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

АВТОМАТИЧЕСКИЕ УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ОРБИТАЛЬНЫЕ СТАНЦИИ

КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ

Малые унифицированные космические аппараты серии ДС-У сыграли выдающуюся роль в проведении пионерских исследований физических особенностей и определении характеристик околоземного космического пространства.

К началу 1970-х г.г. приобрела значительную актуальность задача изучения механизмов взаимосвязи отдельных физических явлений в ближнем космосе и солнечноземных связей. Аппараты типа ДС-У уже не подходили для решения такой комплексной задачи ввиду ограниченных ресурсных и функциональных возможностей.

Результаты анализа, проведенного в 1971 г. Конструкторским бюро "Южное", показали, что большинство задач (независимо от ведомственной принадлежности) могут быть представлены в виде нескольких групп. Однотипность требований со стороны задач одной группы определила техническую и экономическую целесообразность создания, модернизации и развития специализированных космических аппаратов как комплектаций единой базы аппаратов, получившей наименование "многоцелевой космический аппарат" (КАМ). В частности, было показано, что большинство научных и прикладных задач, требующих сбора, запоминания и передачи информации по радиоканалам, могут быть решены на базе многоцелевых космических аппаратов только трех классов: КАМ-I, КАМ-II, КАМ-III.

В результате выполненных проектных проработок было сделано заключение, что потребности фундаментальных исследований околоземногр космического пространства почти целиком покрываются использованием двух модификаций автоматической универсальной орбитальной станции класса КАМ-I с ориентацией на Землю (АУОС-3) и на Солнце (АУОС-СМ). Станции стали базовыми платформами для создания целевых исследовательских аппаратов путем оснащения их соответствующими бортовыми комплексами научной аппаратуры.

Автоматическая универсальная орбитальная станция АУОС-3 предназначена для комплексного изучения космического пространства, физической природы явлений солнечной активности, геофизических явлений и связи этих явлений с солнечной активностью, осуществляемого по программе международного сотрудничества, а также для проведения экспериментов в интересах народного хозяйства. Она обеспечивает мини-мум изменений конструкции и состава бортового обеспечивающего комплекса при переходе от одного применения к другому.

Базовый космический аппарат АУОС-СМ предназначен для обеспечения проведения комплексных исследований Солнца в интересах науки и народного хозяйства в рамках проектов "Коронас-И", "Коронас-Ф", "Фотон".

Основными научными целями указанных проектов являются исследования физических процессов, происходящих при выделении и переносе энергии в различных областях активного Солнца и прилегающих к ним районах, а также разработка на этой основе диагностического аппаратурного комплекса для прогнозирования солнечной активности на постоянной (регулярной) основе.

Концептуальные основы унификации станций АУОС-3 и АУОС-СМ остались в принципе такими же, как и ранее сформулированные для аппаратов серии ДС-У. Вместе с тем существенно возросли функциональные возможности аппаратов по обеспечению бортового научного комплекса сервисными функциями в части установочной массы (до 400-600 кг), среднесуточной потребляемой мощности (не менее 50 Вт), точности ориентации, объема командных воздействий, информационных характеристик радиолиний. Унификация затронула и структуру бортового научного комплекса — в него в качестве неизменяемых элементов были введены система технического обеспечения научных приборов и аппаратура радиолинии международного диапазона частот для сброса информации непосредственно зарубежным постановщикам экспериментов по программе "Интеркосмос".

Все это позволило увеличить количество устанавливаемых на борту космического аппарата научных приборов от нескольких единиц до двух десятков и более и тем самым реализовать комплексный характер проводимых экспериментов.

Разработка целевых комплектаций станций АУОС-3 была начата в 1973 г. Все проводимые на станции эксперименты можно отнести к разряду уникальных.

Всего за период с 1973...1991 г.г. разработано, изготовлено и запущено одиннадцать космических аппаратов, созданных на базе платформы АУОС-3, в том числе девять — по программе международного сотрудничества. Использование идей унификации позволило решить поставленную задачу с минимальными затратами времени и средств.

С 1987 г. в разработке находится станция АУОС-СМ и ее целевые комплектации. Выведена на орбиту первая комплектация станции — АУОС-СМ-КИ — с целевой задачей проведения эксперимента "Коронас-И" по исследованию излучения Солнца в широком спектральном диапазоне.

