Космический аппарат дистанционного зондирования Земли

Полезная модель относится к конструкции космического аппарата (КА) и его бортовым системам, и может найти применение при проектировании КА дистанционного зондирования Земли.
Известен космический аппарат дистанционного зондирования Земли (патент №2493056, МПК B64G 1/22, B64G 1/50, опубл. 20.09.2013), который конструктивно объединяет модули целевой аппаратуры и служебных систем и снабжен термостабилизирующим кожухом, выполненным в виде прямоугольного параллелепипеда. На боковых его сторонах закреплены трехслойные сотовые термопанели (ТП) с металлическими обшивками, между которыми встроены тепловые трубы (ТТ). На оболочке кожуха выполнен канал для жидкого теплоносителя с шагом, равным шагу расположения ТТ. Теплоноситель имеет тепловой и механический контакт с соответствующими ТТ. Протяженность канала, длина ТТ и шаг между ТТ выбраны так, чтобы перепады температуры кожуха вдоль двух взаимно перпендикулярных направлений не превышали допустимых. Одна из ТП стенок кожуха, в виде пятислойной сотовой панели, обеспечивает механический контакт модулей целевой аппаратуры и служебных систем. На внешних обшивках этой ТП уложены трубопроводы гидромагистрали. Другая торцевая ТП выполнена в виде металлической пластины с отверстиями под крышки целевой аппаратуры. Каждое отверстие соосно оптической оси соответствующей аппаратуры. На внутренней поверхности торцевой ТП расположены трубопроводы гидромагистрали. Внутри кожуха вдоль продольной оси КА параллельно боковым стенкам закреплена размерно-стабильная несущая конструкция (например, из углепластика) для целевой аппаратуры. Обеспечивающие приборы модуля целевой аппаратуры установлены на верхней торцевой стенке кожуха. Кожух с внешней стороны изолирован от космического пространства экранно-вакуумной теплоизоляцией. Техническим результатом изобретения является повышение качества, в т.ч. точности получаемой КА целевой информации при сохранении его ресурсных характеристик.
Недостатком данного устройства является разделение конструкции космического аппарата на модуль служебных систем и модуль целевой аппаратуры, что в некоторых случаях не позволяет добиться оптимальных массовых характеристик.
Известен космический аппарат дистанционного зондирования Земли (патент №2651309, B64G 1/22, В64С 1/10, опубл. 19.04.2018), который содержит корпус в форме параллелепипеда, состоящий из боковых панелей, закрепленных на шпангоуте служебной аппаратуры в виде фрезерованной плиты. На боковых и верхней (-Z) панелях, а также на крышке камеры, со стороны нижней панели (+Z), установлены солнечные батареи (условно сняты, как и панели +Y и -Y). На плите смонтированы: блок питания и управления, антенны УКВ-диапазона, передатчик Ка-диапазона, гироскоп и звездные датчики. Под плитой закреплены: посредством шпангоута оптико-электронная система, двигатели-маховики и др. элементы. На верхней панели установлены GPS-антенна и антенны УКВ-приемопередатчика. Угловые ребра в стыках боковых панелей играют роль опорных направляющих при взаимодействии КА с транспортно-пусковым контейнером. Технический результат заключается в миниатюризации конструкции и бортовых систем до габаритов спутника CubeSat с форм-фактором 16U при выполнении КА своей целевой задачи, что приводит к упрощению и ускорению процесса изготовления, испытаний и монтажа КА.
Недостатком данного технического решения является малый срок службы, а также отсутствие возможности установки относительно мощного оборудования для проведения сложных научных экспериментов, требующих больших энергозатрат.
