ПИКОСПУТНИК
PICOSATELLITE

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может быть использовано для контроля процесса разделения и состояния космических объектов, в частности, пикоспутниками формата CubeSat (10×10×10 см).
Из уровня техники известен пикоспутник со встроенной системой запуска, снабженный антеннами, солнечными и аккумуляторными батареями и содержащий кубический корпус, внутри которого закреплены электронные печатные платы (см. патент CN 103303494, кл. B64G 1/10, опубл. 18.09.2013).
Наиболее близким по технический сущности к заявленному изобретению является пикоспутник для наблюдения за космическими объектами, снабженный антеннами, солнечными и аккумуляторными батареями, содержащий кубический корпус, внутри которого закреплены электронные печатные платы, и три видеокамеры, объективы которых расположены на разных гранях корпуса (см. http://spacefellowship.com/news/art29095/ardusat-access-to-a-satellite-in-space-for-as-little-as-350.html).
Недостатками известных устройств являются сравнительно низкая массовая защита от воздействия внешних факторов космического пространства (воздействие космической радиации), низкая плотность монтажа печатных плат, сравнительно невысокие надежность (основные бортовые системы не резервированы) и функциональные возможности.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в увеличении срока эксплуатации пикоспутника. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что пикоспутник снабжен антеннами, солнечными и аккумуляторными батареями и содержит кубический корпус, внутри которого закреплены электронные печатные платы, причем корпус выполнен из полиэфирэфиркетона с углеродными нанотрубками, и на всех его гранях, в том числе под солнечными батареями, установлены защитные пластины из пластика на основе полиимида с наполнителем из дисульфида молибдена. Пикоспутник предпочтительно снабжен, по крайней мере, пятью видеокамерами, объективы которых расположены на разных гранях корпуса.
На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого пикоспутника снизу;
на фиг.2 - общий вид сверху;
на фиг.3 - то же, что на фиг.1 с раскрытыми антеннами командной радиолинии бортового комплекса управления;
на фиг.4 - вид сбоку на внутреннюю часть пикоспутника (без стенки корпуса);
на фиг.5 - поэлементный состав пикоспутника;
на фиг.6 - общий вид пикоспутника со снятыми защитной и солнечной панелями;
на фиг.7 - общий вид внутренней части пикоспутника (без корпуса);
на фиг.8 - вид снизу на пикоспутник с раскрытыми ленточными антеннами.
Предлагаемый пикоспутник заключен в кубический корпус 1 с панелями солнечных батарей 2 и защитными пластинами 3 и снабжен, по крайней мере, пятью видеокамерами, объективы 4 которых расположены на разных гранях корпуса 1, корпусом ленточной антенны 5, приемной антенной спутниковой связи 6, антенной GPS/ГЛОНАСС 7, передающей антенной спутниковой связи 8, ленточной антенной командной радиолинии 9, блоком видеокамер 10, разъемами тестирования пикоспутника 11, наноразъемами подзаряда аккумуляторных батарей 12, межблочными наноразъемами (кабельная часть) 13, гибким шлейфом 14, пазами для укладки шлейфов 15, блоком радиоканала 16, бортовым центральным контроллером 17, блоком управления системой электроснабжения 18, блоком аккумуляторных батарей 19, блоком GPS/ГЛОНАСС приемника 20, модемом спутниковой связи 21, электрическими наноразъемами (блочная часть) 22, изолирующими втулками 23, классными втулками 24, направляющими втулками 25, электромагнитными катушками 26, шпильками 27, гайками 28, поворотными крышками корпуса ленточной антенны 29, резьбовыми вставками 30, электронными печатными платами 31, ключом активации пикоспутника 32, светодиодами подсветки 33, контактом отделения 34 из 4-х последовательно/параллельно соединенных герконов и антенной S-диапазона 35.
Корпус 1 выполнен в виде моноблока, собранного из корпусов отдельных приборов с помощью четырех шпилек 27 (М4) из титанового сплава и направляющих втулок 25 из бронзы ступенчатой формы, обеспечивающих соединение втулка-втулка или втулка-корпус. Две из которых в каждом блоке обеспечивают совместно с ответными отверстиями в блоках или соответствующими ответными втулками точную посадку. В каждом корпусе соответственно выполнены 4 отверстия, из которых два выполнены классными, обеспечивающими соединение втулка 24 - корпус 1 по скользящей посадке для нижней части корпуса и прессовой посадке для верхней части корпуса. Таким образом, обеспечивается жесткость конструкции и точность сборки.
Приборный блок состоит из:
- блока видеокамер (5 шт.) 10;
- блока радиоканала 16;
- бортового центрального контроллера 17 (БЦК) с ЗУ;
- блока управления системой электроснабжения 18;
- блока аккумуляторных батарей 19;
- блока приемника GPS/ГЛОНАСС 20;
- блока модема спутниковой связи 21.
