Введение

Развитие космической техники преследует следующие цели: повышение качества продукции и снижение финансовых затрат на разработку, производство и эксплуатацию изделий. Исходя из этого, в настоящее время наблюдается активная тенденция к разработке и введению в эксплуатацию малых космических аппаратов (МКА) с использованием унифицированных космических платформ, обладающих рядом неоспоримых преимуществ по отношению к большим космическим аппаратам (КА).

Унифицированная космическая платформа (УКП) представляет собой конструктивно и функционально обособленный модуль (несущую конструкцию), содержащий бортовую аппаратуру служебных систем, обеспечивающую функционирование полезной нагрузки (ПН) КА (рис. 1). Унифицированная космическая платформа с использованием модульного принципа построения с различными вариантами исполнения служебных систем предназначена для создания на её базе КА различного целевого назначения, например для дистанционного зондирования земной поверхности (ДЗЗ), обеспечения различных видов связи, научных целей и др.

Рис. 1. Типовая схема КА с УКП

За последние годы в силу постепенно проводимой миниатюризации электронной компонентной базы элементов и повышения её надёжности наблюдается тенденция роста функционального потенциала малых космических аппаратов, что приводит к появлению возможностей эффективного решения на базе МКА ряда задач, доступных ранее только «большим» космическим аппаратам. К таким задачам, в частности, можно отнести ДЗЗ и связь.

По сравнению с «большими» КА МКА отличаются рядом характерных особенностей, среди которых выделим следующие:

• распределение по отдельным «специализированным» МКА функционала «больших» КА, позволяющее сократить срок и стоимость производства, что отвечает современной стратегии расходования средств;
• снижение уровня структурно-параметрической и технологической сложности изделия, что обеспечивает повышение его надёжности, а также возможность оперативной модификации функционала отдельных изделий для решения широкого круга задач с различным целевым назначением с меньшими издержками;
• значительное уменьшение массогабаритных характеристик изделий, позволяющее существенно сократить расходы при выводе на орбиту за счёт кластерных или попутных запусков;
• более простой способ утилизации КА за счёт расположения МКА на низких орбитах, что, в свою очередь, ведёт к уменьшению космического мусора на орбите и околоземном пространстве, ценовая привлекательность и т.д.

Цель статьи – проанализировать необходимость применения УКП различных архитектурных построений при создании КА, а также рассмотреть и сравнить основные конструкции УКП, их основные параметры и характеристики и сделать выводы по их достоинствам и недостаткам, применению в перспективе.

За счёт постепенной миниатюризации электронной компонентной базы элементов и повышения её надёжности стало возможным эффективное решение на базе малых космических аппаратов задач, доступных ранее только «большим», например дистанционное зондирование Земли и связь.

Унифицированные космические платформы малых космических аппаратов зарубежных стран

Основными целями при создании УКП являются:

1. Разработка универсальной УКП с применением надёжных, отработанных, в том числе имеющих лётную квалификацию, блоков и устройств с уровнем унификации, близкой к 100% (для КА одинаковой энерговооружённости), которые можно проектировать, изготавливать и испытывать автономно, независимо от типа выведения КА, компоновки модуля полезной нагрузки и массово-центровочных характеристик КА.

2. Сокращение срока изготовления КА, в результате чего снижается стоимость КА (экономичность производства).

3. Увеличение надёжности КА благодаря использованию в их составе отработанных и проверенных компонентов (платформ).

4. Оптимизация технологии сборки модуля ПН и его стыковки с УКП.

Исходя из этого, разрабатываемые и эксплуатируемые в настоящее время космические платформы стараются привести к сходному конструктивно-силовому исполнению корпусов, компоновке установленных на них приборов.

Из современных зарубежных изготовителей космических платформ можно выделить английскую компанию Surrey Satellite Technology Limited (SSTL), работающую в составе Airbus Defence & Space group. В настоящее время компания предлагает пять типов хорошо себя зарекомендовавших платформ для реализации МКА: SSTL-50, SSTL-100, SSTL-150, SSTL-300 и SSTL-900, а также три платформы для КА, созданных по технологии CubeSat, к числу которых относятся SSTL Cube, SSTL Micro и SSTL Mini (рис. 2).

Рис. 2. Космические платформы SSTL Cube (а), SSTL Micro (б), SSTL Mini (в)

Данные УКП используются в основном для решения задач мониторинга, но могут быть использованы и для реализации научных и целевых программ на низких околоземных орбитах [ 1 ].

КА, функционирующие на УКП SSTL Cube, позволяют:

• обеспечить получение оптических и радиолокационных изображений с разрешениями до 1 метра и ниже;
• обеспечить оказание услуг связи, в том числе и для военных потребителей, с использованием технологии SDR (Software Defined Radio – программно-конфигурируемых радиосистем);
• производить автоматическую идентификацию судов путём приёма и обработки сигналов системы AIS (Automatic Information System);
• обеспечить контроль радиационной обстановки в околоземном пространстве;
• отработать демонстрационные технологии разрабатываемых КА.

Основные характеристики УКП SSTL Cube, SSTL Micro и SSTL Mini представлены ниже в таблице 1.

Конструкция указанных УКП изготавливается на заказ в зависимости от миссии и требований к грузоподъёмности с широким спектром опций, проверенных в ходе лётных испытаний.

В рамках Национальной программы космических технологий Великобритании NSTP (National Space Technology Programme) компания SSTL совместно с английской компанией Oxford Space Systems (OSS) разработала МКА Carbonite, отличительной особенностью которого является миниатюрная складываемая углеродная волоконная антенная система, разворачиваемая до необходимой формы на орбите. Для отработки указанных технологий в 2021 году планируется осуществить запуск демонстрационного КА CarbSAR, внешний вид которого представлен на рис. 3.

Рис. 3. Концепт CarbSAR, который может появиться в качестве демонстрационного КА в 2021 году

В настоящее время данная платформа используется для МКА, осуществляющих съёмку наземных движущихся объектов в оптическом диапазоне. Однако в планах компании SSTL разместить на МКА Carbonite в качестве ПН радиолокатора с синтезированной апертурой (РСА). МКА с РСА, получивший название CarbSAR, будет функционировать с разрешающей способностью 0,5 м в X-диапазоне на солнечно-синхронной орбите 550 км с совокупным объёмом передаваемых данных 180 Гбайт в сутки, со скоростью сброса информации 500 Мбит/с.

Наряду с будущей продукцией указанных выше английских компаний большой интерес представляют уже действующие КА на базе унифицированной платформы финской разработки ICEYE SAR (рис. 4) [2-4]. Благодаря применяемой технологии производства РСА компания ICEYE по качеству продукции уже сейчас конкурирует с гигантами вроде Airbus, Atlas и Maxar.

Рис. 4. Внешний вид КА ICEYE-X2

КА весом 85 кг позволяет осуществлять радиолокационную съёмку с разрешением до 0,25 м. В составе группировки будет находиться 18 КА, 12 из которых (по состоянию на 01.07.2021) уже функционирует на орбитах.

Из зарубежных образцов УКП, имеющих относительно давнюю историю и положительно зарекомендовавших себя за время эксплуатации, можно выделить платформу Proteus (компания Thales Alenia Space), разработанную по заданию Французского космического агентства (рис. 5). В совокупности платформы этой разработки без проблем отработали более 18 лет на КА Calipso, Göktürk-1, Jason-2, -3 .

Рис. 5. Архитектура платформы Proteus

Ядром платформы является алюминиевый куб со стороной 1 метр, на каждой из панелей которого может устанавливаться ПН. Концепция платформы унаследована от аппаратов серии GlobalStar. Система терморегулирования аппарата базируется на использовании пассивных радиаторов общей площадью поверхности около 1,88 м² и систем активного охлаждения, которые управляются центральным процессором.

Кроме того, следует отметить УКП ARROW, разработанную компанией Airbus Space & Defence. Платформа ARROW была разработана на базе КП, использованной в КА OneWeb первого поколения, по значительно более низким ценам, чем другие системы с сопоставимыми возможностями. Так, например, УКП ARROW имеют более короткие сроки ввода в эксплуатацию за счёт укороченного производственного цикла (до 15 спутников в неделю). Характеристики УКП представлены в табл. 1.

Из зарубежных образцов можно также отметить платформу BCP-100, которая была разработана компанией Ball Aerospace (США) под задачи создания научных или технологических аппаратов. Платформа использует стандартные интерфейсы для интегрируемых ПН. Компания произвела на основе данной платформы два аппарата и разработала третий – КА Green Propellant Infusion Mission, который был запущен 25 июня 2019 года, в том числе для отработки нового экологического двигателя в качестве топлива, в котором используется гидроксиламмония нитрат. Характеристики платформы BCP-100 представлены в табл. 1 .

Унифицированные космические платформы «больших» космических аппаратов

Несмотря на то, что в настоящей статье рассматриваются в основном платформы для МКА, нельзя не упомянуть о платформах более тяжёлого класса аппаратов, в которых также реализуются принципы унификации.

Платформы BSS-702 компании Boeing используются в КА WGS широкополосной спутниковой системы связи (ССС) МО США (рис. 6) .

Рис. 6. КА WGS на базе платформы BSS-702

Платформа построена по модульному принципу. При этом модуль ПН сопрягается с модулем служебных систем (орбитальной платформой) в четырёх точках, а число связывающих их электрических разъёмов снижено до шести. Это позволяет обойтись без доработки платформы под каждый новый КА, а также изготавливать оба модуля параллельно и независимо, что в целом сокращает цикл производства и удешевляет стоимость спутника. Подобная компоновка КА, помимо всего прочего, позволила повысить эффективность системы терморегулирования за счёт раздельного регулирования температурных режимов в модулях ПН и УКП. В составе бортовой системы терморегулирования применяются усовершенствованные радиаторы с гибкими трубопроводами.

Применение двигательной установки Xenon Ion Propulsion System (XIPS-25) с удельным импульсом тяги 3800 с заметно снижает массу КА. XIPS-25 в 10 раз эффективнее обычных систем на жидком топливе. Четыре 25-сантиметровых двигателя обеспечивают экономичное управление станцией, требуя всего 5 кг топлива в год. Заказчики также могут учесть экономию веса для существенного увеличения ПН при небольших предельных затратах, продления срока службы или перехода на менее дорогую РН (когда стоимость основана на массе спутника).

Ещё одной платформой зарубежного производства, которую можно отнести к классу УКП, является А2100, разработанная Lockheed Martin Commercial Space Systems (LMSS) [9, 10]. Несмотря на давнюю историю (с 1996 года), она с некоторыми модернизациями продолжает служить и в настоящее время. На базе этой платформы были созданы десятки КА. Основой силовой конструкции платформы А2100 является параллелепипед, по сторонам которого размещены бортовые системы и агрегаты, окружённые панелями ПН. На панелях размещены системы, состав которых определяется предназначением спутника (рис. 7). При реализации проекта решаются вопросы конфигурации КА, размещения его компонентов, установки на РН и т. д.

Рис. 7. Состав элементов платформы А2100

Разработка и сборка платформ A2100 с использованием модульного подхода позволила уменьшить число используемых структурных элементов и их массу (на 60% – по утверждению LMSS), упростить конструкцию, повысить надёжность работы на орбите, сократить расходы на запуск и эксплуатацию спутников. Стоит особо отметить, что платформы A2100 полностью изготавливаются из лёгких и прочных композитных материалов, защищающих платформу от тепловых деформаций.

Модульный принцип построения УКП обеспечивает возможность их гибкой адаптации для решения различных задач как за счёт использования тех или иных модулей, так и за счёт их собственной комплектации. Модульность конструкции платформы позволяет автономно проводить монтаж и проверку отдельных систем и агрегатов, а также совершенствовать те или иные модули практически независимо друг от друга, создавая тем самым новые модификации КА.

В перспективе, при негерметичном исполнении, это позволит в случае необходимости обеспечить с помощью сервисных КА лёгкость орбитального ремонта и замены блоков и узлов . Совершенствование последующих поколений базовых УКП может быть достигнуто за счёт применения новых материалов, микро- и нанотехнологий.

Из недостатков можно отметить, что одним из проблемных вопросов технической реализации УКП является их жёсткая адаптация по отношению к КА, из которых необходимо создавать группировку с гибкой архитектурой одного уровня, способную решать широкий круг задач .

Модульность конструкции платформы позволяет автономно проводить монтаж и проверку отдельных систем и агрегатов, а также совершенствовать те или иные модули практически независимо друг от друга, создавая тем самым новые модификации космических аппаратов.

Основные характеристики рассмотренных платформ приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики космических платформ