Запуски всех комплектаций станций АУОС-3 и АУОС-СМ осуществлялись с космодрома Плесецк ракетами-носителями 11К65М (на начальном этапе) и 11К68.

МОДИФИКАЦИИ БАЗОВЫХ ПЛАТФОРМ АУОС-3, АУОС-СМ

КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА

Унифицированные платформы АУОС-3 и АУОС-СМ являются конструктивной базой для создания автоматических орбитальных станций различных комплектаций. Эти комплектации, имея общую унифицированную платформу АУОС-3 или АУОС-СМ, отличаются друг от друга комплексом аппаратуры для проведения научных экспериментов.

Конструкция унифицированной платформы АУОС-3 представляет собой несущий герметичный корпус, на котором снаружи размещены восемь панелей солнечной батареи, поворотные штанги с антенно-фидерными устройствами, отдельные элементы системы терморегулирования, ряд приборов, датчиков и антенн обеспечивающей аппаратуры, а также гравитационно-демпфирующее устройство.

Панели солнечной батареи закреплены на ферме верхнего днища корпуса с помощью механизмов поворота, обеспечивающих раскрытие панелей в полете на угол 30°.

Основная часть наружных приборов и датчиков также установлена на ферме верхнего днища платформы.

Посадочное место для гравитационно-демпфирующего устройства расположено в центре наружной части днища.

Расчековка на орбите всех сложенных поворотных элементов производится срабатыванием специальных пиротехнических устройств.

Внутри корпуса размещена ферма обеспечивающей аппаратуры. Для удобства ее электрической стыковки с фермой научной аппаратуры обе фермы снабжены специальным устройством — автостыком, обеспечивающим безопасную автоматическую стыковку штепсельных разъемов ферм при проведении сборочных работ с космическим аппаратом.

При изготовлении космического аппарата определенной комплектации на унифицированную платформу устанавливается отсек научной аппаратуры, который конструктивно состоит из сферической крышки корпуса с расположенной в ней фермой научной аппаратуры.

Снаружи крышки размещены посадочные места для установки приборов и датчиков научной аппаратуры, а также герметичных вводов кабельной сети.

При стыковке космического аппарата модификации АУОС-3 с ракетой-носителем 11К68 крепление платформы к проставке III ступени ракеты-носителя 11К68 осуществляется с помощью разрывных болтов.

Базовая унифицированная платформа АУОС-СМ конструктивно состоит из двух укрупненных блоков: собственно унифицированной платформы и верхнего блока, соединенных между собой герметичным стыком. Унифицированная платформа для всех комплектаций космических аппаратов остается практически неизменной, в то время как верхний блок оснащается научной аппаратурой в соответствии с требованиями каждой отдельной комплектации.

Конструкция унифицированной платформы включает в себя цилиндрический корпус со сферическим днищем, ферму обеспечивающей аппаратуры, четыре блока солнечной батареи, четыре блока панелей, устройства системы терморегулирования, газореактивную систему, предназначенную для обеспечения ориентации космического аппарата, и штанги с антенно-фидерными устройствами.

Блоки солнечной батареи и блоки панелей являются поворотными элементами, закреплены снаружи корпуса с помощью механизмов поворота. Каждый блок солнечной батареи состоит из двух секций, соединенных между собой механизмом поворота. Блок панелей состоит из секции солнечной батареи и рамы, также соединенных между собой механизмом поворота. Рамы всех четырех блоков панелей используются для размещения экспериментальной аппаратуры системы электроснабжения и научной аппаратуры, а также штанг с антеннофидерными устройствами. Расчековка на орбите всех сложенных поворотных элементов производится срабатыванием специальных пиротехнических устройств.

Ферма обеспечивающей аппаратуры размещена внутри корпуса и имеет специальное устройство — автостык — для безопасной автоматической электрической стыковки ее с фермой научной аппаратуры.

Верхний блок состоит из крышки корпуса с расположенными на ней наружной и внутренней приборными фермами и поворотных штанг.

Для стыковки космического аппарата модификации АУОС-СМ с ракетой-носителем 11К68 используется специальная проставка, входящая в состав унифицированной платформы. Платформа крепится к проставке разрывными болтами.

Основные характеристики конструкции

БОРТОВОЙ АППАРАТУРНЫЙ КОМПЛЕКС

Бортовой обеспечивающий аппаратурный комплекс платформы АУОС-3 выбран в следующем составе:

1. Аппаратура командно-программной траекторной радиолинии "Коралл-АЗ" совместно с наземной станцией "Коралл-У" — для управления работой бортовых систем космического аппарата по разовым и программным командам, формирования и передачи квитанций о приеме разовых команд и слов временной программы, обеспечения проведения орбитальных измерений, передачи информации телесигнализации о состоянии бортовых систем космического аппарата, синхронизации работы бортовых систем космического аппарата, выдачи текущих значений бортового времени в радиотелеметрическую систему.

В командно-программной траекторной радиолинии "Коралл-АЗ" использованы реализованные на малых унифицированных космических аппаратах радиотехнические и аппаратурные способы передачи разовых команд управления и измерения параметров орбиты. При этом количество разовых команд увеличено до 60.

Возможности управления были расширены также за счет передачи по существующему радиоканалу слов временной программы управления объемом до 500 двоичных единиц.

Начиная с космического аппарата АУОС-3-М-А-ИК на космических аппаратах типа АУОС устанавливалась модернизированная система иКоралл-А6", что обеспечило увеличение разовых команд до 120, объема памяти — до 4096 двоичных единиц (128 слов по 32 разряда в каждом) и уменьшение дискретности отработки слов временной программы до 16 с.

2. Радиотелеметрическая система БР-91Ц-5 совместно с наземной станцией МА-9МКТМ — для обеспечения регистрации информации аналоговых, контактных, сигнальных и температурных датчиков, непосредственной передачи информации, запоминания, хранения и воспроизведения запомненной информации.

Система построена по принципу временного разделения каналов с использованием двухступенчатой схемы их коммутации. Использована фазовая модуляция несущей частоты радиопередающего устройства. Вне зон видимости средств командно-измерительного комплекса запись показаний датчиков осуществлялась многоскоростным запоминающим уст-ройством, позволяющим обеспечить практически круглосуточное проведение измерений для оценки работоспособности аппаратуры и проведение научных экспериментов. В зависимости от потребности время полного запоминания запоминающим устройством могло быть установлено равным 5, 30, 120 или 960 мин при времени воспроизведения не более 5 мин. Аппаратура позволяла вести регистрацию определенного количества параметров с пониженной частотой опроса или перекоммутацию по разовым командам этих параметров между локальными коммутаторами. Система измерения температуры обеспечивала обслуживание до 57 датчиков температуры — термометров сопротивления.

3. Система успокоения, ориентации и стабилизации — для гашения начальной угловой скорости космического аппарата после отделения его от ракеты-носителя, ориентации космического аппарата по текущей местной вертикали и курсу из произвольного начального положения, трехосной стабилизации станции в орбитальной системе координат с точностью ±(3...4) градуса.

Гашение начальной угловой скорости космического аппарата после отделения осуществлялось магнитно-индукционным демпфером гравитационно-демпфирующего устройства. По устойчивому сигналу датчика наличия Земли производилось выдвижение штанги с гравитационно-демпфирующим устройством в качестве концевого груза, формирование требуемого для гравитационной стабилизации эллипсоида инерции космического аппарата и перевод космического аппарата в режим трехосной ориентации. Курсовая ориентация и стабилизация станции обеспечиваются блоком двухскоростного маховика, кинетический момент которого направлен по оси тангажа станции.

4. Система определения ориентации — для определения углового положения станции и сравнительных точностных характеристик стабилизации станции на различных высотах ее полета.

В состав системы входят магнитометр СМ-5 и прибор 190К определения положения осей станции относительно Солнца.

5. Система электроснабжения — для обеспечения питания бортовой аппаратуры при наземных испытаниях, на участке выведения станции на орбиту и при ее работе на орбите.

Система построена по традиционному принципу прямой передачи электроэнергии от генератора (неориентированная солнечная батарея) к нагрузке без дополнительных согласующих устройств. Совместную работу солнечной батареи, буферных химических батарей 23КМГК-33СА и нагрузки обеспечивает блок управления и контроля параметров источников питания БКИП. Площадь солнечной батареи равна 12.5 м2. Углы между продольной осью станции и плоскостями верхних и нижних панелей солнечной батареи определились из условий получения оптимальной мощности для предельных случаев освещенности орбит.

6. Система обеспечения теплового режима предназначена для поддержания в орбитальном полете космического аппарата температурных условий, необходимых для нормальной работы бортовой аппаратуры.

Система поддерживает температуру газа в герметичном контейнере в пределах 0...40°С, главным образом за счет использования пассивных средств — выбора определенных оптических характеристик покрытия наружной поверхности космического аппарата и применения экранно-вакуумной тепловой изоляции корпуса космического аппарата и отдельных приборов. Радиационная площадь регулируется жалюзи, управляемыми по показаниям датчиков. Включение вентиляторов для перемешивания газа в герметичном контейнере производится при включении аппаратуры с большим тепловыделением.

7. Антенно-фидерные устройства — для обеспечения связи с наземным командно-измерительным комплексом.

8. Коммутационные блоки питания и управления осуществляют взаимодействие бортовых систем, логическое распределение и преобразование команд управления в соответствии с их назначением, коммутацию и распределение питания бортовых приборов.

Выбор обеспечивающего комплекса унифицированной платформы АУОС-СМ осуществлялся с максимальным использованием разработанных для космического аппарата АУОС-3 систем (командно-программной траекторной радиолинии "Коралл-А6", радиотелеметрической системы БР-91Ц-5-01, коммутационных блоков и принципов их взаимодействия в составе космического аппарата).

Система управления ориентацией и стабилизации платформы АУОС-СМ обеспечивает ориентацию продольной оси космического аппарата на геометрический центр диска Солнца с точностью не хуже 10 угловых мин. Время восстановления ориентации и стабилизации космического аппарата с момента выхода его из тени Земли не превышает 5 мин.

Командными органами в составе системы являются прибор ориентации на Солнце и гироскопический измеритель вектора угловой скорости космического аппарата, исполнительными — электромаховичный исполнительный орган и газореактивная система. Управление работой системы осуществляется цифровой вычислительной машиной. Разгрузка маховиков осуществляется контуром магнитной разгрузки, включающим в себя магнитометр СМ- 8М, блок усилителей мощности и магнитные исполнительные органы.

В системе электроснабжения космического аппарата АУОС-СМ площадь солнечных батарей составляет 18 м2. Поддержание напряжения на выходе системы электроснабжения в заданных пределах и защита от перезаряда осуществляются путем коммутации фотоэлектрических батарей дискретными регуляторами приборов БКИП с учетом изменения напряжения на аккумуляторах, температуры и давления внутри аккумуляторов химических батарей.

Обобщенные сведения о характеристиках бортовых обеспечивающих аппаратурных комплексов платформ АУОС-3 и АУОС-СМ представлены в таблице.

Основные характеристики обеспечивающих аппаратурных комплексов

КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ НА БАЗЕ МОДИФИКАЦИИ АУОС-3

КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ АУОС-3-Т-ИК

Космический аппарат АУОС-3-Т-ИК

Назначение аппарата:

— отработка в натурных условиях единой международной телеметрической системы ЕТМС, разработанной специалистами ВНР, ГДР, ПНР, ЧССР, СССР для сбора информации с научных приборов станции АУОС-3 и передачи ее на наземные приемные пункты;

— отработка технологии приема научной информации на территории участвующих стран в выделенном диапазоне радиочастот;

— отработка взаимодействия между участниками эксперимента в процессе обработки информации.

Постановщики научных экспериментов:

Институт космических исследований Академии наук СССР и научные организации ВНР, ГДР, ПНР, ЧССР.

Основные характеристики:

Состав научной аппаратуры:

единая международная телеметрическая система ЕТМС.

Изготовлен и выведен на орбиту с космодрома Плесецк один аппарат АУОС-3-Т-ИК ("Интеркосмос-15").

По данным телеметрической информации отклонений в режимах работы ЕТМС не наблюдалось. Анализ полученных данных подтвердил правильность принципов, заложенных на этапе разработки ЕТМС. Аппаратура ЕТМС обеспечила выполнение задач летных испытаний, полученные данные позволили сделать заключение об окончании этапа экспериментальных работ и возможности использования ЕТМС для проведения научных экспериментов по программе "Интеркосмос".

КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ АУОС-3-Р-О

Космический аппарат АУОС-3-Р-О

Назначение аппарата:

— осуществление комплексного научного эксперимента "Овал" с целью детального исследования пространственно-временной картины сброса частиц различных энергий в ионосферу в спокойных условиях и в периоды суббурь и воздействия сброса частиц на верхнюю атмосферу и, в частности, на ионосферу в области высоких геомагнитных широт, в том числе изучение:

— энергетического спектра и углового распределения частиц, захваченных в геомагнитную ловушку в районе магнитных аномалий;

— процессов "высыпания" заряженных частиц из радиационных поясов Земли на различных геомагнитных широтах;

— распределения температуры и концентрации электронов и положительных ионов вдоль траектории движения;

— пространственного распределения ультрафиолетового излучения атмосферы Земли.

Постановщики научных экспериментов:

Научно-исследовательский институт ядерной физики Московского государственного университета Министерства высшего и специального среднего образования РСФСР, Институт космических исследований АН СССР.

Основные характеристики:

Состав научной аппаратуры:

— дифференциальный спектрометр электронов и протонов;

— спектрометр электронов и протонов;

— электростатический спектрометр;

— черенковский счетчик;

— оптический спектрофотометр;

— спектрофотометр Лайман-альфа;

— спектрометр электронов и протонов;

— измеритель температуры электронов;

— измеритель концентрации ионов;

— телеметрическая система ЕТМС;

— блок управления научной аппаратурой.

Запуск аппарата произведен с космодрома Плесецк. Аппарат получил обозначение "Космос-900".

Установленные на борту научные приборы обеспечили решение основной задачи эксперимента "Овал": изучение частиц различного уровня энергий и холодной ионосферной плазмы в субавроральной области, авроральном овале и полярной шапке в спокойных геомагнитных условиях, во время магнитных бурь и в период солнечных вспышек.

Исследование пространственно-временных распределений параметров этих частиц и ионосферной плазмы имеет первостепенное значение для выяснения механизмов магнитосферно-ионосферных взаимодействий.

КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ АУОС-3-Р-Э-ИК

Космический аппарат АУОС-3-Р-Э-ИК

Назначение аппарата:

— проведение научного эксперимента "Эллипс" по комплексному исследованию солнечных и галактических космических лучей в рамках программы "Интеркосмос".

Эксперимент "Эллипс" проводился для решения задач по исследованию взаимодействия космических лучей с атмосферой и магнитосферой Земли, а также по исследованию их альбедного излучения. Научные задачи эксперимента имели большое прикладное значение, так как были тесно связаны с практическими нуждами наземной радиосвязи и обеспечением радиационной безопасности космических полетов.

Постановщики научных экспериментов:

Научно-исследовательский институт ядерной физики Московского государственного университета Министерства высшего и специального среднего образования РСФСР и научные организации ВНР, СРР, ЧССР.

Основные характеристики:

Состав научной аппаратуры:

— спектрометр электронов высоких энергий;

— измеритель электронной температуры;

— дозиметры;

— анализатор;

— детектор нейтронов;

— дифференциальный спектрометр протонов и электронов солнечных космических лучей;

— детектор протонов и электронов солнечных космических лучей малых энергий;

— телескоп для регистрации изотопного состава;

— электрический анализатор;

— аппаратура для регистрации микрометеоритов;

— панель с уголковыми отражателями;

— телеметрическая система ЕТМС;

— блок управления научной аппаратурой;

— стабилизатор напряжения питания научной аппаратуры.

После выведения на орбиту с космодрома Плесецк аппарат получил обозначение "Интеркосмос-17".

Результаты проведенной обработки данных научного эксперимента дали возможность получения новой информации в области исследования солнечных и галактических космических лучей, новых сведений об источниках космических лучей в Галактике и за ее пределами, о механизмах ускорения частиц до высоких энергий, об основных характеристиках галактической и метагалактической среды, в которой распространяются космические лучи.