БЛОЧНЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ
MODULAR SPACESHIP

Изобретение относится к космической технике и, в частности, к конструкции блочных космических аппаратов (спутников).
Известен космический аппарат блочно-модульного исполнения (RU 2092398 С1, МПК B64G 1/10, 24.10.1995), выполненный из плоских блоков и содержащий многоцелевую полезную нагрузку, негерметичный приборный контейнер параллелепипедной формы с расположенными внутри теплонагруженными узлами и приборами бортовой аппаратуры, две противолежащие грани которого, ориентированные в околоземном космическом пространстве на «север» и «юг», являются радиаторами с непосредственно установленными на них теплонагруженными приборами и солнечные батареи, приборный блок с «северной» и «южной» радиаторными сотопанелями и противолежащие сотопанели «восток» и «запад», соединенные внешними радиационными обшивками и обшивками приборной сотопанели в единую тепловую сеть транспортными и диодными тепловыми трубами, двигательный блок и блоки системы коррекции двигательной установки ориентации и стабилизации, двигательную установку коррекции приведения и удержания и астроблок с трехосной системой ориентации и стабилизации, взаиморасположенных и объединенных, с образованием корпуса в виде параллелепипеда так, что один из видов блоков объединен с двигательным блоком системы коррекции и с другим видом блока, образуя модуль служебных систем, который, в свою очередь, объединен с приборным блоком модуля полезной нагрузки с установленными на центральной панели через ферменно-стержневую конструкцию антенным блоком и астроблоком.
Недостатком аналога является низкая унификация применяемых блоков и модулей и сложность конструкции, приводящая к снижению надежности.
Известна принятая за прототип модульная конструкция космического аппарата (RU 2374148 С2, МПК B64G 1/22, 01.03.2007), содержащая несущую конструкцию, обеспечивающую аппарату 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 выполнена как горизонтальный пакет, составленный из вертикальных пакетов-крейтов.
Недостатком прототипа является нерешенность проблемы отвода тепла, большая масса космического аппарата, связанная с наличием несущей горизонтальной рамы.
Основными задачами, решаемыми при создании космических аппаратов, являются: высокая надежность, обеспечение удовлетворительного теплового режима, виброударной прочности и радиационной стойкости.
Проблемы виброударной прочности решаются на уровне блоков, например, крейтов с печатными платами в стандартах IEEE 1101.10, IEEE 1101.11 и IEEE 1101.2 (Eurocard) и крейты, выполненные в этих стандартах, широко применяются в специальной технике. Одним из преимуществ применения упомянутых стандартов является использование современных шинных архитектур стандартов VME, CompactPCI, CompactPCI Express и др., что значительно уменьшает количество межблочных соединений и позволяет с минимальными доработками использовать коммерчески доступные модули в этих стандартах.
Проблема с радиационной стойкостью коммерчески доступных компонентов решается как на программно-аппаратном, так и на конструктивном уровне, в частности, экранированием блоков.
Проблема теплоотвода в космических аппаратах обычно решается созданием специальной системы, например объединением теплонагруженных блоков в единую тепловую сеть транспортными и диодными тепловыми трубами, встроенными в структуру рамы каркаса блока.
Проблема надежности космического аппарата решается применением в нем ряда блоков с идентичными функциями.
Задачей заявляемого изобретения является создание космического аппарата в короткие сроки, достижение высоких характеристик надежности, виброударной прочности, теплопроводности и радиационной стойкости путем упрощения конструкции при обеспечении наилучших условий теплоотвода за счет:
- размещения блоков с наименее теплонагруженными приборами внутри космического аппарата (внутренние блоки), а с наиболее теплонагруженными приборами в наименее освещенных частях космического аппарата (внешние блоки),
- соединения блоков друг с другом осуществляется за счет свойства притираемости и взаимного проникновения материала граней соседних блоков,
- распределения функций между блоками с возможностью многократного дублирования.
Для реализации свойства притираемости блоков необходима обработка соответствующих поверхностей по требованиям 13÷14 квалитетов. В качестве примера массовой реализации изделий с подобными требованиями к обработке поверхностей можно привести Плитки Иогансона.
