Разработка способа для увода наноспутников CubeSat c низких околоземных орбит

пространства нано-космическими аппаратами, в том числе спутниками CubeSat, представляющие угрозу столкновения при окончании срока эксплуатации или выходе их из строя с функционирующими объектами в космосе.

2

Количество запусков наноспутников по данным Nanosatellite Database, штук (исторические данные и прогноз)

Распределение наноспутников Сubesat по типам

массу не более 1,33 кг и предназначенный для исследований на низких околоземных орбитах высотой от 300 км до 800 км.

Научная новизна:
Разработана методика выбора способа увода наноспутников CubeSat с НОО;
Выявлена рациональная компоновочная схема системы увода наноспутников CubeSat с учетом массово-габаритных ограничений и совместимости компонентов системы;
Разработана схема укладки сферической тормозной тонкопленочный оболочки с высоким процентом заполнения материала пленки при геометрических ограничений модуля CubeSat объемом 1U.

Предмет исследования: Способ увода наноспутников CubeSat массой до 5 кг с низких околоземных орбит.

Объект, предмет и научная новизна работы

Модуль наноспутника Cubesat 1U

3

Практическая значимость:
Разработан модульный космический аппарат, снабженный модулем аэродинамического торможения (Патент RU 2703818);
Совместно с МАИ и АО «НПО Лавочкина» создан демонстрационный макет системы увода наноспутников CubeSat с НОО, который был представлен на международном авиакосмическом салоне «МАКС-2019».

CubeSat массой до 5 кг с низких околоземных орбит.
Цели работы:
Выбор метода увода наноспутников CubeSat с низких околоземных орбит (НОО);
Разработка схемно-технических решений для способа увода наноспутников CubeSat с НОО;
Разработка компоновок системы увода наноспутников CubeSat с НОО;
Анализ применимости технологии тонкопленочных надувных тормозных оболочек.
Задачи исследования:
Системный анализ средств увода наноспутников CubeSat с НОО;
Определение рационального состава системы увода наноспутников CubeSat с учетом ограничения массы и габаритов модуля CubeSat и анализ совместимости компонентов системы;
Анализ компоновочных схем системы увода наноспутников CubeSat с учетом совместимости компонентов системы;
Разработка и анализ алгоритмов работы системы увода наноспутников CubeSat с НОО;
Разработка схем укладки тормозной оболочки и ввода в действие устройства для увода наноспутников CubeSat с НОО.

критерию, полученный методом линейной свертки частных критериев: скорость увода наноспутников CubeSat, масса и габариты системы увода, ориентация по потоку и автономность системы;
Декомпозиция состава автономного устройства для увода КА Cubesat с НОО на отдельные системы;
Проектирование технических решений для системы ввода в действие – шарнирное раскрытие панелей корпуса модуля Cubesat и системы надува тормозной оболочки с химическим источником газа – парафин.
Синтез компонентов для компоновки системы увода наноспутников CubeSat с учетом ограничения массы и габаритов модуля Cubesat и совместимости элементов систем между собой.
Схема укладки тонкопленочной тормозной оболочки с коэффициентом плотности укладки, т.е. отношение объема материала оболочки к объему сложенной оболочки не менее 40%.

тормозной оболочкой

Принцип торможения наноспутника
надувными тормозными устройствами

7

Параметры траектории увода КА CubeSat 3U с орбиты Н=600 км

Уравнение движения КА с шаровым стабилизатором:

 

разрыв пленки ПМ

 

 

Этого времени будет достаточно для увода аппарата со своей орбиты до высоты плотных слоев атмосферы, где будет происходить полное разрушение аппарата.

8

 

Зависимость времени существования от толщины напыления Al

створки с помощью шарнира прикреплены к нижней панели устройства. Такое раскрытие было использовано в проекте КА «Маяк».

Подъем платформы, на которой находится оболочка в защитном кожухе, обеспечивается электромеханическим приводом.

Конструкция состоит из 6 панелей, соединенные между собой штифтами, которые выполняют функцию шарниров.

Устройство увода в рабочем положении

11

которую укладывается сложенная оболочка, должна быть герметичная.
Время эксплуатации устройства ограничено высокой газопроницаемостью пленочной оболочки
2. Активная система газонаполенения
2.1 Баллон с газом
Для работоспособности необходимо термоизолировать баллон с газом и клапан или оснастить систему температурным датчиком, т.к. корпус не герметичный
2.2. Химический источник газа
2.2.1Азид натрия (NaN3)
реакция с выделением газа происходит при температуре 250-300 ˚C.
2.2.2. Парафин
реакция с выделением газа происходит при температуре 90 ˚C.

13

увода наноспуника CubeSat:
1. Генерация команды «Активация» системой управления
срабатывание по времени.
срабатывание по команде с Земли;
срабатывание по низкому заряду аккумуляторов;
срабатывание по сигналу от целевого аппарата;
2. Подача напряжение на резаки фиксатора крышки из нихромой нити
3. Высвобождение сложенной тормозной оболочки
4. Надув тормозной оболочки
5. Развертывание шара до рабочего положения
6. Начало торможения, уменьшение скорости
7. Снижение с рабочей орбиты
Самый простой и минимальный по элементам системы управления является вариант исполнения команды «Активация» срабатывание по времени.
Ограничением этого варианта является фиксированное время активации увода наноспуника CubeSat вне зависимости от его состояния.

увода КА с учетом ограничения массы и габаритов спутника Cubesat и совместимостью элементов определен облик устройства - конструкция с откидными панелями, активной системной газонаполнением с химическим источником газа – парафин и системой управления со счетчиком обратного времени для активации процесса увода наноспутника с рабочей орбиты после окончания времени его эксплуатации.

15

металлизированной полиимидной пленки. Склейка производится с помощью специального стапеля. Два сегмента укладываются сверху на станок внутренними краями встык по верхней кромке станка.

Стапель для склейки оболочки

Внешний вид пленки ПМ-1ЭУ-ДА

Внешний вид склеенной оболочки УАТ

16

1:10 из металлизированной полиимидной пленки толщиной 100 мкм.

Максимальный располагаемый объем
для шара

Расчетный объем при идеальной укладке (к=1)

Исходные данные для укладки сферической оболочки  Ø 2 м:
площадь поверхности шара – 12566370 кв.мм;
площадь проекции сложенного шара – 8390 кв.мм;
количество «проекций» на «поверхности шара» – 1497;
толщина всех «проекций» сложенного шара – 17 мм.

Заполнение материалом пленки составляет 40%, что советует коэффициенту укладки равным 2,5. Для шара диаметром 2 метра, размер сложенной оболочки по высоте будет равен не более 42,5 мм.
Для шара диаметром 3 метра, размер сложенной оболочки по высоте будет равен не более 95 мм.

17

 

Коэффициент плотности укладки тормозной сферический оболочки:

Таким образом, имеется существенный резерв объема для увеличения диаметра шара или использования модуля CubeSat объемом 0,5U.