Орбиты и условия эксплуатации спутников

Современный мир сложно представить без использования спутников связи. Работа современных технических комплексов и развитие в разных сферах жизни напрямую связаны с технологиями, работающими благодаря спутникам. Спутник связи — это искусственный спутник, выведенный на орбиту с помощью летательного аппарата (ЛА), назначением которого является ретрансляция радиосигнала между точками на поверхности Земли.

Развитие систем в разных сферах жизни человека таких, как спутниковая связь, GPS-ГЛОНАСС, метеорология, наблюдение за наземными и космическими объектами и т. д. потребовало улучшения характеристик рефлектора. Современные антенны должны обеспечивать большой коэффициент усиления и точность приёма и передачи сигнала. Важной составляющей частью рефлектора является его крепление к КА. От конструкции крепления зависят основные характеристики, связанные с точностью передачи сигнала. Существует два основных типа конструкции крепления: подвижное и неподвижное. В данной работе будет рассмотрено неподвижное крепление, которое обеспечит хорошие жесткостные характеристики конструкции, что поспособствует увеличению точности передаваемого и принимаемого сигнала.

Ключевые слова: оснастка, производственная линия, производство, эффективность, оборудование, оптимизация, процесс, контроль качества

Орбиты и условия эксплуатации спутников

Проектирование крепления конструкции РЗКА к КА является сложной и многостадийной задачей. Для её выполнения необходимо рассмотреть множество факторов и особенностей при работе спутника в открытом космосе. Спутники связи эксплуатируются на геостационарной орбите, поэтому необходимо учитывать её особенности при создании изделия. Также спутник выводится на орбиту с помощью ракеты-носителя, а значит испытывает перегрузки при старте и во время всего полёта. Это тоже важно учитывать, поскольку соединения между креплением и рёбрами могут быть клеевыми, а значит вибрационные нагрузки могут разрушить подобного рода соединения, если неправильно будет подобран материал.

Принцип спутниковой связи заключается в ретрансляции аппаратурой спутника сигнала от передающих наземных станций к приёмникам. Спутник представляет собой устройство, принимающее сигнал с поверхности Земли, который в дальнейшем усиливает и отправляет обратно на Землю. В настоящее время люди используют несколько орбит для размещения спутников. Орбита представляет собой траекторию вокруг Земли, по которой движется спутник. Во время свободного полёта движение аппарата происходит под действие сил гравитации.

Рис. 1. Эллиптическая и круговая орбиты

Эллиптические спутниковые орбиты чаще всего называют высокой эллиптической орбитой (ВЭО). Одной из особенностей этой орбиты является то, что спутник вращается по кривой эллипса вокруг Земли. А значит, что в разных точках движется с разной скоростью, т. е. чем ближе он к поверхности планеты, тем быстрее он начинает двигаться, а чем дальше от поверхности, тем меньше его скорость. Расположение эллиптической орбиты показано на рисунке 1.

Геостационарная орбита (ГСО) используется для размещения на ней разных видов спутников, начиная со спутников связи и заканчивая спутниками военного назначения. Высота данной орбиты в среднем составляет около 35786 км от среднего уровня моря. Преимуществам данной орбиты является то, что спутник находится на одном и том же расстоянии от поверхности Земли, что позволяет направлять на спутник фиксированную антенну наземной станции.

Рис. 2. Геостационарная орбита

Спутник, находящийся на этой орбите, совершает один оборот вокруг Земли за сутки. Приведем ряд преимуществ, которые являются важными при организации глобальной связи:

— отсутствие перерывов связи вследствие взаимного перемещения КА и пользовательского терминала во время сеанса связи;

— охват связью 95 % поверхности Земли системой, состоящей всего из трех геостационарных спутников;

— отсутствие необходимости в организации межспутниковой связи (в отличие, например, от низкоорбитальных систем);

— простота организации связи в глобальном масштабе

Высота ГСО имеет довольно большое численное значение, из-за этого есть значительный недостаток — длительная задержка между передачей и приёмом сигнала. Помимо этого, задержка зависит от атмосферы и приёмопередающего оборудования. Также недостатком данной линии связи является перенасыщенность ГСО и невозможность обслуживания полярных областей.

Во время полёта РН на него действуют три основные группы факторов, существенно влияющие на полёт. Реактивные силы, влияющие на конструкцию ракеты при истечении газов из двигательных установок и массовые силы, подчинённые закону тяготения, являются внешними силами. Поверхностные силы, к которым относятся аэродинамические нагрузки. Все силы, действующие на ракету, имеют воздействие и на внутренние части, в том числе и на спутник, находящийся в головном обтекателе. Рассмотрим более детально перечисленные силы:

1. Сила тяги ракетного двигателя: равнодействующая сила, действующих сил на поверхность ракетного двигателя и сил давления окружающей среды, направлена против силы тяги двигателя. При работе двигателей и воздействии данной силы могут возникать вибрационные нагрузки.
2. Массовые силы: сила притяжения, действующая на ракету в полёте. Ускорения притяжения изменяется с высотой полёта.
3. Поверхностные силы: аэродинамические силы, действующие на участке полёта, где присутствует атмосфера.
4. Аэродинамические силы: силы сопротивления при движении ракеты в пространстве, также могут вызывать вибрационный нагрузки.

