МОДУЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
SPACECRAFT MODULAR DESIGN

Изобретение относится к космической технике и, в частности, к конструкции модульных космических аппаратов (спутников).
Из патентной литературы известно множество конструкций модульных космических аппаратов, состоящих, как правило, из несущей конструкции и устанавливаемых на нее различных приборов и агрегатов. При этом модульными могут быть как несущая конструкция (корпус), так и приборы.
Например, в патентах [1, 2, 3] и в заявках [4, 5] представлены модульные несущие конструкции, а в патентах [6, 7, 8] представлены унифицированные крейты с приборными модулями.
Также известно [9], что имеется тенденция применения в космической технике коммерчески доступных электронных приборов и компонентов, COTS (Commercial Of The Shelf). Такие компоненты в десятки раз дешевле и на 2-3 поколения совершеннее компонентов, традиционно используемых в космической технике. Основные проблемы применения таких компонентов в космической технике - это виброударная прочность, теплоотвод и радиационная стойкость.
Проблемы с виброударной прочностью и теплоотводом достаточно легко решаются в стандартах IEEE 1101.10 и IEEE 1101.2 (Eurocard), особенно для форм-фактора 3U, и крейты, выполненные в этих стандартах, широко применяются в военной технике. Одним из преимуществ применения упомянутых стандартов является использование современных шинных архитектур стандартов VME, CompactPCI, CompactPCI Express и др., что значительно уменьшает количество межблочных кабелей и позволяет с минимальными доработками использовать коммерчески доступные модули (cards) в этих стандартах.
Проблема с радиационной стойкостью коммерчески доступных компонентов, в частности процессоров, оперативной и массовой памяти, решаются как на программно-аппаратном, так и на конструктивном уровне. На программно-аппаратном уровне решаются проблемы с единичными/множественными ошибками от пролета быстрых протонов и тяжелых частиц. Проблему с накопленной радиацией можно решить только уплотнением компоновки и экранированием электронных компонентов конструктивными элементами.
Например, приборы, выполненные в архитектуре ДОРА [10], имеют плотную внутреннюю компоновку при толщине стенок алюминиевого корпуса 10-15 мм.
В защите от радиации во всех известных решениях также участвует несущая конструкция аппарата, но интегральная толщина экрана при этом составляет не более 2-4 мм алюминия, особенно при использовании трехслойных сотовых панелей.
Увеличение плотности компоновки аппарата в изобретениях [1, 2, 3, 4, 5] и размещение критичных к радиации приборов за экраном из некритичных, например, гиродинов или аккумуляторных батарей, может довести интегральную толщину экрана для самых критичных приборов до необходимых 10-15 мм. Но при этом о модульной архитектуре аппарата, как правило, уже говорить не приходится, так как модульность неизбежно подразумевает определенные ограничения на свободу компоновки и некоторую избыточность, в том числе и по объему аппарата. Ситуацию можно исправить введением дополнительных экранов и увеличением толщин стенок приборов, но это приведет к увеличению массы.
Несколько лучше ситуация в изобретении [6], принятом авторами за прототип. В данном изобретении имеется несущая конструкция с элементами крепления приборов и узлов служебной и целевой аппаратуры, обеспечивающая жесткость аппарата и передачу нагрузок от носителя, и размещенные на ней унифицированные приборные крейты (bays), в слотах которых размещаются унифицированные электронные модули (cards) служебной и целевой аппаратуры. Размещение унифицированных электронных модулей в крейтах значительно повышает плотность компоновки электронной аппаратуры, что позволяет относительно малыми затратами организовать радиационную защиту за счет увеличения толщины стенок крейтов. Недостатком данной конструкции является то, что избыточная толщина стенок крейтов используется только как радиационный экран, а избыточная масса приводит к увеличению массы несущей конструкции и аппарата в целом. Другим недостатком является то, что высота крейтов и их вместимость жестко определены высотой несущей конструкции. Соответственно, или несущую конструкцию аппарата и крейты придется вновь разрабатывать под каждую конкретную миссию, с конкретным составом аппаратуры, или несущая конструкция аппарата и крейты для некоторых миссий будут избыточны и "недогружены" электронной аппаратурой.
Задачей данного изобретения является создание модульной конструкции космического аппарата, в которой одновременно решены проблемы как модульности несущей конструкции космического аппарата, так и модульности электронного оборудования служебной и целевой аппаратуры, при одновременном снижении массы аппарата и его стоимости.
