Сейчас во всем мире активно создаются малые космические аппараты (МКА), возможности которых, благодаря развитию технологий, могут превосходить потенциал крупных аппаратов. По разным классификациям МКА имеют массу от 1 кг (формат CubeSat 1U 2 кг) до 180-500 кг (а иногда и до 1000 кг). Такие аппараты используются как в околоземном пространстве, так и отправляются для исследования объектов Солнечной системы. Наибольшее распространение МКА получили в областях дистанционного зондирования Земли и телекоммуникации.Интерес к МКА обусловлен тем, что они относительно недороги с точки зрения как производства, так и запуска. Благодаря модульной структуре, на одной и той же базовой платформе можно в сравнительно короткие сроки создавать аппараты разного назначения.&nbsp;В зависимости от вида и назначения МКА состав бортовых систем (БС) может отличаться. Так или иначе каждый МКА имеет целевую аппаратуру (иначе - полезную нагрузку), которая необходима для решения поставленной перед МКА задачей, и служебные БС (иначе - базовую или служебную платформу), обеспечивающие функционирование аппарата в целом.К служебным БС относятся:<ul><li><a href="https://spacepi.space/wiki/article/sistema-elektropitaniya/">система электроснабжения (СЭС)</a>;</li><li><a href="https://spacepi.space/wiki/article/sistema-obespecheniya-teplovogo-rezhima-ka/">система обеспечения теплового режима (СОТР);</a></li><li><a href="https://spacepi.space/wiki/article/bortovaya-vychislitelnaya-sistema/">бортовая вычислительная система (БВС);</a></li><li><a href="https://spacepi.space/wiki/article/komandno-vychislitelnaya-sistema/">командно-телеметрическая система (КТС);</a></li><li><a href="https://spacepi.space/wiki/article/sistema-upravleniya-dvizheniem-i-navigaczii-mka/">система управления движением и навигации (СУДН)</a>.</li></ul>Единой классификации служебный БС нет. Часто БВС, КТС и СУДН объединяют в бортовой комплекс управления, а СЭС, СОТР и двигательную установку, являющуюся исполнительным органом СУДН, относят к обеспечивающим системам.&nbsp;<figure class="image"><img src="https://lh5.googleusercontent.com/vkj2IUCqJRXJFqusbuURk000sUfqNAvAM97LjW50JHBANutVPkxuIeJJmQdISl8hTTQnuxeXxxmcY6NATUx2keKcSWtxRPSVPHsfxVtF59gsPKauRVbLKF03T5ER99MHvwwHqfhk7DSGN4vIsgSNhQ"><figcaption>Структура космического аппарата</figcaption></figure>В заключении отметим, что одной из важнейших характеристик КА является соотношение массы полезной нагрузки и массы базовой платформы. Чем меньше масса последней, тем больше полезной нагрузки можно установить на платформу.

large_Geoskan_3U_-_Edelveys_3.jpg

medium_Geoskan_3U_-_Edelveys_3.jpg

small_Geoskan_3U_-_Edelveys_3.jpg

thumbnail_Geoskan_3U_-_Edelveys_3.jpg

Geoskan_3U_-_Edelveys_3.jpg

Какие системы входят во все космические аппараты. Общая информация

Системы космических аппаратов

В космосе, как и на Земле, электрическая энергия необходима, ведь большая часть приборов, устройств и систем, используемых на КА, не может работать без СЭС (система электроснабжения, иногда используется сокращение СЭП - система электропитания, в зарубежной литературе - electrical power system, EPS).Тип СЭС определяется задачами аппарата - куда и как надолго он летит.Так или иначе, любой тип СЭС КА включает в себя два основных элемента: источник первичной энергии и преобразователь первичной энергии в электрическую (иногда эти два источника объединены).На рисунке представлены первичные источники энергии и возможные способы получения электрической энергии на борту КА.<figure class="image"><img src="https://lh5.googleusercontent.com/R848dfD0min7MnfQQYrmioZ0vyfExm8v6oX28UAUbeb6uFCsoh248_W5AkUQN9raU2bnGDcVjUF0KnfsaZbHXgqKnqv6UGXAY9RPFVCWCZsYgsv709dw_MU_JKhmXto6imgcpAQDobiPwefbB1rZoA"><figcaption>Преобразование энергии</figcaption></figure>Первичная энергия может преобразовываться непосредственно в электрическую, а также в промежуточный вид энергии, например, тепловую, которая впоследствии преобразуется в электрическую.В качестве источников тепловой энергии используют энергию Солнца, химических связей, а также энергию, выделяющуюся в ходе ядерных реакций деления или при распаде радиоактивных изотопов.Первый искусственный спутник Земли проработал на орбите Земли 21 день, его задачей было только издавать переменный радиосигнал, для чего было достаточно серебряно-цинковых аккумуляторов.Большинство МКА, запускаемых в наши дни, предназначены для длительного полета продолжительностью до десятков лет. Поэтому даже самых современных и эффективных с точки зрения соотношения масса/запас электроэнергии аккумуляторов для таких аппаратов недостаточно.Наибольшее распространение получили СЭС, включающие солнечные панели (батареи), в состав которых входят фотоэлектрические преобразователи, и аккумуляторные батареи в качестве резервного средства, способные заряжаться от Солнца для накопления электроэнергии и ее дальнейшего расходования.&nbsp;<figure class="image"><img src="/uploads/Bezymyannyj_proekt_5_235953171d.png" alt="Безымянный проект 5.png" srcset="/uploads/thumbnail_Bezymyannyj_proekt_5_235953171d.png 245w,/uploads/small_Bezymyannyj_proekt_5_235953171d.png 500w,/uploads/medium_Bezymyannyj_proekt_5_235953171d.png 750w,/uploads/large_Bezymyannyj_proekt_5_235953171d.png 1000w," sizes="100vw"><figcaption>Торцевая солнечная панель («Геоскан»)</figcaption></figure>Именно такая «пара» как солнечные панели с кремниевыми фотопреобразователями и литий-ионные аккумуляторы чаще всего используется в СЭС CubeSat, при этом сами панели крепятся к граням корпуса спутника.Если говорить о КА, которые должны отправляться вдаль от Солнца, то использование солнечных батарей уже неэффективно. Для таких искусственных небесных тел используют источники на основе ядерных реакций (ядерные реакторы или радиоизотопные источники электроэнергии).

Солнечная панель Спутникс.jpg

thumbnail_sputnix-cubesat-sidesolarpanel-ru.jpg

Солнечная панель Спутникс

Каким образом космические аппараты получают электрическую энергию для работы?

Система электропитания 

Находясь в космическом пространстве, КА подвержен тепловым нагрузкам, главной из которых является прямое солнечное излучение. К другим внешним факторам можно отнести отражённые от поверхности планет и других объектов солнечные лучи, а также тепловое излучение от нагретых поверхностей самих космических тел.Но КА не всегда находится на Солнце. В тени космических объектов он охлаждается. Так, например,&nbsp;на теневой стороне низкой околоземной орбиты температура поверхности КА может опускаться до - 100 °С, в то время как на солнечной составлять до + 100 °С.&nbsp;Перепады температур могут привести к деформации корпуса КА и отказам оборудования.Кроме внешних источников теплоты в КА есть и внутренние — это теплота от работающего оборудования и бортовых систем аппарата.<blockquote>Поэтому основной задачей СОТР является обеспечение теплового баланса для возможности длительного функционирования КА на орбите.</blockquote>Эта задача решается двумя путями. Первый - изоляция внешней поверхности КА от нерегулируемого притока/сброса теплоты. Для этого широко применяется такое средство пассивного терморегулирования как экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ) - многослойный «сэндвич» из материалов, которые хорошо отражают избыточную теплоту и плохо её поглощают (представлена на картинке ниже «в разрезе»). Часто на фото тех или иных КА можно видеть, что они обёрнуты чем-то похожим на золотую фольгу или тканевое одеяло белого, серого и иного цвета — это и есть ЭВТИ.&nbsp;<figure class="image"><img src="https://lh6.googleusercontent.com/onfuGyg6gxgXoneyyDgvxZyQVzHo_7udFi01HjUKmXrFnzZDtAjXmociXyqDeomZDapwEjRgy__On0O9nqA6KSetgEINbxppfTTbJlimO0GGq_sxkfLORF2R6RJiXFhzo5xqeEr4nB9DV1sYiveXGw"><figcaption>Экранно-вакуумная теплоизоляция</figcaption></figure>А те элементы конструкции и оборудование, которое не может быть спрятано под такой теплоизоляцией, покрывают специальными красками и эмалями. Иногда совокупности ЭВТИ и покрытий достаточно для выполнения миссии КА.Но если внутри КА много тепловыделяющего оборудования и/или его орбита подвержена существенным тепловым нагрузкам, то необходимо собрать, перераспределить и сбросить излишки теплоты. Для этого в состав СОТР входит система терморегулирования (СТР).&nbsp;Для МКА задачи СТР чаще всего решаются использованием тепловых труб, встроенных в корпус аппарата. Эти трубы герметичны, и внутри них находится теплоноситель, такой как, например, аммиак или пропилен. Получая теплоту, жидкий теплоноситель начинает кипеть, переходя в газ, перемещается вдоль тепловой трубы и благодаря лучистому теплообмену (передача теплоты электромагнитными волнами) обеспечивает сброс теплоты в окружающее пространство. Ниже представлен вариант исполнения.<figure class="image"><img src="https://lh5.googleusercontent.com/BWihoGMM4Hl-klpjxSEYjxByQSpks5Q2mdHKsIV84hmRp09jC4FjWAFPC2EKBarJQv6gDF6Q3Lpbrt5fwz98Pw90mprloloNBT9X9XbSfqcQVlSd0eCE5lxAspoKh-0y4-XZvjwjoRhumSU0DHxTAw"><figcaption>Вид стенки корпуса КА в разрезе</figcaption></figure>Для сверхмалых спутников формата CubeSat ввиду их размера и конструкции описанные выше способы не используются. Хотя есть варианты с тепловыми трубами, установленными внутри корпуса аппарата и отбирающими теплоту от греющегося оборудования и передающие ее в зону, где эта теплота требуется.CubeSat практически не содержит активно выделяющего теплоту оборудования. И, находясь на низкой околоземной орбите, не испытывает слишком сильного нагрева от прямых солнечных лучей. Поэтому задача терморегулирования для них в основном решается использованием анодированных алюминиевых сплавов в качестве материала корпуса. Такие материалы (анодные пленки) обладают высокой отражающей способностью, т.е. способны отражать до 90% попадающего на них излучения, а также неплохо его рассеивать.Для CubeSat может использоваться многослойная изоляция, а также специальные электронагреватели для аккумуляторных батарей.К другим способам терморегулирования CubeSat можно отнести подбор таких компонентов систем, тепловые мощности которых будут соответствовать ожидаемым тепловым нагрузкам.В состав средств терморегулирования могут входить термодатчики, по сигналам которых CubeSat может менять ориентацию для исключения перегрева/переохлаждения.<a href="https://zelenyikot.com/golden-wrapping/amp/)" target="_blank" rel="noopener noreferrer">Больше информации по ЭВТИ</a><a href="https://habr.com/ru/post/545864/" target="_blank" rel="noopener noreferrer">Больше информации по тепловым трубам и конструкции КА</a>

ЭВТИ космического аппарата.jpg

large_СОТР КА.jpg

medium_СОТР КА.jpg

small_СОТР КА.jpg

thumbnail_СОТР КА.jpg

СОТР КА.jpg

Способы регулирования температуры на борту космического аппарата

Система обеспечения теплового режима КА

Находясь на орбите, КА должен «не терять связь с Землёй» — передавать данные о своем функционировании и получать командные сигналы. Для этого ему необходима командно-телеметрическая система (КТС), которую принято отделять от полезной нагрузки, хотя последняя также получает и передаёт информацию, но включается не сразу после отделения от ракеты-носителя.В состав КТС входят:&nbsp;<ul><li>приёмо-передающие устройства (приёмные и передающие антенны),</li><li>устройства обработки информации,&nbsp;</li><li>система сбора телеметрической информации,</li><li>другие специальные блоки.&nbsp;</li></ul>Для таких малых спутников как CubeSat обеспечение надёжной радиосвязи является проблемой, связанной с ограниченной мощностью самого аппарата - до 2 Вт.Как правило в околоземных CubeSat используются всенаправленные антенны для связи в УКВ (частоты в диапазоне 400..500 МГц) и S-диапазоне (2,4 ГГц). Для малых космических аппаратов стандарта CubeSat таких антенн вполне достаточно. Задачи сбора и обработки передаваемой и получаемой командно-телеметрической информации решает один из компьютеров бортовой вычислительной системы спутника.&nbsp;<figure class="image"><img src="/uploads/Antennaya_plata_88aafc5ae9.png" alt="Антенная плата.png" srcset="/uploads/thumbnail_Antennaya_plata_88aafc5ae9.png 245w,/uploads/small_Antennaya_plata_88aafc5ae9.png 500w,/uploads/medium_Antennaya_plata_88aafc5ae9.png 750w,/uploads/large_Antennaya_plata_88aafc5ae9.png 1000w," sizes="100vw"><figcaption>Антенная плата: УКВ-антенны (4 шт), две патч-антенны на 2,4 и 10,4 ГГц («Геоскан»)</figcaption></figure>

Антенная плата Геоскан 3U.png

large_Антенная плата.png

medium_Антенная плата.png

small_Антенная плата.png

thumbnail_Антенная плата.png

Антенная плата.png

Какие устройства использует спутник для сообщения с Землёй?

Командно-телеметрическая система

БВС предназначена для управления работой всех БС КА, т.е. по сути — это «мозг» КА. В зарубежной литературе встречается сокращение ADCS (attitude determination and control system).&nbsp;Можно сказать, что БВС — это компьютер с заложенным в него специальным программным обеспечением, которое отслеживает работу всех систем путём получения данных с датчиков, выдаёт в автоматическом режиме команды для изменения и/или поддержания функционального состояния БС, получает через&nbsp;<a href="https://spacepi.space/wiki/article/komandno-vychislitelnaya-sistema/">КТС</a> и передаёт на исполнение команды от наземных центров управления.В отличие от «земных» компьютеров, у разработчиков БВС основной проблемой является обеспечение радиационной стойкости элементов системы. Для решения этой проблемы в первую очередь блоки БВС резервируются (дублируются или троируются). Ещё может использоваться так называемое принудительное переключение между резервируемыми блоками: при получении определённой дозы радиации, не дожидаясь отказа, работающий блок отключается (переходит в «холодный резерв») и начинает работу его дублёр.Для CubeSat, выводимых и работающих на низких околоземных орбитах, проблема радиационной стойкости не стоит слишком остро. И, поскольку их срок службы относительно невелик и/или в составе спутниковой группировки есть множество аппаратов, задача резервирования (и тем более троирования) также не всегда актуальна.&nbsp;<blockquote>БВС CubeSat — это бортовой вычислительный модуль (БВМ), включающий несколько мини-компьютеров. Чаще всего за основу взята плата Raspberry Pi, но также возможно использование процессора типа STM32.</blockquote>Обычно в составе БВМ есть основной компьютер, который распределяет задачи управления другим компьютерам, отвечающим, в свою очередь, за управление полезной нагрузкой, ориентацией, энергопитанием. При этом основной компьютер может выполнять задачи, связанные с целевой аппаратурой, например, обрабатывать изображения, выполнять анализ и передачу данных. Такое распределение «обязанностей» обычно связано с ограниченными возможностями одного основного компьютера, т.е. нужно не допустить его перегрузку и гарантировать бесперебойную работу связи, необходимой для функционирования полезной нагрузки.

medium_БВС КА.png

small_БВС КА.png

thumbnail_БВС КА.png

БВС КА.png

Какие требования предъявляют к управляющим системам спутника?

Бортовая вычислительная система

Система управления движением и навигации (СУДН) необходима, чтобы КА находился в определённом положении при движении по орбите, также она позволяет ему перемещаться в пространстве и поддерживать нужные параметры орбиты (орбита спутников постоянно снижается за счёт торможения об атмосферу Земли).Исходя из вышесказанного, можно выделить два основных назначения СУДН:<ul><li>управление движением центра масс КА (навигация и наведение);</li><li>управление движением относительно центра масс КА (ориентация и стабилизация).</li></ul><figure class="image"><img src="https://lh6.googleusercontent.com/4CEhn1iRuhxtZJxnUbwUvlPgHziuEdgKbXmXwc5R-qDvZOC0XyTtBI_ksKiipQOrutPa0TlQn7hZMtKgDzzDm1zXFmyKyXm_GdecWqLrja8Ypf8qay3qWNzrt_7YvvRJyuFxXwG_64_ZQWeueAZxlw"><figcaption>Назначение СУДН</figcaption></figure>Основной навигационной задачей является расчёт (или измерение) навигационных параметров (координат и скорости), характеризующих орбиту космического аппарата. Другими словами, необходимо понимать, где в конкретный момент времени находится КА. Для этого в составе СУДН есть аппаратура спутниковой навигации, обменивающаяся сигналами со спутниковой группировкой. Также задача навигации решается расчётным путём средствами бортовой вычислительной системы (БВС).В задачу наведения входит расчёт необходимых управляющих воздействий, которые обеспечивают приведение КА в заданную точку космического пространства или поверхности небесного тела с заданной скоростью и в требуемый момент времени. Все расчётные задачи в автоматическом режиме также решает БВС, а исполнительным органом является двигательная установка.Зачастую важно обеспечить ориентацию КА относительно окружающего пространства и, что еще важнее, объекта исследования (куда «смотрит» телескоп или как наведена антенна и т.п.). Сначала узнают текущую ориентацию. Для этого используются различные приборы определения координат (солнечные, звёздные и инфракрасные датчики, магнитометры). А затем с помощью двигательной установки и/или силовых гироскопов (маховиков) аппарат поворачивают в необходимое положение.&nbsp;&nbsp;Чтобы поддерживать требуемую ориентацию, нужно решить задачу стабилизации. Другими словами - устранить угловые отклонения, возникающие под воздействием внешних сил. Поддержание заданной ориентации (создание управляющих моментов относительно центра масс) обеспечивают специальные двигатели ориентации, а также силовые гироскопы.Как правило CubeSat не оснащены двигателями и имеют лишь систему ориентации и стабилизации (СОС), которая решает свои задачи с использованием гироскопов, в качестве которых часто применяются маховики.Один маховик позволяет повернуть аппарат относительно одной оси. Поэтому необходимо использовать блок как минимум из трёх маховиков для управления положением по всем осям. Чаще всего в задачу ориентации CubeSat не входит необходимость вращения вокруг своей оси, поэтому используется блок из двух дублированных маховиков. Такие блоки входят в состав CubeSat класса 3U и выше.<figure class="image image_resized" style="width:76.54%;"><img src="/uploads/blok_mahovikov_bc24fd6879.jpg" alt="блок маховиков.jpg" srcset="/uploads/thumbnail_blok_mahovikov_bc24fd6879.jpg 245w,/uploads/small_blok_mahovikov_bc24fd6879.jpg 500w," sizes="100vw"><figcaption><a href="https://sputnix.ru/ru/priboryi/pribory-cubesat/blok-maxovikov" target="_blank" rel="noopener noreferrer">Блок маховиков («Спутникс»)</a></figcaption></figure>Для ориентации строго по одной оси могут использоваться гравитационные штанги с грузом на конце. Идея состоит в том, что более тяжелый груз будет сильнее притягиваться к Земле, чем сам спутник, обеспечивая стабильное положение оси, направленной к центру Земли.Маховики и штанги не используют топливо (рабочее тело), из-за чего двигательные установки им проигрывают.Также в состав СОС кубсата входят датчики, обычно солнечные, но могут быть и магнитометры, и звездные трекеры, а также их совокупность для надёжности.И все же задача поддерживать и менять орбиту довольно важная. Поэтому для спутников формата CubeSat (3U и более) активно разрабатываются двигательные установки.Проблемой наноспутников является тот факт, что они, окончив свою работу (или выйдя из строя), продолжают пребывание на орбите еще несколько лет и могут сталкиваться с другими аппаратами. Наличие двигателя может решить эту проблему. После окончания срока службы двигатель выдаёт тормозной импульс и кубсат сгорает в атмосфере.&nbsp;&nbsp;Наибольшее распространение на кубсатах получили газовые и электрические (ионные, плазменные) двигатели, также разрабатываются идеи кубсатов с солнечным парусом.&nbsp;

Плазменный двигатель работает на кубсате.jpg

large_СУД КА.jpg

medium_СУД КА.jpg

small_СУД КА.jpg

thumbnail_СУД КА.jpg

СУД КА.jpg

Устройства, используемые для изменения положения КА в пространстве

Система управления движением и навигации МКА

Корпус нельзя отнести к какой-либо бортовой системе. Однако он выполняет не менее важную роль. Он должен быть максимально лёгким, прочным и обеспечивать надёжную установку на его внутренней и внешней поверхностях блоков служебных БС и целевой аппаратуры.В конструкции корпуса предусматривают амортизаторы, (например, пружинные толкатели) чтобы снизить воздействие возможных столкновений спутников, особенно во время их выведения.Как правило, корпус МКА делают негерметичным. Герметичность обязательна только для пилотируемых КА, на МКА герметичными могут быть отдельные отсеки/блоки.Для кубсатов корпус - это алюминиевая рама со специальным покрытием. Его наносят для того, чтобы уберечь корпус от коррозии, а также для уменьшения трения на местах контакта с рельсами транспортного пускового контейнера.&nbsp;Итак, рассмотрев отдельно бортовые (служебные) системы CubeSat, можно представить их состав схемой:<figure class="image"><img src="https://lh5.googleusercontent.com/XpNUcLwaJiQBnuCfsCorzcSY03XskD9H37Vg-TDD-pyBv4C4sonzfKAUWOgN-shrK0a7GBvOXQDiRTG5KP4UwzxSheBzJy6a5P6L609puPZR2n_ijYjAPan6Vwj2XZPMIxaKv5TbGSUJkp50ukmSwAcqAyC698XDag4EAExSWisA-5964XkkN3y7tEVHpGMMI1AT"></figure>

Рама спутника кубсат 3U.png

large_Рама тип 2.png

medium_Рама тип 2.png

small_Рама тип 2.png

thumbnail_Рама тип 2.png

Рама тип 2.png

Важный элемент в составе КА, без которого невозможно обойтись

Космические аппараты
Системы малых космических аппаратов

Системы космических аппаратов

Система электропитания

Система обеспечения теплового режима КА

Командно-телеметрическая система

Бортовая вычислительная система

Система управления движением и навигации МКА

Корпус КА

Космические аппараты Системы малых космических аппаратов

Системы космических аппаратов

Система электропитания

Система обеспечения теплового режима КА

Командно-телеметрическая система

Бортовая вычислительная система

Система управления движением и навигации МКА

Корпус КА

Новинки в энциклопедии и самые актуальные новости.

Космические аппараты
Системы малых космических аппаратов

Новинки в энциклопедии
и самые актуальные новости.