Авторы
Губанов Д.А.
Организации
ООО "А-Рокетс"
Секция
Доклады юниоров (9-11 класс)
Научный руководитель
Востров Никита Владимирович, к. ф.-м. н., профессиональный инженер России.
Место работы научного руководителя
ООО "А-Рокетс", генеральный директор.
Текст тезисов
Начало реализации Национального проекта «Развитие многоспутниковой орбитальной группировки» (2025-2030) открывает возможности и перспективы для разработок в области двигателестроения для малых космических аппаратов. Настоящий проект нацелен на проектирование и создание экономически выгодного межорбитального буксира, предназначенного для формирования группировок малых космических аппаратов массой от 5 до 200 кг, маневрирования, корректировки, поддержания целевой орбиты, увеличения активного срока жизни и сведения с орбиты МКА и космического мусора. Предусматривается три рабочие версии в зависимости от форм-фактора изделия.
Уменьшение массы и габаритов электронных элементов позволило радикально снизить требуемые массы и сроки изготовления МКА, в процесс которых вовлечены государственные организации и частные компании по всему миру. Крупнейшие российские НИЦ и ВУЗы, как правило, имеют свои МКА на орбите. Известны работающие проекты частных российских космических компаний «Бюро 1440» и «Спутникс», производящих микро- и нано- спутники, в т.ч. для осуществления широкополосной передачи данных.
Сегодня количество запускаемых МКА растет экспоненциально, тогда как количество запусков средств выведения линейно. В основном МКА запускаются в рамках кластерных запусков на ракетах легкого и среднего класса, что приводит к длительному ожиданию "попутного рейса" на нужную орбиту. Пуски на высокие орбиты и отлетные траектории редки. Больший сегмент рынка составляют запуски МКА на низкие орбиты с различными наклонениями и высотой 200…550 км. Пуски на геостационарную орбиту переживают спад. Срок существования аппаратов класса микро- составляет от 1 до 5 лет при их стоимости от нескольких сотен тысяч до нескольких $ млн. Преимущественно это аппараты ДЗЗ ввиду широкого спектра применения.
Известно, что более 50% МКА не имеют собственной двигательной установки. Даже при её наличии на орбитальные маневры МКА накладываются большие ограничения: ввиду ограничений по массе, максимальному удельному импульсу и тяге различных типов ДУ, МКА не способны совершать высокоэнергетические орбитальные переходы.
Актуальной задачей является создание буксира, способного поддерживать и корректировать орбиту МКА в малых пределах изменения наклонения и эксцентриситета, компенсируя орбитальные пертурбации, вызванные остаточным атмосферным сопротивлением, фотонным давлением и другими факторами, осуществлять плановый свод МКА с орбиты по истечении активного срока существования, (при модификации) реализовать высокоэнергетические переходы для перевода МКА на целевые орбиты или отлетные траектории.
Большинство проектов межорбитальных буксиров предполагают использование ЭРД, преимуществом которых является высокий удельный импульс. Однако длительное время выдачи импульса делает невозможным использование эффекта Оберта для экономии топлива при совершении орбитального маневра. Использование аккумуляторных батарей выглядит невозможным из-за их чрезвычайно большой массы. Применение солнечных батарей связано с трудностями при входе аппарата в тень Земли. Системы на химических двигателях рассчитаны на использование высококипящего токсичного топлива. Кроме того, большая часть буксиров не предназначена для МКА и имеет значительные габариты и энергетические характеристики, что обуславливает их высокую стоимость.
Таким образом, для разработки экономически выгодного межорбитального буксира для МКА необходимо соблюдение условий:
– отсутствие ЭРД и мощных силовых установок;
– использование нетоксичных и некриогенных компонентов топлива;
– максимизация возможного ТВР и ускорения.
Проектное решение.
Мини-буксир. Самостоятельная ДУ для МКА типа CubeSat, предназначенная для коррекции траектории, увода от столкновений с космическим мусором, компенсации атмосферного сопротивления, увеличения срока жизни спутника и его контролируемого свода с орбиты. Может использоваться как средство индивидуального перемещения для космонавтов при выполнении ВКД, а также как самостоятельная ДУ для созвездия кубсатов в рамках проекта РОСС.
Преимущества: возможность компенсаций орбитальных пертурбаций позволит увеличить срок жизни МКА (более 3-5 раз в зависимости от массы и типа орбиты); возможность единовременной (несколько минут) выдачи импульса позволит уменьшить массы топлива за счет использования эффекта Оберта, что увеличит конкурентоспособность изделия среди аналогов, использующих стационарные плазменные и электротермические двигатели.
Основные характеристики:
Тяга: 5-10 Н
Топливо: Н202 70-80%
Метод разложения: каталитический
Подача компонентов: вытеснительная
Масса топлива: 0.2 кг
Масса сухая: 0.4 кг
Удельный импульс: 850 м/с – 1520 м/с
Характеристическая скорость собственная: 344.6 м/с – 616.3 м/с
Тип ДУ: ЖРД монотопливный
Время работы: 60.8 с – 33.9 с
Габариты: 80 мм х 80 мм
Буксир большой мощности позволит совершать высокоэнергетические орбитальные переходы, значительно меняя наклонение и эксцентриситет, осуществляя фазирование в широких пределах. Может использоваться для отправки аппаратов на отлетные или высокоэллептические траектории (ГПО, или перевод с ГПО на ГСО).
Характеристики:
Тяга: 3550 Н
Топливо: Н202 90%
Метод разложения: каталитический
Подача компонентов: вытеснительная
Масса топлива: 180.4 кг
Масса сухая: 93.3 кг
Удельный импульс: 1503 м/с
Характеристическая скорость собственная: 828.5 м/с
Тип ДУ: ЖРД, монотопливный.
Время работы: 76.4 с
Габариты: 1875 мм х 720 мм х 720 мм
Проект является актуальным в свете реализации Национального проекта «Развитие многоспутниковой орбитальной группировки» и принят к рассмотрению Научно-техническим Фондом (Гильдией) «Рубежи науки».
Уменьшение массы и габаритов электронных элементов позволило радикально снизить требуемые массы и сроки изготовления МКА, в процесс которых вовлечены государственные организации и частные компании по всему миру. Крупнейшие российские НИЦ и ВУЗы, как правило, имеют свои МКА на орбите. Известны работающие проекты частных российских космических компаний «Бюро 1440» и «Спутникс», производящих микро- и нано- спутники, в т.ч. для осуществления широкополосной передачи данных.
Сегодня количество запускаемых МКА растет экспоненциально, тогда как количество запусков средств выведения линейно. В основном МКА запускаются в рамках кластерных запусков на ракетах легкого и среднего класса, что приводит к длительному ожиданию "попутного рейса" на нужную орбиту. Пуски на высокие орбиты и отлетные траектории редки. Больший сегмент рынка составляют запуски МКА на низкие орбиты с различными наклонениями и высотой 200…550 км. Пуски на геостационарную орбиту переживают спад. Срок существования аппаратов класса микро- составляет от 1 до 5 лет при их стоимости от нескольких сотен тысяч до нескольких $ млн. Преимущественно это аппараты ДЗЗ ввиду широкого спектра применения.
Известно, что более 50% МКА не имеют собственной двигательной установки. Даже при её наличии на орбитальные маневры МКА накладываются большие ограничения: ввиду ограничений по массе, максимальному удельному импульсу и тяге различных типов ДУ, МКА не способны совершать высокоэнергетические орбитальные переходы.
Актуальной задачей является создание буксира, способного поддерживать и корректировать орбиту МКА в малых пределах изменения наклонения и эксцентриситета, компенсируя орбитальные пертурбации, вызванные остаточным атмосферным сопротивлением, фотонным давлением и другими факторами, осуществлять плановый свод МКА с орбиты по истечении активного срока существования, (при модификации) реализовать высокоэнергетические переходы для перевода МКА на целевые орбиты или отлетные траектории.
Большинство проектов межорбитальных буксиров предполагают использование ЭРД, преимуществом которых является высокий удельный импульс. Однако длительное время выдачи импульса делает невозможным использование эффекта Оберта для экономии топлива при совершении орбитального маневра. Использование аккумуляторных батарей выглядит невозможным из-за их чрезвычайно большой массы. Применение солнечных батарей связано с трудностями при входе аппарата в тень Земли. Системы на химических двигателях рассчитаны на использование высококипящего токсичного топлива. Кроме того, большая часть буксиров не предназначена для МКА и имеет значительные габариты и энергетические характеристики, что обуславливает их высокую стоимость.
Таким образом, для разработки экономически выгодного межорбитального буксира для МКА необходимо соблюдение условий:
– отсутствие ЭРД и мощных силовых установок;
– использование нетоксичных и некриогенных компонентов топлива;
– максимизация возможного ТВР и ускорения.
Проектное решение.
Мини-буксир. Самостоятельная ДУ для МКА типа CubeSat, предназначенная для коррекции траектории, увода от столкновений с космическим мусором, компенсации атмосферного сопротивления, увеличения срока жизни спутника и его контролируемого свода с орбиты. Может использоваться как средство индивидуального перемещения для космонавтов при выполнении ВКД, а также как самостоятельная ДУ для созвездия кубсатов в рамках проекта РОСС.
Преимущества: возможность компенсаций орбитальных пертурбаций позволит увеличить срок жизни МКА (более 3-5 раз в зависимости от массы и типа орбиты); возможность единовременной (несколько минут) выдачи импульса позволит уменьшить массы топлива за счет использования эффекта Оберта, что увеличит конкурентоспособность изделия среди аналогов, использующих стационарные плазменные и электротермические двигатели.
Основные характеристики:
Тяга: 5-10 Н
Топливо: Н202 70-80%
Метод разложения: каталитический
Подача компонентов: вытеснительная
Масса топлива: 0.2 кг
Масса сухая: 0.4 кг
Удельный импульс: 850 м/с – 1520 м/с
Характеристическая скорость собственная: 344.6 м/с – 616.3 м/с
Тип ДУ: ЖРД монотопливный
Время работы: 60.8 с – 33.9 с
Габариты: 80 мм х 80 мм
Буксир большой мощности позволит совершать высокоэнергетические орбитальные переходы, значительно меняя наклонение и эксцентриситет, осуществляя фазирование в широких пределах. Может использоваться для отправки аппаратов на отлетные или высокоэллептические траектории (ГПО, или перевод с ГПО на ГСО).
Характеристики:
Тяга: 3550 Н
Топливо: Н202 90%
Метод разложения: каталитический
Подача компонентов: вытеснительная
Масса топлива: 180.4 кг
Масса сухая: 93.3 кг
Удельный импульс: 1503 м/с
Характеристическая скорость собственная: 828.5 м/с
Тип ДУ: ЖРД, монотопливный.
Время работы: 76.4 с
Габариты: 1875 мм х 720 мм х 720 мм
Проект является актуальным в свете реализации Национального проекта «Развитие многоспутниковой орбитальной группировки» и принят к рассмотрению Научно-техническим Фондом (Гильдией) «Рубежи науки».