Разработка методического аппарата повышения эффективности использования электроракетных двигательных установок в системах коррекции орбиты малых низкоорбитальных космических аппаратов

• Автор: Хромов, Александр Викторович
• Шифр специальности: 05.09.03, 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 180 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПОРЯДОК ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ КОРРЕКТИРУЮЩИХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК НА МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ
1.1 Функциональные возможности корректирующей двигательной установки (КДУ)
1Л Л Баллистические и конструктивные параметры космического
аппарата (КА), влияющие на возможности КДУ
1Л .2 Параметры КДУ, определяющие её возможности
1Л .3 Сравнительные характеристики КДУ различного типа
1.2 Существующие методы выбора типа и проектных параметров КДУ
1.3 Взаимодействие КДУ с бортовыми системами малого космического аппарата (МКА)
1.4 Постановка научной задачи диссертационной работы
Выводы по главе
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ВЕРИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНОЙ КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ С СИСТЕМАМИ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
2.1 Цели, задачи и средства математического моделирования
2.2 Моделирование энергодвигательной системы
2.2.1 Модель энергоприхода на солнечно-синхронной орбите
2.2.2 Модель солнечной батареи
2.2.3 Модель аккумуляторной батареи
2.2.4 Модель контроллера системы энергоснабжения
2.2.5 Модель нагрузки
2.2.6 Общая модель энергодвигательной системы МКА
2.3 Моделирование взаимодействия КДУ с системой ориентации МКА .
2.4 Верификация разработанных моделей по результатам лётных испытаний
2.4.1 Верификация модели энергодвигательной системы МКА
2.4.2 Верификация модели взаимодействия КДУ с системой ориентации МКА
Выводы по главе
ГЛАВА 3. ОБОСНОВАНИЕ ПОРЯДКА ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОРАКЕТНОЙ КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ
ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
3.1 Общий порядок определения циклограммы включений КДУ
3.2 Определения циклограммы работы КДУ для проведения коррекции орбиты на различных этапах жизненного цикла МКА

3.2.1 Определение начальных условий (исходных данных)
3.2.2 Коррекция периода обращения в режиме орбитальной ориентации малого КА
3.2.3 Использование энерговитков для работы КДУ
3.2.4 Начальная коррекция ошибок выведения по периоду обращения
3.2.5 Начальная и штатная коррекция наклонения
3.2.6 Утилизация космического аппарата
3.3 Проверка совместимости КДУ с системами МКА
3.3.1 Проверка совместимости перспективных КДУ с системой энергоснабжения
3.3.2 Анализ воздействия КДУ на систему ориентации
Выводы по главе
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ПРИМЕНЕНИЮ РАЗРАБОТАННЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ КОНКРЕТНЫХ ТИПОВ МКА
4.1 Обоснование рационального применения двухрежимной КДУ
4.2 Порядок оптимизации коррекции орбиты с учетом результатов
лётных испытаний МКА
4.2.1 Определение параметров системы энергоснабжения КА
4.2.2 Порядок оптимизации и применения циклограмм работы КДУ
4.3 Формирование и практическое применение циклограмм работы
КДУ МКА «Канопус-В» №1 с учетом летных испытаний
Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Модель энергодвигательной системы КА «Канопус-В»
№1. Руководство по эксплуатации

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время актуальной является задача увеличения срока активного существования (САС) низкоорбитальных космических аппаратов дистанционного зондирования Земли (КА ДЗЗ) до 10 и более лет [46]. Обеспечение параметров орбиты КА, необходимых для работы съемочной аппаратуры в течение длительного САС возможно только с применением корректирующих двигательных установок (КДУ). Помимо исправления ошибок выведения КА на орбиту (начальная коррекция) и поддержания параметров орбиты в течение САС современные КДУ должны обеспечивать перевод КА в конце срока эксплуатации на орбиту утилизации (с которой космический аппарат самостоятельно сойдет в течение 25 лет) [84]. КА ДЗЗ обычно запускаются на низкие (до 600 км) орбиты, на которых атмосферное торможение является существенным, что приводит к увеличению суммарного импульса тяги, необходимого для обеспечения полета КА. Характерной чертой совершенствования двигательных установок является повышение их эффективности за счет увеличения удельного импульса тяги. Однако применительно к электроракетным двигателям (ЭРД) увеличение скорости истечения рабочего тела сопровождается увеличением мощности энергопотребления двигательной установки, что предъявляет к системе энергоснабжения (СЭС) КА повышенные требования. Одновременно в связи с миниатюризацией электронных компонентов наблюдается тенденция уменьшения массы и размеров КА, что приводит к пропорциональному уменьшению мощности СЭС. Рациональное применение КДУ на борту КА достигается выбором её характеристик на стадии проектирования КА и режимов работы при эксплуатации. Применение двигательных установок с высоким удельным импульсом широко распространено для геостационарных КА («Ямал-100» разработки РКК «Энергия» [46], платформа «Экспресс»

определения совокупности разновидностей двигательных установок, которые могут обеспечить коррекцию орбиты данного КА.
Также возможен поиск оптимального значения удельного импульса тяги 10ПТ, соответствующего минимуму массы энергодвигательной системы [60, 73]. Он определяется не только параметрами двигательной установки, но и особенностями конкретной решаемой задачи с учетом энергомассового совершенства бортовой энергетики. Для КДУ орбитальных КА;
где т — время работы двигателя, т|ду — КПД двигательной установки, аэду — удельная масса энергодвигательной системы (отношение массы системы к мощности).
Недостатками данного метода являются сложность определения удельных параметров энергодвигательной системы, т.к. в системе энергоснабжения КА крайне редко выделяется система питания КДУ со своими источниками электрической энергии. Второй недостаток данного метода — получаемое оптимальное значение удельного импульса не обязательно соответствует удельному импульсу реально существующей двигательной установки (как показано выше, существует дискретность удельного импульса при переходе от одного типа КДУ к другому). Данный метод является полезным для определения совокупности типов двигательных установок, пригодных для решения поставленной задачи.
После определения совокупности типов двигательных установок, предполагается выбрать из нее один тип — оптимальный для данного КА. Метод сравнения различных КДУ изложен в [23]. Автор при сравнении различных типов двигательных установок производит оптимизацию массы энергетической системы, которая равна сумме масс системы хранения рабочего тела и солнечных батарей КА. Единственной задачей двигательной установки постулируется компенсация атмосферного торможения, считается, что
(1.7)