На поверхности корпусов, не защищенных пластинами 3, наклеивается пленка с характеристиками типа «солнечный отражатель». Внутренняя поверхность приборов имеет характеристики, максимально приближенные к «абсолютно черному телу» за счет наполнителя из углеродных нанотрубок.
В нижней части блока видеокамер 10 установлены два малогабаритных корпуса 5 с ленточными антеннами 9, которые в исходном состоянии укладываются в виде спиралей, обжатых с двух сторон основанием корпуса и крышкой. Крышка 29 корпуса 5 открывается после выхода пикоспутника из транспортно-пускового контейнера при запуске за счет преобладания упругих сил антенны над силами трения в узлах вращения крышки. В транспортировочном состоянии крышка 29 фиксируется шплинтом, который убирается после установки пикоспутника в транспортно-пусковой контейнер. Крышка 29 при этом удерживается от раскрытия элементами конструкции транспортно-пускового контейнера.
Корпус 1 пикоспутника с четырех боковых сторон и сверху прикрывают панели солнечных батарей 2 с фотоэлементами из арсенида галлия GaAs с квантовыми точками и к.п.д. не менее 30%. Для исключения затенения элементами конструкции пико-спутника панели солнечных батарей 2 дополнительно могут быть установлены на втулки 23 из материала с низким коэффициентом теплопроводности.
Внутри каждого корпуса из приборов имеется ребро (позицией не обозначено) с бобышками, расположенное перпендикулярно стенке, увеличивающее жесткость. Также это ребро обеспечивает установку на него печатных плат 31 с функциональными узлами бортовых систем. Печатные платы 31 могут устанавливаться на это ребро с двух сторон. Межблочное соединение осуществляется с помощью гибкого шлейфа 14, интегрированного в корпус 1 пикоспутника. В корпусе каждого прибора выполнены пазы, образующие кабель-каналы, в которые укладываются шлейфы (Фиг.4, 6, 7). Шлейф 14 и жгуты в пазах снаружи закрываются защитными пластинами 3, на которых напротив разъемов 13 приклеены упорные прокладки, обеспечивающие поджатие разъемов 13 к ответным частям разъемов 22 на платах при вибрациях на участке выведения и транспортировке с целью исключения расстыковки. Кроме того, защитные пластины 3 прикрывают шлейф 14 от теплового и радиационного воздействия.
В пластинах 3, расположенных по осям координат пикоспутника, выполнены канавки для укладки катушек индуктивности 26, выполняющих роль электромагнитных устройств, создающих магнитное поле для ориентации пико-спутника по магнитному полю Земли (Фиг.5).
В корпусе блока видеокамер 10, являющемся нижним блоком в приборном блоке, выполнены пазы для гаек треугольной формы, служащих для фиксации шпилек М4, скрепляющих приборную стойку в единый моноблок. Все эти конструктивно-технологические решения увеличивают прочность конструкции пикоспутника. Также в двух бобышках корпуса блока видеокамер 10 выполнены резьбовые отверстия для крепления пикоспутника в качестве неотделяемой полезной нагрузки или научной аппаратуры на орбитальной станции. Кроме того, в нижней части корпуса блока видеокамер 10 размещены технологические разъемы для подзарядки аккумуляторных батарей 12 и тестирования пикоспутника при испытаниях 11, электрический разъем с ключом активации 32 пикоспутника и светодиоды подсветки 33.
3
3
Повышение долговечности спутника достигается за счет того, что корпус 1 выполнен из прочного материала, имеющего высокий молекулярный вес и обладающего токопроводящими свойствами, а именно из полиэфирэфиркетона с углеродными нанотрубками ТЕСАРЕЕК ELS nano плотностью 1,44 г/см. На всех гранях корпуса 1, в том числе под солнечными батареями 2 устанавливаются защитные пластины 3 из пластика на основе полиимида POLYIMIDE VESPEL SP3 (PI) (аналогичный материал TECASINT 2391) с наполнителем из дисульфида молибдена M0S2 плотностью 1,6 г/см, что обеспечивает более высокую радиационную защиту по сравнению с традиционно используемыми металлами МА2-1 и АМг6 при меньшей массе. Кроме того, поскольку в качестве наполнителя в материале корпуса используются углеродные нанотрубки, которые тоже имеют свою структуру, а в материале пластин - дисульфид молибдена, который, в свою очередь, также имеет более высокую молекулярную массу, то примененные материалы при совместном использовании не имеют вторичного эффекта, т.е. не становятся сами источниками вторичной радиации. Также данные материалы имеют разные физические свойства, которые в совокупности дают положительный эффект: ТЕСАРЕЕК ELS имеет проводящие свойства, что обеспечивает выравнивание заряда статического электричества на корпусе спутника и электромагнитную совместимость, а полиимид с наполнителем из дисульфида молибдена MoS2 является электро- и теплоизолятором, сохраняющим свои свойства в широком диапазоне температур от -270°С до +300°С, что обеспечивает электрическую и тепловую развязку солнечных батарей от корпуса спутника.