Наиболее близким аналогом является космический аппарат дистанционного зондирования Земли АИСТ-2Д (Опытно-технологический малый космический аппарат «АИСТ-2Д». - Самара: Изд-во СамНЦ РАН, 2017. - 324 с), который содержит в своем составе бортовую систему контроля и управления (БСКУ) ДОКА-Б, состоящую из блока радиоканалов метрового диапазона (БРКМ), контроллера температурного регулирования (КТР), контроллера раздачи питания (КРП), блока центральных контроллеров резервированный (БЦКР), контроллера навигации и времени (КНВ), приемного антенного устройства, передающего антенного устройства и навигационного антенного устройства (АУ КНВ), систему управления движением (СУД), состоящую из универсальной многофункциональной вычислительной системы (УМВС), одноосных измерителей угловой скорости (ОИУС), магнитометра аналогового (МА), комплекса управляющих двигателей-маховиков (КУДМ), электромагнитов (ЭМ), оптических солнечных датчиков (ОСД), приборов ориентации по Земле (ПОЗ) и мини-блока определения координат звезд (мБОКЗ), систему электропитания (СЭП), состоящую из солнечных батарей (СБ), аккумуляторной батареи (АБ) и блока автоматики, контроля, управления и регулирования (БАКУР), систему обеспечения теплового режима (СОТР), состоящую из пленочных электронагревателей (ПЭН), контроллера управления СОТР, управляющих термодатчиков и контурной тепловой трубы, радиолинию передачи цифровой информации (РЛЦИ), состоящую из передатчиков и антенн. Корпус аппарата представляет собой отсек, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда, и состоит из рамы, четырех боковых, двух торцевых и одной центральной панели. Панели представляют собой трехслойную конструкцию, состоящую из двух обшивок алюминиевого сплава, соединенных между собой через сотовый заполнитель с помощью пленочного клея, являются силовыми элементами корпуса, используются для размещения приборов систем и обеспечивают необходимую жесткость и теплопроводность конструкции. В панели встроены тепловые трубы. На части внешней поверхности панелей нанесено терморегулирующее покрытие, обеспечивающее сброс тепла в космическое пространство. Внешние поверхности, не предназначенные для сброса тепла, укрываются экранно-вакуумной теплоизоляцией. На раме установлены силовые фитинги, через которые происходит стыковка с устройством отделения. Аппаратура дистанционного зондирования Земли малого космического аппарата «АИСТ-2Д» представлена оптико-электронной аппаратурой (ОЭА) «Аврора» высокого разрешения разработки ПАО «КМЗ» и комплексом оптико-электронной целевой аппаратуры (КОЭЦА), разработанным в НЛП «ОПТЭКС» - филиале АО «РКЦ «Прогресс». Целевая аппаратура обеспечивает полосу захвата МКА «АИСТ-2Д» 39,5 км при пространственном разрешении 1,46 метра (GSD - ground sample distant) в панхроматическом (ПХ) диапазоне. Общая масса аппарата 530 кг.
Основным недостатком аппарата является достаточно большая масса аппарата, а также отсутствие двигательной установки для увода с рабочей орбиты по завершению активного существования.
Технической задачей является обеспечение широкозахватной съемки Земной поверхности со средним пространственным разрешением при существенно меньшей массе аппарата, по сравнению с аналогичными космическими аппаратами при выполнении условия утилизации космического аппарата после окончания срока активного существования.
Техническим результатом является увеличение производительности съемки поверхности Земли путем использования широкозахватного мультиспектрального комплекса совместно с радиолокационным и дифракционным комплексами, а также путем маневрирования и коррекцией орбиты КА с его последующей утилизацией.
Указанный технический результат достигается тем, что в космическом аппарате дистанционного зондирования Земли, содержащем негерметичный корпус, который состоит из рамы, четырех боковых панелей, двух торцевых панелей, одной центральной панели и кронштейнов, БСКУ, СУД, СЭП и СОТР, при этом панели корпуса представляют собой трехслойную конструкцию, состоящую из двух обшивок алюминиевого сплава, соединенных между собой через сотовый заполнитель, в который встроены тепловые трубы, на внешней части поверхности панелей, предназначенной для сброса тепла в космическое пространство, нанесено терморегулирующее покрытие, а на внешней части поверхности панелей, не предназначенной для сброса тепла, установлена экранно-вакуумная теплоизоляция, также в корпусе установлена аппаратура дистанционного зондирования Земли, в состав которой входит широкозахватный мультиспектральный комплекс, установленный на центральной панели, при этом космический аппарат содержит в своем составе термокаталитическую двигательную установку (ДУ), работающую на экологически безопасных монотопливах, по меньшей мере, один двигатель которой, установлен на внешней стороне верхней торцевой панели космического аппарата, а топливные баки и система подачи топлива выполнены в виде моноблока и установлены на внутренней грани верхней торцевой панели.
Кроме того, в состав аппаратуры дистанционного зондирования Земли, входит радиолокационный комплекс, работающий в Р-диапазоне, и комплекс дифракционной оптики, установленные на внешней стороне одной из торцевых панелей космического аппарата.
Применение широкозахватного мультиспектрального комплекса позволяет увеличить полосу захвата при сохранении малых габаритов аппарата, что обеспечит получение данных дистанционного зондирования Земли среднего пространственного разрешения в широкой полосе обозреваемой поверхности в видимом, ближнем инфракрасном диапазоне спектра.
Применение термокаталитической ДУ позволяет увеличить срок баллистического существования КА путем компенсации атмосферного торможения и коррекции наклонения рабочей орбиты, также, в случае группировки КА, ДУ используется для поддержания взаимного расположения спутников группировки, кроме того обеспечивается возможность утилизации аппарата по завершении срока активного существования, путем выдачи тормозного импульса.
Использование в составе КА ДУ на базе термокаталитического двигателя (ТКД), работающего на экологически чистом и безопасном топливе, позволяет снизить сложность и стоимость транспортировки и заправки по сравнению с ТКД, работающем на гидразине, при сравнимых тяговых характеристиках. Исполнение двигательной установки в виде моноблока и размещение ее на верхней торцевой панели позволяет сократить влияние на другие системы КА и упростить процедуры его сборки и обслуживания.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется следующими чертежами:
- на фиг. 1 изображена схема расположения основной бортовой и целевой аппаратуры КА;
- на фиг. 2 изображен общий вид КА, вид на панели -X, -Y, -Z;
- на фиг. 3 изображен общий вид КА, вид на панели+Х,+Y,+Z; Космический аппарат состоит из рамы (1), боковой панели +Z (2),
боковой панели -Z (3), боковой панели +Y (4), боковой панели -Y (5), торцевой панели +Х (6), торцевой панели -X (7), БСКУ (8), СУД, СЭП, СОТР, термокаталитической ДУ, целевой аппаратуры в виде широкозахватного мультиспектрального комплекса дистанционного зондирования Земли, радиолокационного комплекса и комплекса дифракционной оптики.
Панели корпуса (2-7) представляют собой трехслойную конструкцию, состоящую из двух обшивок алюминиевого сплава, соединенных между собой через сотовый заполнитель, в который встроены тепловые трубы. На внешней части поверхности панелей, предназначенной для сброса тепла в космическое пространство, нанесено терморегулирующее покрытие, а на внешней части поверхности панелей, не предназначенной для сброса тепла, установлена экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ). БСКУ (8) включает в свой состав бортовой центральный контроллер (БЦК), бортовой радиотехнический комплекс (БРК) с двумя радиопередающими устройствами и антенно-фидерным устройством (9), контроллер телеметрических измерений, контроллер температурного регулирования, контроллер навигации и времени, приемное антенное устройство (АУ) (10), передающие АУ (11, 12), АУ (13) навигационной аппаратуры. СУД состоит из электромагнитов (14), оптических солнечных датчиков (15), блока определения координат звезд (16), управляющих двигателей маховиков, а также комплекса исполнительных и чувствительных элементов, включающих УМВС, ОИУС (17) и МА. СЭП состоит из батареи фотоэлектрической (18), литий-ионной аккумуляторной батареи и блока автоматики контроля, управления и регулирования. СОТР включает в свой состав пленочные электронагреватели, датчики температурные, контроллер измерений и регулирования, трубы тепловые панелей, трубы тепловые контурные, тепловые трубы бортовой аппаратуры. Широкозахватный мультиспектральный комплекс включает: бортовое запоминающее устройство, блок передатчика и ОЭА (19) мультиспектрального наблюдения. Такой аппаратурой может служить ОЭА, разработанная в ПАО «Красногорский оптико-механический завод» и предназначенная для съемки земной поверхности в 8-ми мультиспектральных каналах в диапазоне 0,45-0,96 мкм с разрешением 10 м и в 2-х панхроматических каналах в диапазоне 0,5-0,8 мкм с разрешением 5 м. Также в состав аппаратуры дистанционного зондирования Земли входят радиолокационный комплекс, работающий в Р-диапазоне, состоящий из антенного устройства (20) и блока электроники, а также комплекс дифракционной оптики (21).
Указанное оборудование предназначено для обеспечения потребителей космическими данными дистанционного зондирования Земли среднего пространственного разрешения (5 м) в широкой полосе обозреваемой поверхности (60 км). Информация, получаемая при помощи широкозахватного мультиспектрального комплекса в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне может служить информационной основой для решения задач природноресурсного мониторинга.
На панели -X (7) установлена ДУ (22), которая предназначена для поддержания параметров движения КА в необходимых пределах, посредством изменения скорости движения и наклонения орбиты КА. Топливные баки (23) и система подачи топлива (24) выполнены в виде моноблока и установлены на внутренней грани панели -X.
Работа КА осуществляется следующим образом. После выведения КА на рабочую орбиту средней высотой 500 км, автоматически, после срабатывания датчика контакта отделения от средств выведения, используя одноосный измеритель угловой скорости (17), универсальную многофункциональную вычислительную систему, магнитометр (13), оптические солнечные датчики (15), звездные датчики (16), комплекс управляющих двигателей маховиков, электромагниты (14), КА приводится в одноосную солнечную ориентацию и происходит раскладывание панелей батареи фотоэлектрической (18). При получении полетного задания на очередной сеанс работы аппаратуры широкозахватного мультиспектрального комплекса БСКУ КА обеспечивает выдачу питающего напряжения на ОЭА (19), бортовое запоминающее устройство и передатчик радиолинии, задействованные в данном сеансе работы.
Управление аппаратурой дистанционного зондирования Земли (19, 20, 21) производится по программно-временному принципу. Подачу питающего напряжения на основной или резервный блоки питания соответствующих составных частей аппаратуры осуществляет бортовая система контроля и управления. БСКУ обеспечивает выдачу массивов управляющих параметров и прием информации оперативного контроля по интерфейсу управления CAN 2/0В.
При завершении срока активного существования КА, по заранее заложенной в память БСКУ программе при помощи комплекса управляющих двигателей-маховиков производится перевод КА в солнечную ориентацию. Затем в заранее определенный момент времени включается ДУ, которая работает необходимое для выдачи тормозного импульса время, и КА переходит на траекторию полета к Земле.