Сущность изобретения поясняется фигурами чертежей:
фиг.1 - конструкция блочного космического аппарата,
фиг.2 - конструкция унифицированного блока блочного космического аппарата, оснащенного двигателем-маховиком.
В качестве примера реализации блочного космического аппарата (БКА) рассмотрим космический аппарат, представленный на фиг.1. Он сориентирован на орбите с помощью двигателей-маховиков 1 системы ориентации таким образом, что обращен к Земле датчиком вертикали и антенно-фидерным устройством 2, а к Солнцу плоскостью 3, на которой размещены солнечные батареи (условно не показаны), обеспечивающие электроэнергией оборудование космического аппарата. Унифицированные блоки 4 служебной и целевой аппаратуры с меньшими тепловыми потерями должны быть размещены внутри блочного космического аппарата, а с большими - у внешней части, ближе к радиаторам (условно не показаны). Для выведения на орбиту космического аппарата необходим элемент 5 системы отделения. Для его закрепления к космическому аппарату служит фасонная рама 6. На грани 7 и противоположной ей грани размещены радиаторы, необходимые для эффективной теплоотдачи. Угол 8 при основании рамы каркаса равен углу наклона орбиты космического аппарата для улучшения условий освещенности солнечных батарей.
В качестве основы для создания унифицированных блоков может быть выбрана прямоугольная четырехгранная пирамида (фиг.2), углы 9 у основания которой - прямые. Унифицированный блок имеет раму каркаса 10 и обшивку 11 из теплопроводного материала с высокой механической прочностью. Толщина обшивки должна обеспечивать экранирование от космической радиации. В качестве основы для построения унифицированных блоков выбрана пирамида, поскольку по сравнению с параллелепипедом (крейтом), упоминаемом в прототипе, она обладает более высокой жесткостью. Параллелепипед может быть собран из четырех пирамид, но у такого параллелепипеда, в отличие от упоминаемого в прототипе, будут диагональные ребра жесткости. Поэтому его масса будет меньше, чем у параллелепипеда прототипа при прочих равных условиях. Кроме того, прямоугольная пирамида имеет угол при основании, равный углу наклона орбиты, и оптимально заполняет объем, отведенный под космический аппарат.
Аналогичным образом строятся унифицированные блоки, содержащие другие модули блочного космического аппарата, например датчик вертикали, систему управления ориентацией и т.п.
Для бесконтактной передачи информации по унифицированному интерфейсу, а также электрической мощности через трансформаторную или иную бесконтактную электрическую связь используется область 12 в геометрическом центре каждой грани пирамиды с минимальной толщиной экранирующего материала, исходя из обеспечения возможности бесконтактной передачи информации.
Передача информации между блоками космического аппарата может быть организована по принципу многоузловой сети, в которой каждый блок является приемником, передатчиком информации или транзитным узлом для организации обмена информацией между другими блоками. Блоки выполнены с возможностью автоматической конфигурации в сеть с определением своих соседей, при этом наличие центрального координирующего процессора в сети не обязательно. В качестве протоколов обмена в такой сети могут быть приняты как стандартные, например, из стандарта IEEE 802.15.4, так и вновь разработанные. Реализация информационного обмена в блочном космическом аппарате по принципу самоорганизующейся сетевой архитектуры позволит повысить отказоустойчивость аппарата и обеспечит высокую скорость передачи данных, без повышения массы БКА.
В зависимости от различных требований к конструкции космического аппарата он может быть скомпонован из многогранников, в том числе правильных, а также прямоугольных призм.
Таким образом, повышение надежности соединений за счет свойства притираемости отдельных блоков между собой обеспечивает высокую функциональность, а также не повышает массу предложенного БКА. Кроме того, за счет развитой внутренней поверхности БКА значительно повышается его жесткость, улучшаются условия теплоотвода от теплонагруженных элементов БКА. Одновременно снижается трудоемкость изготовления БКА, который в случае необходимости может быть скомпонован в течение 6-7 дней.