Техника

Техника

наука

Космонавтика

оглавление

ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ КОСМОНАВТИКИ В РОССИИ

КАЧЕСТВЕННЫЙ СКАЧОК В РАЗВИТИИ ОРБИТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ

Многофункциональные конструкции

Благодаря объединению функций электроники, датчиков, систем распределения электропитания и терморегулирования с применением очень легких модульных конструкций на борту перспективных КА не будет кабелей и связанных с шиной распределительных коробок. Это позволит снизить массу КА почти в 10 раз, а занимаемый аппаратурой объем в 2 раза. Электронные модули на множестве микросхем будут монтироваться непосредственно на конструкции шины или встраиваться в нее. Гибкие соединительные элементы или перемычки будут соединять электрические цепи без сложного переплетения тяжелых кабелей. Такие конструкции позволят значительно сократить нагрузки и вибрации, возникающие при запуске КА и развертывании систем в космосе, что позволит снизить требования к прочности конструкции КА и уменьшить их массу.

Соединяющие элементы высокой и сверхвысокой плотности, микросхемные модули, радиационно стойкие процессоры и встраиваемые электронные средства. В качестве полупроводников предполагается использовать микросхемные модули, которые будут монтироваться не на поверхности элементов конструкции, а встраиваться в них. Они будут достаточно тонкими, что позволит иметь слоистую структуру, обеспечивающую теоретическую плотность -10 терафлопс/м3. Габариты и масса КА могут быть сокращены в 4...8 раз при уменьшении требований к энергопотреблению на 7...15 %.

На основе объединения нескольких микросхемных модулей и соединяющих элементов будут разработаны перспективные приемные модули передающих антенн для орбитальных платформ информационных КА.

Архитектура построения перспективных космических систем. Цель работ в этом направлении - исследование целесообразности и возможности построения распределенной системы КА, выполняющей функции одного крупного КА. Такие связки КА будут решать различные информационные задачи (радиолокация, сбор информации об окружающем космическом и околоземном пространстве, построение распределенных антенных систем и т.д.).

Легкие панели солнечных батарей (СБ) предполагается строить на базе конструкций из композиционных материалов без использования кабелей и проводки с применением электрошин и систем управления, встроенных в каркас панелей и вспомогательных элементов. Будут использоваться многоразовые, более дешевые, легкие и с лучшими характеристиками пластиковые шарниры СБ. При использовании тонкопленочных элементов и концентраторов удельная мощность СБ может составить 116 Вт/кг (для существующих СБ - 40...50 Вт/кг). Специальные конструкции СБ будут исключать вибрацию и тепловое воздействие на высокоэффективные фотогальванические тонкопленочные солнечные элементы с не-сколькими переходами.

Надувные конструкции позволят повысить степень миниатюризации (путем размещения спутников в контейнерах), снизить стоимость изготовления и выведения КА при обеспечении развертывания в космосе конструкций больших размеров, например антенных систем диаметром до 450 м,что обеспечит существенное по-вышение целевых характеристик информационных КА.

Универсальные комплексные энергосигнальные системы. Предполагается использовать технологии парофазного осаждения, позволяющие сопрягать тонкопленочные батареи и универсальную электронику с гибкими фотогальваническими элементами, в результате чего образуется "слоистая" шина спутника. Такие гибкие батареи можно будет навертывать вокруг других под систем, что даст возможность распределения функций шины на большие модульные антенны РЛС, приводя к созданию КА в виде "ковра-самолета".

Микроэлектромеханические системы. Размеры этих механизмов будут составлять ~1 мм. Миллионы элементов микроэлектро-механических систем, каждый из которых имеет доступные для управления микродвигатели диаметром 0,1... 1 мм, могут включаться индивидуально для обеспечения определенного порядка в группировке микроспутников. В качестве топлива может использоваться тефлон, который после воспламенения с помощью минизаряда создаст небольшой импульс. Лабораторный образец такого устройства уже включался 500 тыс. раз, демонстрируя ничтожно малый расход массы тефлонового топлива. Создание микродвигателей такого типа приведет к появлению концепции расходуемой конструкции в микроэлектромеханических системах. Тефлон или другое топливо также смогут выполнять функцию упрочняющих элементов конструкции и одновременно использоваться для работы микродвигателей коррекции орбиты КА.

Крупногабаритные облегченные оптические устройства. Будет разработана элементная база для космических телескопов и лазерных систем на основе высокопрецизионных облегченных гибких и адаптивных оптических средств, отражательных зеркал и систем управления нанометрической точности, обладающих высоконадежным и долговечным покрытием. Использование оптической или лазерной связи, в первую очередь между КА, позволит осуществлять передачу больших объемов информации. Такие технологии будут использованы для получения высокодетальных изображений из космоса в интересах решения задач наблюдения земной поверхности и космического пространства. В рамках данных работ будет исследоваться возможность широкого применения гиперспектральных изображений для локализации и распознавания различных объектов.

Робототехника. Самая актуальная задача робототехники видится в решении главным образом вопросов орбитального автоматического обслуживания и ремонта разнотипных КА, что позволит существенно сократить капитальные затраты на восполнение орбитальных группировок благодаря повышению восстанавливаемого ресурса.

Перспективные системы связи. Наращивание энергетического потенциала бортового комплекса связных КА немыслимо без создания крупногабаритных антенн. Технология создания крупногабаритных антенн с апертурой в сотни метров может быть разработана уже в 2005-2010 гг. В период до 2010 г. могут быть созданы одноэлементные зеркальные антенны с коэффициентом усиления до 50 дБ и многоэлементные антенны диаметром до 200 м с коэффициентом усиления до 100 дБ.

Вычислительные средства. Наряду с разработкой новых технологий, обеспечивающих создание перспективной элементной базы космических средств, серьезное внимание должно быть уделено интеграции всех систем КА с вычислительными средствами. В частности, бортовые ЭВМ уже сейчас стали центральным звеном, объединяющим в одно целое комплекс бортовых средств, во многом определяя ТТХ и эффективность применения КА. Перспектива этого направления видится в широком внедрении процессоров с переменной структурой, обладающих свойствами параллелизма и образующих микроминиатюрные распределенные вычислительные системы.

Системы управления КА. Нельзя обойти вниманием и такой важный вопрос, как повышение надежности и автономности систем управления КА. Перспективные КА и системы на их основе во многом будут обладать свойствами автономных самоорганизующихся систем, которые начнут самостоятельно определять направление и характер своих действий в интересах решения заданных целевых задач, осуществлять операции самодиагностики и восстановления в пределах как одного КА, так и всей орбитальной группировки. Голографические запоминающие устройства большой емкости позволят осуществить качественный скачок в развитии бортовых средств хранения, обработки и передачи высокоинтенсивных потоков информации, построении автономных адаптивных самообучающихся систем управления КА.

Перспективные направления развития радиоэлектронных средств. Необходимо отметить, что наряду с разработкой традиционных средств информационного обеспечения в настоящее время особое внимание уделяется перспективному направлению в области радиоэлектронной техники, базирующемуся на использовании методов сверхширокополосной короткоимпульсной электродинамики (СКЭ).

Технологии СКЭ позволяют получить более эффективные, а иногда и принципиально новые возможности решения следующих важных задач:

  1. радиолокации сверхвысокого разрешения (включающей возможность подповерхностного видения);
  2. сверхширокополосной связи со спектром,близким к "белому шуму";
  3. создания распределенных мощных радиоэлектронных систем, фактически импульсных аналогов многоэлементных фазированных СВЧ-решеток.

Средства активной защиты и восстановления окружающей среды. Сохранение среды обитания, включая околоземное космическое пространство, также должно быть одной из важнейших целей космической деятельности. Весьма актуальны разработка и реализация ряда целевых программ, ориентированных на ослабление и ликвидацию негативных последствий антропогенного влияния на окружающую среду с помощью ракетно-космических средств и систем. К задачам таких программ следует отнести:

  • сохранение и восстановление озонового слоя;
  • удаление особо опасных отходов промышленности и энергетики в космическое пространство;
  • очистку околоземного космоса от осколков и фрагментов техногенного происхождения.

Решить эти задачи можно, используя как механические (тралы, многоразовые станции сбора космического мусора и т.д.), так и энергоизлучающие орбитальные средства (лазерные, пучковые, СВЧ- и КВЧ-диапазонов). Энергодвигательные установки КА, межорбитальные буксиры. Одной из проблем, непосредственно связанных с повышением надежности и орбитального ресурса перспективных КА, является разработка долговечных и эффективных средств энергоснабжения бортовых систем, коррекции и изменения орбиты, обслуживания КА на орбите средствами ремонта и восстановления. Очевидно, что от решения этой проблемы во многом зависят решения всех перспективных задач космической деятельности, поскольку перспективные орбитальные средства требуют все более высокой энергово-оруженности при ресурсе активного существования 10... 15 лет.

Двигательные и энергетические установки орбитальных средств относятся к числу наиболее трудоемких, сложных в отработке и производстве подсистем. Уровень энергомассового совершенства, ресурс активного функционирования, надежность, технико-экономические показатели ДУ и ЭУ во многом определяют функциональные возможности и технико-экономическую эффективность ракетно-космической техники в целом. Сроки разработки ДУ и ЭУ и отработки их новых образцов весьма длительны: 5...7 лет при условии наличия достаточного научно-технического задела. Именно поэтому следует обеспечить опережающее развитие ДУ и ЭУ для решения перспективных задач космонавтики. Только при таком условии могут своевременно разрабатываться и создаваться комплексы и системы, не уступающие по основным показателям зарубежным и способные конкурировать с ними на мировом рынке. Имеются принципиальные возможности дальнейшего увеличения удельной мощности СЭС в 2...3 раза благодаря совершенствованию систем генерации, накопления и преобразования энергии.

Важным направлением повышения эффективности целевого применения космических комплексов и систем, а также срока их активного существования является использование энергодвигательных систем на основе солнечных или ядерных энергоустановок и электрических ракетных двигателей. В частности, применение буксира сЭРД позволит в 2... 2,5 раза увеличить массу К А (целевого модуля) на геостационарной орбите. Подобные перспективные средства межорбитальной транспортировки характеризуются значительным уровнем энергопотребления (40... 100 кВт) и энергомассового совершенства бортовых ЭУ. Одним из перспективных направлений развития бортовых ЭУ является разработка солнечных газотурбинных установок (СГТУ) с электрической мощностью до 10 кВт и выше, что обусловлено их следующими преимуществами:

  • более высоким КПД преобразования солнечной энергии в электричество (25 % и в перспективе до 50 %);
  • меньшими габаритами по сравнению с размерами ЭУ на базе СБ;
  • возможностью генерирования переменного тока повышенного напряжения;
  • длительным ресурсом работы (за счет применения газовых подшипников в опорах турбокомпрессора);
  • меньшей стоимостью энергоустановки;
  • перспективностью газотурбинных преобразователей энергии, которые могут использоваться совместно с ядерными и химическими источниками энергии;
  • возможностью применения теплового аккумулятора энергии.

Работы над ядерными энергетическими (ЯЭУ) и энергодвигательными (ЯЭДУ) установками в настоящее время ориентированы на формирование опережающего научно-технического задела по созданию базовых унифицированных элементов, узлов и агрегатов ЯЭУ (ЯЭДУ). К приоритетным направлениям исследований, которые могут показать преимущества ядерных источников энергоснабжения перед другими их вариантами, можно отнести:

  1. развитие технологий, обеспечивающих создание ЯЭУ мощностью порядка сотен киловатт (с перспективой ее дальнейшего увеличения);
  2. доведение гарантированного ресурса ЯЭУ до уровня, не меньше ожидаемого от солнечной энергетики (в том числе до 10 лет и более на ГСО);
  3. развитие технологий, обеспечивающих создание бимодальных ядерных электродвигательных установок (работающих как в режиме ядерных ракетных двигателей на водороде, так и в электрогенерирующем режиме для питания целевой и служебной аппаратуры КА или ЭРД);
  4. подтверждение ядерной и радиационной безопасности разработки и эксплуатации ЯЭУ (ЯЭДУ).

Создание опережающего научно-технического задела по указанным направлениям совершенствования систем и средств бортовой (солнечной, химической и ядерной) энергетики и реализация его при разработке систем энергоснабжения позволят повысить эффективность целевого использования КА, обеспечат необходимую базу для выполнения космических программ в XXI в.





Авиация и космонавтика, вооружения, hi-tech, открытия, концепции и изобретения...

Наука, техника, изобретения © 2009-