Проектирование космических аппаратов — это процесс, в котором принципы системной инженерии систематически применяются для создания сложных транспортных средств для миссий, включающих путешествия , эксплуатацию или исследование в космическом пространстве . Этот процесс проектирования создает подробные проектные спецификации , схемы и планы для системы космического аппарата, включая полную документацию, описывающую архитектуру, подсистемы, компоненты, интерфейсы и эксплуатационные требования космического аппарата, а также потенциально некоторые модели прототипов или симуляции , все из которых вместе служат чертежом для производства, сборки, интеграции и тестирования космического аппарата, чтобы гарантировать его соответствие целям миссии и критериям производительности.
Проектирование космического корабля проводится в несколько этапов. Сначала создается концептуальный проект для определения осуществимости и желательности новой системы космического корабля, показывающий, что существует надежный проект для выполнения миссии. Обзор концептуального проекта гарантирует, что проект соответствует заявлению о миссии без каких-либо технических недостатков, будучи внутренне согласованным. Затем выполняется предварительный проект, в котором основное внимание уделяется функциональной производительности, определению требований и определению интерфейса как на уровне подсистемы, так и на уровне системы. Предварительный обзор проекта оценивает адекватность предварительного проекта. На следующем этапе детальный проект рисуется и кодируется для системы в целом и всех подсистем, а также выполняется критический обзор проекта, в ходе которого оценивается, достаточно ли подробен проект для изготовления, интеграции и тестирования системы. [1] [2]
На протяжении всего проектирования космического аппарата потенциальные риски строго определяются, оцениваются и смягчаются, системные компоненты должным образом интегрируются и всесторонне тестируются. Учитывается весь жизненный цикл (включая запуск, операции миссии и утилизацию по окончании миссии). Итеративный процесс обзоров и испытаний постоянно используется для уточнения, оптимизации и повышения эффективности и надежности конструкции. В частности, учитываются масса, мощность, терморегулирование, тяга, управление высотой, телекоммуникации, управление и данные космического аппарата, а также структурные аспекты. Выбор правильного носителя и адаптация конструкции к выбранному носителю также важны. [1] [2] Соблюдение нормативных требований, соблюдение международных стандартов, проектирование для устойчивой, свободной от мусора космической среды — вот некоторые другие соображения, которые стали важными в последнее время.
Проектирование космических аппаратов включает проектирование как роботизированных космических аппаратов ( спутников и планетарных зондов ), так и космических аппаратов для пилотируемых космических полетов ( космических кораблей и космических станций ). Пилотируемые космические аппараты требуют дополнительных систем жизнеобеспечения, размещения экипажа и мер безопасности для поддержки людей-пассажиров, а также инженерных соображений человеческого фактора, таких как эргономика, комфорт экипажа и психологическое благополучие. Роботизированные космические аппараты требуют автономности, надежности и возможности удаленной эксплуатации без присутствия человека. Отличительная природа и уникальные потребности и ограничения, связанные с каждым из них, существенно влияют на соображения по проектированию космических аппаратов.
Последние разработки в области проектирования космических аппаратов включают электрические двигательные установки (например, ионные двигатели и двигатели на эффекте Холла ) для создания тяги с высоким удельным импульсом, солнечные паруса (использующие давление солнечного излучения ) для обеспечения непрерывной тяги без необходимости использования традиционных ракет [3] , аддитивное производство ( 3D-печать ) и передовые материалы (например, передовые композиты , наноматериалы и интеллектуальные материалы ) для быстрого прототипирования и производства легких и прочных компонентов, автономные системы с использованием искусственного интеллекта и машинного обучения для автономности космических аппаратов и повышения эксплуатационной эффективности в дальних и отдаленных миссиях, технологии использования ресурсов на месте (ISRU) для извлечения и использования локальных ресурсов на небесных телах, а также CubeSats и другие стандартизированные миниатюрные спутники [3] для экономически эффективных космических миссий вокруг Земли.
Проектирование космических аппаратов включает экспертов из различных областей, таких как инженерия, физика, математика, информатика и т. д., которые объединяются для сотрудничества и участия в междисциплинарной командной работе. Кроме того, международное сотрудничество и партнерство между космическими агентствами, организациями и странами помогают делиться опытом, ресурсами и возможностями для взаимной выгоды всех сторон. Проблемы проектирования космических аппаратов стимулируют технологические инновации и инженерные прорывы в профессиональных и промышленных секторах. Сложность проектирования космических аппаратов вовлекает студентов в предметы STEM (наука, технологии, инженерия и математика), способствует развитию научной грамотности и вдохновляет следующее поколение ученых, инженеров и новаторов.
Проектирование космических аппаратов зародилось как дисциплина в 1950-х и 60-х годах с появлением американских и советских программ по исследованию космоса . С тех пор оно прогрессировало, хотя, как правило, медленнее, чем сопоставимые наземные технологии. Это во многом связано со сложной космической средой, но также с отсутствием базовых НИОКР и другими культурными факторами в сообществе дизайнеров. С другой стороны, еще одной причиной медленного проектирования приложений для космических путешествий является высокая стоимость энергии и низкая эффективность для достижения орбиты. Эта стоимость может рассматриваться как слишком высокая «начальная стоимость». [ необходима цитата ]
Проектирование космических аппаратов объединяет аспекты различных дисциплин, а именно: [ необходима ссылка ]
Шина космического корабля несет полезную нагрузку. Ее подсистемы поддерживают полезную нагрузку и помогают правильно направлять полезную нагрузку. Она выводит полезную нагрузку на правильную орбиту и удерживает ее там. Она обеспечивает функции обслуживания. Она также обеспечивает поддержание орбиты и ориентации, электропитание, управление, телеметрию и обработку данных, структуру и жесткость, контроль температуры, хранение данных и связь, если требуется. Полезная нагрузка и шина космического корабля могут быть разными блоками или могут быть объединены. Адаптер ускорителя обеспечивает интерфейс для переноса нагрузки с транспортным средством (полезная нагрузка и шина космического корабля вместе).
Космический корабль также может иметь ракетное топливо, которое используется для движения или толкания транспортного средства вверх, и ступень толчка. Обычно используемым топливом является сжатый газ, такой как азот, жидкость, такая как монотопливо гидразин или твердое топливо, которое используется для коррекции скорости и управления ориентацией. В ступени толчка (также называемой двигателем апогея, модулем движителя или интегральной ступенью движителя) отдельный ракетный двигатель используется для отправки космического корабля на орбиту его миссии. При проектировании космического корабля следует учитывать орбиту, которая будет использоваться, поскольку она влияет на управление ориентацией, тепловой расчет и подсистему электропитания. Но эти эффекты вторичны по сравнению с эффектом, оказываемым на полезную нагрузку из-за орбиты. Таким образом, при проектировании миссии; конструктор выбирает такую орбиту, которая увеличивает производительность полезной нагрузки. Конструктор даже рассчитывает требуемые эксплуатационные характеристики космического корабля, такие как наведение, терморегулирование, количество энергии и рабочий цикл. Затем создается космический корабль, который удовлетворяет всем требованиям. [ необходима ссылка ]
Подсистема определения и управления положением (ADCS) используется для изменения положения (ориентации) космического корабля. На космический корабль действуют некоторые внешние моменты, действующие вдоль оси, проходящей через его центр тяжести , которые могут переориентировать космический корабль в любом направлении или могут придать ему вращение. ADCS сводит эти моменты на нет, применяя равные и противоположные моменты с помощью проиона и навигации. Момент инерции тела должен быть рассчитан для определения внешних моментов, что также требует определения абсолютного положения корабля с помощью датчиков. Свойство, называемое «гироскопической жесткостью», используется для уменьшения эффекта вращения. Простейшие космические корабли достигают управления путем вращения или взаимодействия с магнитными или гравитационными полями Земли. Иногда они неуправляемы. Космические корабли могут иметь несколько корпусов или они прикреплены к важным частям, таким как солнечные батареи или антенны связи, которым необходимо индивидуальное наведение положения. Для управления положением придатка часто используются приводы с отдельными датчиками и контроллерами. Различные типы используемых методов управления: [ необходима цитата ]
Телеметрия, отслеживание и управление (TT&C) используется для связи между космическим аппаратом и наземными системами. Функции подсистемы:
Процесс отправки информации к космическому кораблю называется восходящим каналом или прямой связью, а противоположный процесс называется нисходящим каналом или обратной связью. Восходящий канал состоит из команд и дальномерных тонов, тогда как нисходящий канал состоит из телеметрии статуса, дальномерных тонов и даже может включать данные полезной нагрузки. Приемник, передатчик и широкоугольная (полусферическая или всенаправленная) антенна являются основными компонентами базовой подсистемы связи. Системы с высокой скоростью передачи данных могут даже использовать направленную антенну, если это необходимо. Подсистема может обеспечить нам когерентность между сигналами восходящего и нисходящего каналов, с помощью которой мы можем измерять доплеровские сдвиги скорости передачи данных. Подсистема связи определяется скоростью передачи данных, допустимой частотой ошибок, длиной пути связи и частотой радиочастоты.
Подавляющее большинство космических аппаратов осуществляют связь с помощью радиоантенн — спутниковой связи . [ необходима ссылка ] Несколько космических аппаратов осуществляют связь с помощью лазеров — либо напрямую с землей, как в случае с LADEE ; либо между спутниками, как в случае с OICETS , Artemis , Alphabus и Европейской системой ретрансляции данных .
Подсистема электроснабжения (ПЭС) состоит из 4 подсистем:
Подсистема терморегулирования (TCS) используется для поддержания температуры всех компонентов космического корабля в определенных пределах. Для каждого компонента определены как верхние, так и нижние пределы. Существует два предела, а именно, эксплуатационный (в рабочих условиях) и предел выживания (в нерабочих условиях). Температура контролируется с помощью изоляторов, радиаторов, нагревателей, жалюзи и путем придания компонентам надлежащей отделки поверхности. [ необходима цитата ]
Основная функция подсистемы тяги — обеспечивать тягу для изменения поступательной скорости космического корабля или применять крутящие моменты для изменения его углового момента. В простейшем космическом корабле нет необходимости в тяге и, следовательно, нет необходимости в двигательном оборудовании. Но многим из них нужна контролируемая тяга в их системе, поэтому их конструкция включает в себя некоторую форму дозированной тяги (система тяги, которая может включаться и выключаться с небольшими приращениями). Тяга используется для следующих целей: для изменения параметров орбиты, для управления ориентацией во время тяги, исправления ошибок скорости, маневра, противодействия силам возмущения (например, лобовому сопротивлению), а также для управления и исправления углового момента. Подсистема тяги включает в себя топливо, бак, систему распределения, давление и управление топливом. Она также включает в себя двигатели.
Проектирование космических аппаратов всегда информируется об архитектуре конкретной миссии рассматриваемого космического полета. Как правило, можно представить себе множество архитектур миссий, которые позволят достичь общей цели полета, будь то сбор научных данных или просто транспортировка груза через космическую среду для обслуживания различных целей, правительственных или экономических. [4]
Архитектуры миссий космических полетов будут определять, должен ли космический корабль быть автономным или телероботизированным , или даже пилотируемым , чтобы иметь дело с конкретными требованиями или целями миссии. Другие соображения включают быстрые или медленные траектории, состав и емкость полезной нагрузки, продолжительность миссии или уровень избыточности системы, чтобы полет мог достичь различных степеней отказоустойчивости . [4]
Медиа, связанные с проектированием космических аппаратов на Wikimedia Commons