Стенд для тепловакуумных испытаний спутников стандарта CubeSat с интерфейсом связи
STAND FOR THERMAL-VACUUM TESTING OF CUBESAT-STANDARD SATELLITES WITH A COMMUNICATION INTERFACE

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к устройствам, используемым на этапе наземных тепловакуумных испытаний спутников стандарта CubeSat.
Известен ряд устройств на основе вакуумной камеры для тепловакуумных испытаний спутников. В патентах RU 2205140 C1, RU 2302983 C1, RU 2564056 C1 описаны вакуумные камеры, снабженные различным оборудованием, имитирующим факторы космического пространства (криоэкраны, имитаторы внешних тепловых потоков, имитаторы солнечного излучения), в которых КА устанавливаются неподвижно. Также известны устройства, в которых есть двигающиеся отдельные элементы камер: криоэкраны (патент RU 2208564 C1) или пространственно позиционируемые экраны (патент RU 2565149 C2). К недостаткам этих устройств можно отнести то, что достоверность результатов проводимых испытаний в них ниже, чем в камерах с опорно-поворотными устройствами КА (патент RU 2734681 C1).
Наиболее близким по технической реализации к предлагаемому изобретению является стенд для проведения тепловакуумных испытаний космических аппаратов в условиях, имитирующих натурные, представленный патентом RU 2734681 C1. Данный стенд включает вакуумную камеру с загрузочной крышкой, систему вакуумирования, криогенный экран, имитатор солнечного излучения, опорно-поворотное устройство для размещения КА, систему управления работой вакуумной камеры, систему управления работой КА. Вакуумная камера выполнена в виде двух перпендикулярных цилиндров. Опорно-поворотное устройство размещено в нижней части горизонтального цилиндра. Имитатор солнечного излучения имеет два источника излучения - горизонтальный и вертикальный. При размещении КА на опорно-поворотном устройстве облучение солнечным потоком происходит с высокими точностными характеристиками по неоднородности уровней плотности падающего потока излучения, непараллельности и удельной тепловой мощности падающего теплового потока.
Этот стенд принят за прототип.
Недостатком прототипа является то, что опорно-поворотное устройство с КА осуществляет только вращательные движения вокруг своей оси. Отсутствует описание того, как осуществляется взаимодействие с КА, находящемся во вращательном движении в герметично закрытой, выполненной из экранирующего материала, камере. Исходя из представленной схемы стенда, можно предположить, что существуют трудности связанные с установкой КА на опорно-поворотное устройство при опускании его внутрь камеры, отсутствует возможность визуального контроля за вращением КА в вакуумной камере.
in situ
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в создании условий, максимально имитирующих натурные, при проведении тепловакуумных испытаний КА стандарта CubeSat форматов от 1U до 12U, упрощенной установке КА на опорно-поворотное устройство как в горизонтальном, так и в вертикальном положении, в обеспечении визуального контроля и устойчивой связи с КА, находящимся в вакуумной камере, с целью осуществления автоматического контроля над перемещением и информационного взаимодействия с КА , приема телеметрии.
Необходимость решения такой технической задачи вызвана увеличением количества запусков попутной полезной нагрузкой или ракетами легкого класса спутников стандарта CubeSat, в виду перспективности их использования. Для допуска к пуску каждый КА должен пройти ряд испытаний, в число которых входят тепловакуумные испытания. От успешности прохождения этих испытаний во многом зависит успех выполнения всей миссии космического аппарата на орбите.
Предлагаемое устройство состоит из вакуумной камеры, выполненной из соединенных Т-образно горизонтального и вертикального цилиндров, оборудованной криогенным экраном, расположенным по внутреннему контуру каждого цилиндра; имитатора солнечного излучения в виде двух источников смонтированных на фланцах цилиндров; фланца со смотровым окном; фланца для подключения откачного поста; опорно-поворотного устройства со сменной корзиной, размещенной на вертикальном фланце внешней трубы, используемой для передачи опорно-поворотному устройству вращательного и поступательного движения; внутренней трубы для прокладки интерфейса связи к фланцу на конце этой трубы; а также опор, подшипников, защитных кожухов и вакуумных прокладок обеспечивающих оптимальный режим работы всего стенда.
Отличие от ближайшего аналога заключается в возможности:
1. Не только вращать КА во время тепловакуумных испытаний, но и перемещать его вдоль оси вращения, благодаря горизонтальному размещению опорно-поворотного устройства, получившему дополнительную степень свободы.
in situ
2. Осуществлять управление космическим аппаратом и прием его телеметрии , автоматизированный контроль над перемещением, благодаря оптическому интерфейсу связи, совмещенному с опорно-поворотным устройством.
3. Устанавливать КА в вертикальном или горизонтальном положении благодаря использованию сменных корзин адаптируемых к опорно-поворотному устройству.
4. Проводить визуальный контроль перемещений КА в вакуумной камере, благодаря наличию фланца со смотровым окном.
5. Выполнять облегченную загрузку КА в вакуумную камеру благодаря возможности выдвигать опорно-поворотное устройство с корзиной из камеры наружу.
Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом стенде для тепловакуумных испытаний спутников стандарта CubeSat форматов от 1U до 12U, включающем вакуумную камеру, состоящую из горизонтального и вертикального цилиндров соединенных Т-образно, оборудованную криогенным экраном, расположенным по внутреннему контуру каждого цилиндра, имитатором солнечного излучения в виде двух источников смонтированных на фланцах цилиндров, используется опорно-поворотное устройство со сменной корзиной, которое может одновременно вращаться вокруг собственной оси и перемещаться вдоль нее, а установка КА в корзину может осуществляться как в горизонтальном, так и в вертикальном положениях вне вакуумной камеры, оснащенной дополнительно фланцем со смотровым окном для визуального контроля, при этом информационная связь с КА поддерживается постоянно благодаря оптическому интерфейсу связи на основе разнесенных оптопар, совмещенному с опорно-поворотным устройством.
Устройство представлено на следующих чертежах:
фиг.1 - общий вид стенда для тепловакуумных испытаний спутников стандарта CubeSat с разобранной вакуумной камерой (без приборов, имитирующих факторы космического пространства);
фиг.2 - стенд для тепловакуумных испытаний спутников стандарта CubeSat с интерфейсом связи в разрезе;
фиг.3 - интерфейсные панели бесконтактной связи стенда для тепловакуумных испытаний спутников стандарта CubeSat.
Стенд для тепловакуумных испытаний спутников стандарта CubeSat с интерфейсом связи состоит (см. фиг.1 и 2) из вакуумной камеры 1 на опорах 7, снабженной фланцами 2 и 3 с гермовводами и установленными источниками имитатора солнечного света; криогенного экрана 28, расположенного по внутреннему контуру каждого цилиндра вакуумной камеры; фланца со смотровым стеклом 29; быстро разъемного фланца 30 с вентилем для подключения гофры откачного поста; фланца 27, через который проходит перемещающая корзину с КА внешняя труба 18, скользящая через подшипник 16 в кожухе 15; жестко закрепленного на трубе 18 посредством муфты 14 опорно-поворотного устройства со съемной корзиной 4, имеющей фиксирующую КА рамку 5; интерфейсной платы (см. фиг.3) 10, закрепленной на внутренней части кожуха 9 и соединяющейся шлейфом 8 со спутником 6 стандарта CubeSat 12U (см. фиг.2), включающей в себя четыре лазерных диода по краям платы для позиционирования КА, один фотоприемник в центре платы для входящего управляющего сигнала и один лазерный диод для исходящего информационного сигнала, расположенный между фотоприемником и крайним лазерным диодом, закрепленной на торце внутренней трубы 25, соединенной жестко с посаженным на нее подшипником 13, фиксируемым накладкой 12, снабженной фланцем 26 с гермовводами на противоположном торце, электрически соединенного с интерфейсной платой 11, а также реечного механизма 19 для передачи поступательно движения КА, шестерни 20 для передачи вращательного движения КА, прокладки с кожухом 17, кожуха 23, подшипника 24 для поддержания свободно скользящей через в нем трубы 25, подшипника 22 с опорой 21, для поддержания свободно скользящей через в нем трубы 18.
Устройство работает следующим образом.
-3
in situ
На начальном этапе опорно-поворотное устройство с присоединенной к нему корзиной выдвигается через снятый фланец из вакуумной камеры, и в корзину устанавливается КА. На фиг.2 показана корзина, адаптированная под спутник CubeSat 12U. Для спутников других форматов (1U-6U) устанавливаются соответствующие их размеру корзины, при этом спутники в них можно устанавливать как горизонтально, так и вертикально. Затем опорно-поворотное устройство возвращается в камеру, и ранее снятый фланец с прокладкой устанавливается на свое прежнее место. На этом, также как и на последующих этапах, посредством фланца со смотровым стеклом, осуществляется визуальный контроль над КА в камере. При необходимости смотровое окно экранируется. Через быстро разъемный фланец к камере подключается гофра откачного поста и происходит откачка до давления, исключающего конвективный теплообмен в вакуумной камере (до 10 Па). Одновременно с откачкой камеры захолаживают криогенный экран. Затем проводятся испытания КА с использованием имитаторов солнечного излучения. При этом спутник одновременно может вращаться и перемещаться вдоль оси своего вращения, что соответствует условиям максимально имитирующим натурные. Вращение и перемещение корзины с КА происходит благодаря электроприводу адаптированному к шестерне и реечному механизму, размещенным на трубе жестко соединенной с опорно-поворотным устройством с корзиной. Процедуры контроля над перемещением КА, управление им  и прием телеметрии осуществляются посредством оптического интерфейса, состоящего из нескольких разделенных оптопар. Первая половина этих оптопар подключена к конвертору, размещенному в корзине и запитанному от бортовой сети КА, а вторая половина оптопар через внутреннюю трубу стенда подключается к фланцу снабженному гермовводами. Посредством гермовводов осуществляется подключение КА к контрольной и управляющей аппаратуре. Завершив испытания, отогревают криогенный экран до комнатной температуры, а вакуумную камеру разгерметизируют.
in situ
Технический результат изобретения заключается в создании условий, максимально имитирующих натурные, при проведении тепловакуумных испытаний КА стандарта CubeSat форматов от 1U до 12U, упрощенной установке КА на опорно-поворотное устройство как в горизонтальном, так и в вертикальном положении, в обеспечении визуального контроля и устойчивой связи с КА, находящимся в вакуумной камере, с целью осуществления автоматического контроля над перемещением и информационного взаимодействия с КА , приема телеметрии.
Источники информации
1. Патент RU 2734681 C1,
2. Патент RU 2205140 C1,
3. Патент RU 2302983 C1,
4. Патент RU 2564056 C1,
5. Патент RU 2208564 C1,
6. Патент RU 2565149 C2.