Данная задача решается тем, что в модульной конструкции КА, содержащей несущую конструкцию, обеспечивающую КА жесткость при передаче нагрузок от носителя, и унифицированные крейты с электронными модулями служебной и целевой аппаратуры, имеющие стенки с толщиной, необходимой для радиационной защиты электронных модулей, несущая конструкция КА выполнена как горизонтальный пакет из вертикальных пакетов крейтов.
По крайней мере два вертикальных пакета могут иметь одинаковую высоту, а высоты крейтов подчиняются формуле:
H=(N+1)·h,
где Н - высота крейта;
N - количество электронных модулей единичной толщины, размещаемых в крейте по вертикали;
h - шаг форм-фактора электронного модуля по вертикали.
По крайней мере один крейт в вертикальном пакете может быть установлен через термоизолируюшие прокладки, суммарная толщина которых кратна указанному шагу h.
Далее изобретение раскрывается более подробно с использованием графических материалов, где на Фиг.1 показаны варианты компоновки космических аппаратов; Фиг.2 - несущая конструкция одного из вариантов; Фиг.3 - вариант унифицированного ряда крейтов; Фиг.4 - конструкция крейта со стандартными электронными модулями одного форм-фактора; Фиг.5 - конструкция крейта с электронными модулями разных форм-факторов; Фиг.6 - конструкция крейта для нестандартных элементов и приборов; Фиг.7 - три варианта компоновки вертикального пакета крейтов с одинаковой суммарной высотой. На всех изображениях, для простоты восприятия, не показаны несущественные элементы, например крепеж, переходные кронштейны, разъемы и др.
На Фиг.1 показаны два варианта модульной конструкция космического аппарата: спутник дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) высокого разрешения и спутник ДЗЗ сверхвысокого разрешения.
Возможен также самый простой вариант микроспутника (не показан), например вертикальный пакет из 1-2 крейтов, с установкой в слотах крейтов всех электронных модулей служебной и целевой аппаратуры, включая блоки плоских аккумуляторов, выполненные в форм-факторе электронного модуля.
Необходимо отметить, что в данном изобретении модульность приводит к тому, что нет технической необходимости строго разделять конструкцию аппарата на традиционные модули (отсеки) служебной и целевой аппаратуры (исключения см. ниже). Практически вся электроника (например, в стандарте CompactPCI Express), независимо от принадлежности, размещается в унифицированных крейтах 1. Некоторые элементы и приборы, которые невозможно привести к форм-фактору CompactPCI и которые не имеют специальных ограничений на компоновку (в отличие, например, от гиродинов), размещаются в крейтах 2 (блок аккумуляторов) и 3 (блок конденсаторов), имеющих те же внешние и присоединительные размеры, что и крейты 1.
Снаружи на крейтах размещены оптические модули (телескопы) 4, 5 с установленными непосредственно на телескопах звездными датчиками 6, гиродины 7, электромагнитные исполнительные органы 8 и абляционные импульсные плазменные двигатели 9. Также на крейтах устанавливается и другое оборудование, например радиаторы системы терморегулирования, солнечные батареи и др. (не показаны).
Собственно несущая конструкция аппарата показана на Фиг.2, где в разнесенном виде показаны вертикальные пакеты крейтов 1, 2, 3 и вертикальный пакет из крейтов 1а и 1б. Между собой вертикальные пакеты соединены в горизонтальный пакет с помощью кронштейнов 10 и 11. На кронштейнах 10 установлены элементы 12 замков крепления к носителю. Кронштейн 11 имеет посадочные площадки 13 для установки телескопа 5 (Фиг.1).
На Фиг.3 показан вариант унифицированного ряда типоразмеров крейтов. При этом на линейках А и Б показан собственно ряд типоразмеров, а на линейке В показаны вертикальные пакеты из двух крейтов, соответствующие по высоте крейтам на линейке Б.
На Фиг.4 показана конструкция крейта форм-фактора 3U (100×160 мм) CompactPCI Express. Крейт состоит из боковых стенок 14 и 15, передней и задней стенок 16 и 17, верхней и нижней стенок 18 и 19 и кросс-платы 20. В слоты крейта установлены электронные модули (cards) 21 и 22. Задняя стенка имеет отверстия 23 для установки разъемов питания, ввода-вывода, шины CompactPCI Express и др. (не показаны). Передняя стенка 16 может иметь отверстия для разъемов, которые невозможно или нецелесообразно выводить через кросс-плату 20 и заднюю стенку 17, например высокочастотные разъемы (не показаны). Стенки 14, 15, 18, 19 имеют элементы крепления 24 (резьбовые отверстия) для установки снаружи крейта нестандартных приборов и узлов. Боковые стенки 14 и 15 имеют конструктивные элементы (посадочные площадки) 25 для передачи внешних нагрузок. На Фиг.5 показан вариант конструкции универсального крейта, поддерживающего как стандартные модули 21 и 22 форм-фактора 3U, так и модули 26 нестандартного форм-фактора 210×160 мм. Кросс-плата 27 выполнена таким образом, чтобы поддерживать различные комбинации модулей обоих форм-факторов с соответствующим промежуточным направляющим кронштейном 28. На Фиг.6 показан крейт 2 (Фиг.2) для нестандартных приборов и узлов, в данном случае это блок аккумуляторных батарей 29.