Также существует понятие о перегрузке, при движении ракеты с ускорением появляются силы инерции, которые дополнительно нагружают элементы конструкции. Данные силы относятся к массовым. Самое большое воздействие на перегрузку оказывает масса ракеты в полёте вследствие выгорания топлива.

Помимо нагрузок, возникающих при полёте, конструкция испытывает нагрузки в открытом космосе. Примером таких нагрузок являются тепловые. Тепловой режим КА формируется под воздействием внешнего и внутреннего теплообмена. Данный теплообмен рассматривается в специфических условиях космического пространства. Внешняя поверхность нагревается за счёт тепловых потоков со стороны Солнца, планет и фоновой радиации, также источниками энергии служат столкновения с атомами и молекулами верхних разряженных слоёв атмосферы.

Самой большой проблемой работы в условиях открытого космоса, является проблема, связанная с большим перепадом температур. Это связано с тем, что ЛА вращается вокруг Земли, а не находится на одной точке, то есть за время своей работы находится в теневой области или же под прямым действием солнца.

Задачей теплового анализа является определение полей и перепадов температур по элементам конструкции антенны в условиях ее эксплуатации на орбите Земли.

Рис. 3. Тепловой баланс тела в открытом космосе

Поверхностная температура КА на околоземных орбитах определяется тепловым балансом между поверхностью КА и окружающей его средой, которая включает Солнце, Землю и её атмосферу, а также открытый космос, который выступает в качестве окружающей среды, куда осуществляется отток тепла. Основными источниками, составляющими внешний тепловой поток q _ext , приходящийся на поверхность КА, являются прямое солнечное излучение, солнечный поток, отраженный от Земли (альбедо), и собственное инфракрасное излучение Земли. Таким образом, внешний тепловой поток, приходящийся на тело открытом космосе, определяется суммой

Q _{solar —} солнечный тепловой поток, Q _{earth —} тепловой поток от инфракрасного излучения Земли, Q _albedo — тепловой поток за счет отраженного от Земли солнечного излучения.

Рис. 4. График изменения солнечной постоянной в течение года

Внешний нагрев КА на орбите Земли изменяется во времени, то есть орбитальный нагрев — это функция, зависящая от высоты орбиты и геометрической ориентации конструкции КА относительно Земли и солнца.

Факторы видимости используются для расчета лучистого теплообмена между несколькими поверхностями — это и есть коэффициенты, отвечающие за орбитальную и взаимную ориентацию элементов конструкции КА.

Также стоит обратить внимание на потоки тепла, исходящие при соударении КА с молекулами и атомами атмосферы. Нагрев становится заметным при движении на участках орбиты, расположенных ближе всего в поверхности планеты. Тепловой эффект проявляется при переходе части или всей кинетической энергии частиц в тепловую.

Помимо температурных нагрузок, на конструкции ЛА воздействует радиация, что тоже имеет большое влияние на эксплуатационные характеристики. Мощным источником радиации является солнце. Наиболее стойкими к данному излучению являются керамические покрытия.

Рассмотрим влияние космического вакуума на конструкции РКТ. При воздействии космоса меняются механические, оптические и другие характеристики материалов. В вакууме происходит испарение чистого вещества, ему подвержены все материалы, используемые в космосе. Наиболее подверженные материалы: кадмий, цинки марганец. Другие привычные материалы такие, как алюминий, кремний и медь более устойчивы к сублимации. При температурах ниже 370 К устойчивы алкидные, фенольные и эпоксидный смолы, но при температуре более 420 К их химический состав изменится и начинается интенсивное испарение. Также может усиливаться адгезия разнородных материалов при их соприкосновении. Помимо этого, могут возникать микроскопические трещины и коррозия.

Стоит обратить внимание на ещё одну категорию воздействия на ЛА — космический мусор. Стоит отметить, что на данный момент ведутся исследования, связанные с очищением космического пространства от мусора. Нельзя не учитывать приведённый фактор, поскольку мусор может повредить конструкцию спутника. Для защиты внешней части ЛА используют специальные прочные покрытия.

Литература:

1. Тайгин, В. Б. Обзор конструкций зеркальных антенн космических аппаратов с твердотельными прецизионными размеростабильными рефлекторами / В. Б. Тайгин, А. В. Лопатин // Космические аппараты и технологии. — 2021. — Т. 5, № 1. — С. 14–26.
2. Пономарёв, В. С. Напряжённо-деформированное состояние антенных рефлекторов космических аппаратов при нестационарных тепловых воздействиях: автореф. дисс. 01.02.04 канд. физ.-мат. Наук / Пономарёв Виктор Сергеевич. — Томск, 2015. — 139 с.
3. Advanced antennas for small satellites / S. Gao [et al.] // Proceedings of the IEEE. — 2018. — Vol. 106, No. 3. — P. 391–403.
4. Выбор схемы подкрепления параболической антенны из композиционных материалов с эллиптической линией раскрыва / А. Л. Галиновский [и др.] // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. — 2020. — № 9. — С. 54–68.