Для обеспечения высокой плотности монтажа печатных плат 31 в корпусах приборов с внутренней стороны выполнены специальные буртики по контуру с резьбовыми отверстиями, в которые установлены резьбовые малогабаритные одно или двусторонние шпильки. На указанные шпильки устанавливаются печатные платы в несколько слоев. Между слоями устанавливаются втулки, обеспечивающие необходимый зазор между электронными компонентами соседних плат. На платах устанавливаются межблочные и межплатные разъемы наноразмерности, таким образом, зазор между двумя соседними платами может быть уменьшен до 3-4 мм. Высокая плотность монтажа позволяет резервировать бортовые системы пико-спутника при необходимости или устанавливать дополнительные функциональные узлы и приборы полезной нагрузки.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. Для доставки на орбиту пикоспутник помещается в специальное пусковое устройство, с помощью которого впоследствии осуществляется запуск по целевому назначению. Пусковое устройство располагается на последней ступени ракеты-носителя, разгонном блоке рядом с основной полезной нагрузкой (основным космическим аппаратом) или на орбитальной станции, таким образом, чтобы при отделении пикоспутника в поле зрения его видеокамер находились плоскость разделения основного космического аппарата (КА) от ракеты-носителя, а также наиболее важные элементы механических систем, например, солнечные батареи, штанги антенн, штанга магнитометра и др. Отделение пикоспутника производится за 1-2 секунды до отделения основного КА с минимальными линейными и угловыми скоростями, обеспечивающими безударное разделение объектов.
После отделения пикоспутник сразу активируется за счет срабатывания контакта отделения 34, происходит раскрытие ленточных антенн 9, начальная инициализация бортовых систем и включение блока видеокамер 10 на запись видеоинформации через пять объективов 4 в течение 30 секунд. Раскрытие ленточных антенн происходит за счет упругих сил ленточного штыря антенны 9, уложенного в корпус 5 специальной формы и поджатого неметаллической крышкой 29. В раскрытом положении ленточные штыри антенны 9 образуют между собой угол 90°. Угловое поле зрения каждой видеокамеры 4 составляет не менее 90°. Таким образом, пикоспутник может контролировать большую часть окружающего пространства. С учетом малых угловых скоростей вращения, которые обеспечиваются пусковым устройством и могут составлять 2 градуса в секунду согласно требованиям к транспортно-пусковым контейнерам типа P-POD (Poly Picosatellite Orbital Deployer), за 30 секунд пикоспутник изменит свое угловое положение на 60° в любом направлении относительно продольной оси, совпадающей с осью штыревой антенны 9. При этом основной КА останется в поле зрения одной из пяти камер.
В течение 30 секунд происходит отделение основного КА от разгонного блока и раскрытие основных механических систем. Заснятая видеоинформация с малогабаритных видеокамер запоминается в бортовом запоминающем устройстве и передается на наземную станцию приема информации по скоростному каналу радиосвязи в зоне радиовидимости или по каналу спутниковой связи вне зоны радиовидимости. Для этого на пикоспутнике соответственно установлены приемопередатчики и антенны 4 (скоростной канал) и 6, 8 (канал спутниковой связи). После передачи видеоинформации пикоспутник используется для проведения научных исследований в части радиационной стойкости аппаратуры, новой элементной базы и др.
Предлагаемое изобретение позволяет обеспечить радиационную защиту бортовой и научной аппаратуры, в частности пикоспутников формата CubeSat, и, следовательно, увеличить срок активного существования, а также расширить функциональные возможности за счет увеличения плотности монтажа печатных плат и, соответственно, обеспечить более широкие возможности установки дополнительных функциональных узлов и научных приборов. Кроме того, предлагаемый пикоспутник обладает повышенной прочностью конструкции и увеличенной энерговооруженностью системы электропитания.
Предлагаемый пикоспутник может быть использован для проведения научных исследований и экспериментальной отработки бортовых систем в условиях реальной эксплуатации в случае установки на внешней поверхности орбитальной станции в качестве неотделяемой автономной научной аппаратуры, а также для исследований в области визуального контроля состояния инспектируемых космических объектов с целью принятия дальнейших решений по выводу из нештатной ситуации и целесообразности дальнейшего использования по целевому назначению. Кроме того, данное изобретение может быть использовано для подтверждения факта отделения и нахождения в нормальном состоянии отделяемого космического объекта для страховых компаний.