Выше было отмечено, что в данной архитектуре аппарата нет технической необходимости разделять конструкцию на традиционные модули (отсеки) служебной и целевой аппаратуры. Однако, по организационным соображениям, может возникнуть необходимость выделить в отдельный крейт модули какой-либо системы аппарата. Кроме того, может понадобиться обеспечить особый тепловой режим для каких-либо электронных модулей.
На Фиг.7 (А) показан крейт 1 высотой Н с шагом форм-фактора h. В нем размещаются N электронных модулей 23. Толщина стенок S для радиационной защиты должна быть не менее 5-6 мм, что, как правило, превышает толщину, необходимую по прочностным соображениям для такой несущей конструкции аппарата. Разумеется, толщина стенок S, вместе с другими конструктивными элементами, должна обеспечить необходимый порог интегральной радиационной защиты для большинства электронных компонентов, что не исключает индивидуальной защиты конкретных компонентов типа процессоров и, особенно, оперативной и энергонезависимой массовой памяти. Такая защита может быть выполнена непосредственно на электронных модулях в районе размещения конкретных компонентов с помощью, например, пластин вольфрама.
Очевидно, что из компоновочных соображений наиболее оптимальной является такая несущая конструкция, в которой минимум два, а лучше все вертикальные пакеты крейтов имеют одинаковую высоту. На Фиг.7 (Б) показан пакет из крейтов 1а и 1б с суммарной высотой, равной сумме H1 и Н2 и равной высоте Н крейта 1.
При этом высота (H) каждого крейта подчиняется формуле:
Н=(N+1)·h,
где N - количество электронных модулей единичной толщины, размещаемых в крейте по высоте, h - шаг форм-фактора электронного модуля по высоте.
Σ
В общем случае, высота (H) пакета крейтов подчиняется формуле:
Σ
1
1
i
i
H=(N+K)·h+…+(N+K)·h,
i
где К=0,1,2… - целочисленный коэффициент, зависящий от конструкции крейта (в данном случае, для всех крейтов, К=1). При К=0 у крейта отсутствуют верхняя и нижняя крышки и он может быть размещен в середине пакета (не показан).
Таким образом, можно достаточно гибко (в пределах выбранного ряда типоразмеров) подбирать комбинации крейтов для формирования оптимальной несущей конструкции аппарата.
На Фиг.7 (В) показан вертикальный пакет из крейтов 1в и 1г с суммарной высотой, также равной высоте Н крейта 1. При этом крейт 1в термоизолирован с помощью прокладок 30 из материала с низкой теплопроводностью и с суммарной высотой h1 и h2, равной h. Таким образом, совместно с установкой отдельных радиаторов, обогревателей и ЭВТИ (не показаны) можно обеспечить особый тепловой режим для крейта 1в.
Применение унифицированного ряда крейтов, обеспечивающих необходимую радиационную защиту электронному оборудованию на базе COTS-компонентов и выполняющих функцию несущей конструкции космического аппарата, позволит достичь следующих преимуществ.
Модульность и унификация позволит значительно ускорить процесс разработки, изготовления и испытаний аппарата, что, в сочетании с применением COTS-компонентов, снизит его стоимость, а отсутствие традиционной несущей конструкции снизит массу аппарата.
Таким образом, все задачи данного изобретения выполнены.
Литература
1. Патент US 6053454.
2. Патент US 6206327.
3. Патент US 6220548.
4. Заявка US 2006/0016935.
5. Заявка US 2007/0029446.
6. Патент US 5518209 (прототип).
7. Патент US 6298289.
8. Патент US 6721658.
9. Статья "An Integrated Approach with COTS Creates Rad-Tolerant Single Board Computer for Space", COTS Journal, December 2003, http://www.cotsjournalonline.com/.
10. Власов С.Ф., Власов Ф.С., Чефранов М.И. Технология разработки и производства долговечной отказоустойчивой и радиационно-стойкой аппаратуры. III Международная Конф. - выставка «Малые спутники. Новые технологии, миниатюризация. Области эффективного применения в XXI веке», 27-31 мая 2002 г.: Сб. докл. - М. - 2002. - Кн.III.