Для одновременного покрытия Северного полушария коммуникационными зонами обслуживания КА типа «Молния-3» необходимо иметь четыре орбитальные плоскости, равномерно распределенных по экватору, с долготами восходящего узла, равными Li = L0 +90◦ · (i−1), i = 1 ... 4, где L0 — долготавосходящегоузлапервой плоскости начального этапа формирования системы. В каждой плоскости расположены два КА на фазовом расстоянии равном π.При этом фазовый сдвиг КА в одной плоскости относительно КА в другой плоскости рассчитывается по формуле: ∆ϕ = π/4. 4.2.2. Базовая модель разработки БС для геостационарных КА — БМ2-2 Сформируем таблицу соответствия ПФН и БС на базе табл. 2, выбрав значения ПФН применительно к КА, находящихся на геостационарных орбитах (ГСО), — табл. 3.3. Система геостационарных КА для обеспечения глобальной связи должна состоять из четырех КА, равномерно расположенных по экватору со следующими долготами стояния: L1 = 0◦, L2 = 90◦, L3 = 180◦, L4 = 270◦. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 4 2016 ϕ 71

Стр.7

72 В. В.БЕТАНОВ, В. К.ЛАРИН Та б л и ц а 3.4 Параметры ПФН 1 1–2 Lут 300–1200 км ∼65◦/∼98◦ ∼0 – ∼100 км 1/ ∼15 БС n k L h В практике проектирования БО полетов геостационарных КА точки стояния определяются Международным союзом связи (МСС) по заявкам государств. В настоящее время функционируют четыре ГСС (геостационарных спутника) «Экспресс-NN» с долготами стояния: 14◦ з. д., 56◦ в. д., 96,5◦ в. д., 103◦ в. д. и два ГСС «Ямал-1,2» с долготами стояния: 90◦ в. д. и 55◦ в. д. [5], значительно отличающимися от глобальной структуры. Таким образом, выбор Li —рабочих точек «стояния» будет зависеть не только от требований проектировщиков системы, но и возможностей, предоставляемых МСС. Фазовое расположение КА на ГСО совпадает с расположением по долготе и не требует специальных расчетов. 4.3. Технология разработки БМ3 Сформируем таблицу соответствия ПФН и БС на базе табл. 2, выбрав значения ПФН применительно к метеорологическим, геодезическим КС, ДЗЗ, КС фото- и радионаблюдения, — табл. 3.4. Долгота восходящего узла плоскости орбиты (фаза формирования системы) есть функция времени старта первого КА системы и продолжительности активного участка выведения на орбиту и связано только с техническими условиями пуска ракеты-носителя. L = Lст+∆tакт · ωз, где Lст — гринвичская долгота старта, ∆tакт — время активного участка выведения на орбиту КА, ωз — угловая скорость вращения Земли. Наклонение орбиты выбирается исходя из следующих условий: если в ТУ на функционирование КА задана постоянная ориентация на Солнце, h = T/4π · µ3/2 −Rз, где µ = 398 600 км3/с2 —гравитационнаяпостоянная. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 4 2016 i e ϕ то i> 90◦ (синхронно-солнечная орбита), в других случаях наклонение выбирается в зависимости от географического расположения районов связи, а также от ширины зона обзора земной поверхности бортовой аппаратурой [1]. В этом случае i должно находиться в пределах π/2−l/R· (1−k)

Стр.8