Методика проектирования геостационарного ИСЗ связи и телевещания с учетом унификации его служебных систем

Космическая деятельность государства приносит громадный социально-экономический эффект. Он проявляется прежде всего в таких жизненно важных областях, как связь и информатизация (на государственном и региональном уровнях). Системы спутниковой связи на основе геостационарных ИСЗ являются одной из составляющих сетей электросвязи. Возможности геостационарных ИСЗ в настоящее время таковы, что они обеспечивают не только пропускную способность, эквивалентную (и даже большую) пропускной способности волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), но и позволяют обеспечить связью малонаселенные районы, в которых использование ВОЛС или наземных кабельных и радиорелейных линий невозможно по очевидным технико-экономическим соображениям. Кроме того, совершенствование космических платформ геостационарных ИСЗ позволило увеличить срок их активного существования до 12−18 лет при снижении стоимости их изготовления (рис. 1). Так, космическая связь в 5−6 раз дешевле обычной, кабельной. Для стран, имеющих большую территорию, спутниковые системы в настоящее время являются единственным приемлемым средством организации связи, телеи радиовещания. Возможности спутниковой связи позволяют обеспечить ее с подвижными объектами (суда, самолеты, поезда, автомобили и т. п.), внедрить новые информационные технологии путем создания глобальных и локальных информационно-справочных компьютерных сетей, электронной почты в различных сферах деятельности — в управлении, банковском деле, образовании,.

§.

100 000 s.

1000 m 8YNCON •.

Z Z * •EAHLY HRO TELSAT II Ш • • w ATS" • i «TAR# 1″ •CT3 RCASA •MAR» TORS • «СОМ кг VI MOF ELOS 2 m: INTE LSATtV < a • MSTAR $ss 1 V-A*, 4 • < VII КС INTE #. VfrA «ASAT .8ATVH.

JLLLL JIMLUI Jlll Jlll ULLL JLLU. JSLL.

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 Годы запуска.

Рис. 1.

Относительное снижение стоимости геостационарных ИСЗ средствах массовой информации, охране правопорядка, таможенном, налоговом и иных видах контроля и т. д. В последние годы еще более высокий показатель использования спутниковых систем связи стал естественным для стран со слабой наземной инфраструктурой сетей связи. Это, по-видимому, объясняется тем, что использование спутниковых каналов позволяет относительно дешево и быстро вводить новые современные средства связи.

Разработка ИСЗ представляет собой сложный, трудоемкий и длительный процесс, который начинается раньше, чем появляется техническое задание, и заканчивается после выведения образца на орбиту. Ни один ИСЗ не разрабатывался, не разрабатывается и, по-видимому, не будет разрабатываться с нуля, на голом месте. Имеется в виду, что для создания нового ИСