Государственное конструкторское бюро "Южное" им. М.К. Янгеля

Ракеты и космические аппараты
конструкторского бюро "Южное"

Под общ. ред. С. Н. Конюхова

©ГКБ "Южное" им. М. К. Янгеля, Днепропетровск, 2000

Наш адрес: ruzhany@narod.ru

МАЛЫЕ УНИФИЦИРОВАННЫЕ АППАРАТЫ

КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ

Положительные результаты первых работ, подтвердившие перспективность дистанционных методов решения научных и прикладных задач, стимулировали огромный поток заявок различных организаций на создание новых космических аппаратов и оснащение их аппаратурой того или иного целевого назначения.

Это вызвало необходимость расширения фронта поисковых и проектных работ. В связи с этим был сделан следующий организационный шаг в развитии тематики работ в ОКБ-586 — сформирован специальный комплекс с расчетно-теоретическими подразделениями.

Вместе с тем, анализ полученных заявок показал, что за многими предложениями стоят перспективы развития их в крупные самостоятельные направления разработок космических аппаратов, одновременный охват которых одному предприятию был не по силам.

Было выработано и принято решение о передаче ряда тем вместе с разработанной в ОКБ-586 проектной документацией другим предприятиям: Всесоюзному научно-исследовательскому институту электромеханики (апрель 1962 г.), ОКБ-10 (август 1962 г.), филиалу №3 Центрального конструкторского бюро энергетического машиностроения (июнь 1967 г.). Эти предприятия успешно работают над дальнейшим развитием тематических направлений, зародившихся в ОКБ-586. Но и оставшийся объем заказов был настолько обширен, что справиться с его выполнением можно было при условии принятия радикальных мер по снижению времени и стоимости разработки и изготовления космических аппаратов. Важным шагом на этом пути явилось принятие решения о создании по техническому заданию АН СССР первой в мире серии унифицированных космических аппаратов.

Конструктивный облик космических аппаратов на базе модификаций ДС-У1, ДС-У2, ДС-У3 унифицированной платформы ДС-У

В результате обобщения опыта проектирования, изготовления и эксплуатации космических аппаратов был выбран основной принцип унификации — независимость комплекса обеспечивающих систем, конструкции аппарата и схемы управления бортовой аппаратурой от конкретной решаемой научной задачи. Это в свою очередь дало воз-можность организовать серийное производство космических аппаратов и комплектующих элементов, а тем самым — расширить фронт научных исследований в околоземном космическом пространстве.

Было очевидно, что в связи с многообразием исследовательских задач и различиями требований к проведению экспериментов создать один тип унифицированного космического аппарата, на котором можно было бы решать любую научную задачу, невозможно. Действительно, ряд исследований, не требующих длительного цикла экспериментов в космосе, целесообразно было проводить на космических аппаратах с химическими источниками тока. Для исследований, требующих значительного срока активного существования аппарата, наоборот, лучше подходило применение солнечной энергоустановки на основе батареи фотопреобразователей. Ряд научно-исследовательских задач требовал ориентации космического аппарата на Солнце.

В итоге было принято решение о создании трех модификаций унифициро-ванной спутниковой платформы: неориентированной в пространстве с химическими источниками энергии — ДС-У1, неориентированной с солнечными батареями — ДС-У2 и ориентированной на Солнце — ДС-У3. Эскизный проект унифицированных космических аппаратов был разработан в 1963 г.

Значительный объем проводимых тематических работ предопределил создание в структуре ОКБ-586 по приказу Министра общего машиностроения от 30 октября 1965 г. специализированного конструкторского бюро по космической тематике.

Всего в серии унифицированных космических аппаратов в период 1963...1976 г.г. было разработано, изготовлено и выведено на орбиту 49 космических аппаратов. Многие из этих аппаратов с целью расширения их функциональных возможностей были дополнительно оснащены устройствами и системами успокоения космического аппарата, закрутки его вокруг продольной оси или ориентации по вектору напряженности магнитного поля Земли.

О высоком научно-техническом уровне разработки малых унифицирован-ных космических аппаратов свидетельствуют 30 изобретений.

Малые унифицированные спутниковые платформы стали инструменталь-ной основой для организации международного сотрудничества в области исследования космического пространства по программе "Интеркосмос".

Результаты научных исследований по ряду проблем физики космического пространства, выполненных на базе малых унифицированных космических аппаратов, получили высокую оценку и мировое признание, они доложены на 27 международных симпозиумах и конгрессах, опубликованы в 95 научных статьях в отечественных и зарубежных изданиях и продемонстрированы на десяти международных и четырех всесоюзных выставках.

КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА

Конструктивно-компоновочной схемой каждой модификации платформы предусмотрено оснащение ее комплектациями научной аппаратуры без доработки конструкции платформы и обеспечивающего аппаратурного комплекса.

Основным узлом каждой модификации платформы является герметичный корпус. Использование герметичного корпуса в составе космического аппарата было продиктовано необходимостью обеспечения для нормального функционирования электронных блоков научной и обеспечивающей аппаратуры определенных климатических условий — газовой среды заданного состава, давления, влажности и температуры.

Корпус диаметром 800 мм и длиной 1460 мм, состоящий из цилиндрической обечайки и двух полусферических днищ, условно разделен на три отсека: научной аппаратуры, комплекса обеспечивающих систем и системы электроснабжения. Все отсеки имеют унифицированные посадочные места для крепления рам с соответствующими блоками аппаратуры.

Неизменяемая длина корпуса является одним из принципиальных отличий унифицированных космических аппаратов от аппаратов поискового этапа и положительным следствием реализации принятых принципов унификации.

Корпус выполнен из алюминиевого сплава АМг-6.

Полусферическая оболочка отсека системы электроснабжения спутника модификации ДС-У1 представляет собой штампосварную конструкцию, в вершине полусферы которой находится силовой фланец для крепления пиротолкателя системы отделения носителя. К торцу оболочки приварен шпангоут, предназначенный для крепления оболочки с центральной частью корпуса, а также для стыковки к шасси носителя.

Для поддержания внутри герметичного корпуса космического аппарата температуры газа (азота) в заданных пределах используется активная система терморегулирования, включающая радиатор, жалюзи, вентилятор, газоводы и блок управления. Радиатором служит полусферическая оболочка отсека системы электроснабжения, на внешней поверхности ко-торой в виде четырех секторов нанесено керамическое покрытие с высоким коэффициентом излучения. Жалюзи представляет собой поворотный экран, по форме и размерам соответствующий секторам с покрытием. Жалюзи имеет подшипниковый узел на силовом фланце и кинематически соединено с приводом, расположенным внутри отсека. Поворотом жалюзи регулируется излучательная способность радиатора.

Средняя часть корпуса представляет собой сварную цилиндрическую обечайку с торцевыми стыковочными шпангоутами. На наружной поверхности средней части корпуса предусмотрены фланцы и кронштейны для установки приборов и датчиков научной аппаратуры, а также бобышки с посадочными местами под штыревые антенны аппаратуры командной ра-диолинии, системы радиоконтроля орбиты и радиотелеметрической системы. Электрическая связь антенн и приборов с аппаратурой, расположенной внутри корпуса, осуществляется через герметичные вводы, установленные на специальных фланцах обечайки.

Полусферическая оболочка отсека научной аппаратуры имеет в вершине полусферы и по поверхности фланцы, а на торце — стыковочный шпангоут. На фланцах оболочки предусмотрены посадочные места для установки приборов и датчиков научной аппаратуры, электрических герметичных вводов, а также штанг с датчиками и антеннами научной аппаратуры.

Конструкция платформы модификации ДС-У2 отличается от конструкции ДС-У1 тем, что на специальные бобышки средней части корпуса устанавливается солнечная батарея.

Солнечная батарея общей площадью 5 м2 представляет собой восьмигранную призму с четырьмя поворотными панелями. Основанием солнечной батареи является штампованный каркас, подкрепленный профилями различного сечения. Материал каркаса — алюминиевые и магниевые сплавы.

На гранях и торцевых поверхностях каркаса устанавливаются стационарные панели солнечной батареи. Четыре поворотные панели прикреплены к каркасу с помощью поворотных механизмов.

В транспортном положении поворотные панели солнечной батареи зачекованы на каркасе. Расчековка и установка панелей в рабочее положение проводятся после отделения спутника от носителя.

Платформа модификации ДС-У3 отличается от ДС-У2 конструкцией цилиндрической части корпуса и солнечной батареи.

Корпус платформы ДС-У3 имеет увеличенную длину цилиндрической части для компоновки на раме обеспечивающей аппаратуры блока системы ориентации.

На наружной поверхности корпуса установлены солнечная батарея, газореактивная система, датчики ориентации на Солнце и антенны радиосистем обеспечивающей аппаратуры.

Солнечная батарея общей площадью 3,7 м2 состоит из восьми поворотных панелей и восьми стационарных панелей прикрепляемых к каркасу. Поворотные панели в рабочем положении расположены перпендикулярно ориентируемой на Солнце продольной оси космического аппарата в двух плоскостях, в районе переднего и заднего шпангоутов цилиндрической части корпуса (по четыре панели в каждой плоскости).

Каркас выполнен в виде восьмигранной призмы, на гранях которой в транспортном положении сложены и зачекованы поворотные панели солнечной батареи.

К переднему торцу каркаса, обращенному в процессе ориентированного полета на Солнце, прикреплены стационарные панели солнечной батареи.

Установка электронных блоков научной аппаратуры осуществляется внутри корпуса на раме научной аппаратуры. Установка датчиков и приборов научной аппаратуры, ориентируемых на Солнце, предусматривается снаружи корпуса на специальных рамах и кронштейнах, прикрепленных к силовому фланцу или к шпангоуту передней полусферической оболочки от-сека научной аппаратуры.

Основные характеристики конструкции:

БОРТОВОЙ АППАРАТУРНЫЙ КОМПЛЕКС

Бортовой аппаратурный комплекс базовых унифицированных платформ предназначается для командно-информационного, энергетического, климатического и иного сервисного обеспечения функционирования аппаратуры целевого назначения и космического аппарата в целом.

Функционально он состоит из комплекса радиотехнической аппаратуры, работающей во взаимодействии с соответствующими передающими и приемными станциями наземного командно-измерительного комплекса, и комплекса автономных систем. Бортовой радиотехнический комплекс обеспечивает траекторные измерения, передачу научной и служебной телеметрической информации, прием команд радиоуправления. Автономные системы выполняют функции электроснабжения, терморегулирования, ориентации (на модификации ДС-У3), контроля пространственного положения (модификации ДС-У1, ДС-У2), формирования шкалы бортового времени, управления питанием и режимами работы научной и обеспечивающей аппаратуры, контроля параметров газовой среды и элементов конструкции, излучения и приема сигналов радиотехнических средств. Состав и характеристики радиотехнического комплекса унифицированы для всех модификаций, а комплекс автономных систем, сохраняя структурную преемственность, адаптирован к конкретным модификациям.

На отдельных комплектациях космических аппаратов модификаций ДС-У1, ДС-У2 устанавливались дополнительные обеспечивающие системы, корректирующие движение космического аппарата вокруг центра масс (газореактивная система закрутки — на КА ДС-У2-И, ДС-У2-ГК, ДС-У2-ГФ, магнитная система успокоения — на КА ДС-У1-А, ДС-У1-Р, ДС-У2-К, ДС-У2-МТ, ДС-У2-ИК-2, магнитная система успокоения и ориентации — на ДС-У2-ИК-5, ДС-У2-ИК-6).

В состав радиотехнического комплекса входит аппаратура командной радиолинии БРКЛ-Б, радиоконтроля орбиты и телесигнализации "Краб", телеконтроля "Трал-П2" с запоминающим устройством ЗУ-2С.

Бортовая аппаратура командной радиолинии является узкополосным приемником-дешифратором переданных наземной станцией частотно-модулированных сигналов, преобразуемых в разовые команды немедленного исполнения.

Аппаратура "Краб" представляет собой передатчик высокостабильного двухчастотного когерентного излучения, используемого наземной станцией для определения радиальной составляющей орбитальной скорости космического аппарата на основе измерения доплеровского сдвига частоты сигнала. По этому же радиоканалу с борта космического аппарата передавалась также часть телеметрической информации.

Многоканальная телеметрическая аппаратура "Трал-П2" построена по принципу временного разделения каналов с последующей передачей информации путем время-импульсной модуляции несущей частоты передатчика. Аппаратура работает как в режиме реального времени, так и в режиме воспроизведения научных и служебных параметров, зарегистриро-ванных запоминающим устройством ЗУ-2С вне зоны видимости средств наземного командно-измерительного комплекса.

Основные характеристики бортового радиотехнического комплекса:

Система электроснабжения модификации ДС-У1 состоит из электрохимических батарей серебряно-цинковых аккумуляторов, работающих в разрядном режиме. На модификациях ДС-У2 и ДС-У3 применяется фотоэлектрическая система электроснабжения с солнечными батареями кремниевых фотопреобразователей и электрохимическими батареями серебряно-цинковых аккумуляторов, работающих в буферных зарядно-разрядных режимах.

Система терморегулирования сочетает пассивные и активные средства. Пассивная часть заключается в специальной (по условиям теплового обмена) обработке наружных поверхностей элементов конструкции и в установке тепловых экранов, активная — в создании принудительной циркуляции газового потока внутри герметичного контейнера от источников тепловыделения к радиационной излучающей поверхности, площадь которой изменяется с помощью жалюзи.

Система ориентации модификации ДС-У3 — активного типа с чувствительными элементами в виде датчиков положения Солнца и датчиков угловых скоростей, электромаховичными и газореактивными (для первоначального успокоения космического аппарата и периодического снятия с маховиков накопленного кинетического момента) исполнительными органами. На освещенной части орбиты система работает в режимах ориентации продольной оси космического аппарата на Солнце и сканирования диска Солнца этой осью.

Газореактивная система аппарата, входящая в состав системы ориентации, размещена на цилиндрической части корпуса. Она содержит четыре шаровых баллона с газом, восемь двигателей, элементы автоматики (пусковой и заправочный клапаны, редуктор давления и др.) и трубопроводы. Двигатели установлены таким образом, что обеспечивают управление аппаратом по тангажу, рысканию и крену.

Основу магнитной системы успокоения составляет постоянный магнит в форме шара, помещенный в жестко связанную с корпусом КА сферическую полость с вязкой жидкостью. На ряде комплектаций система дополняется ориентирующими магнитами, осуществляющими совмещение продольной оси КА с вектором напряженности магнитного поля Земли.

Аппаратура определения ориентации модификаций ДС-У1 и ДС-У2 представляет собой индукционный феррозондовый измеритель трех взаимоортогональных проекций вектора индукции магнитного поля Земли на оси прибора (прибор СГК-58) и измеритель направления на Солнце в связанной системе координат (прибор 94К — на отдельных комплектациях ДС-У2).

Прибор бортового единого времени генерирует высокостабильные электрические колебания и преобразует их в сетку синхроимпульсов для научной аппаратуры и шкалу меток времени, используемых при регистрации научной и служебной информации.

Управление питанием и режимами работы научной и обеспечивающей аппаратуры осуществляется с помощью коммутационных приборов, построенных на базе электромеханических релейных элементов.

Контроль параметров газовой среды и функционирования элементов конструкции проводится набором резистивных термодатчиков, потенциометрических датчиков давления и контактных датчиков раскрытия поворотных узлов.

Антенно-фидерные устройства аппаратуры БКРЛ-Б, "Краб", "Трал-П2" содержат вибраторные и щелевые антенны, фильтрующие и согласующие устройства. Антенны радиотелеметрической системы и системы радиоконтроля орбиты — щелевые, размещены на поворотных панелях солнечной батареи. Антенны командной радиолинии имеют вид трубчатых штырей и прикреплены к шпангоуту цилиндрической части корпуса. Конструктивное исполнение антенно-фидерных устройств ввиду сильной зависимости характеристик от конфигурации космического аппарата имело отличия на разных модификациях.

Электрические связи приборов бортового аппаратурного комплекса между собой и с научной аппаратурой обеспечиваются кабельной сетью, часть которой была унифицирована на всех модификациях.

Основные характеристики комплекса автономных систем

КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ НА БАЗЕ МОДИФИКАЦИИ ДС-У1

КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ ДС-У1-Г (ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ)

Космический аппарат ДС-У1-Г

Назначение аппарата:

получение уточненных результатов исследования атмосферы Земли и зависимости параметров атмосферы от высоты, времени суток и состояния солнечной активности, в том числе:

— получение разреза атмосферы в глобальном масштабе и решение задачи построения модели средней атмосферы;

— изучение суточных эффектов плотности и состава атмосферы Земли; — получение сведений о корреляции между солнечной деятельностью и состоянием атмосферы;

— регистрация интенсивности ультрафиолетового излучения Солнца; — изучение воздействия микрометеоритов на оптические элементы.

Постановщики научного эксперимента:

Институт прикладной геофизики АН СССР, Крымская астрофизическая обсерватория АН СССР.

Основные характеристики:

Состав научной аппаратуры:

— комплект манометрической аппаратуры ИМ-8Л, ИМ-7Ш, УИМ для определения плотности атмосферы;

— комплект масс-спектрометрической аппаратуры МХ6407 для анализа ионного и нейтрального составов газа;

— ионизационная камера ИЛК для регистрации интенсивности ультрафиолетового излучения Солнца;

— измеритель эрозии ИЭ-1.

Произведен запуск двух космических аппаратов с космодрома Капустин Яр ("Космос-108, -196").

Получена ценная информация о корреляции между солнечной деятельностью и состоянием атмосферы. Построена модель средней атмосферы.

КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ ДС-У1-А (АСТРОНОМИЧЕСКИЙ)

Космический аппарат ДС-У1-А

Назначение аппарата:

— проведение фотометрических исследований излучения звезд в ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра, недоступных наблюдению с земной поверхности;

— определение распределения энергии в спектрах звезд, типов и быстрых вариаций звездного излучения с целью изучения физических условий в атмосферах звезд и происходящих в них процессов;

— отработка методики определения ориентации космического аппарата в пространстве.

Постановщик научных экспериментов:

Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга Московского государственного университета Министерства высшего и среднего специального образования РСФСР.

Основные характеристики:

Состав научной аппаратуры:

— комплекс аппаратуры "Зяблик" в составе:

пяти датчиков-телескопов типа СФ для измерения в спектральных областях от 1100 Е до 3000 Е;

рентгеновского датчика-телескопа PC со спектральной чувствительностью 2...5 Е;

двух датчиков типа УФ для измерений в ультрафиолетовой части спектра (2700 Е и 2300 Е);

трех звездных фотометров ЗФ для измерения в видимой части спектра;

поверхностного фотометра ПФ;

солнечного и магнитного датчиков СД, МД;

электронных блоков аппаратуры.

Эксперименты на космическом аппарате ДС-У1-А имели следующие особенности;

— научная фотометрическая аппаратура работает только при нахождении космического аппарата над ночной стороной Земли и выключается по командам датчика Солнца при попадании в поле зрения Солнца, Луны или освещенной части Земли, в связи с тем, что солнечная и отраженная от освещенной стороны Земли и Луны радиация во всех диапазонах спектра на много порядков превосходит излучение любых других астрономических объектов;

— космический аппарат имеет минимальные угловые скорости, которые обеспечиваются использованием на нем специальной магнитной пассивной системы гашения начальных угловых скоростей для реализации достаточно длительного нахождения отдельных звезд в поле зрения фотометрических датчиков научной аппаратуры.

Произведен запуск одного космического аппарата с космодрома Капустин Яр ("Космос-215").

Получена ценная информация о распределении энергии в спектрах звезд разных типов, проведены фотометрические исследования излучения звезд в ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра.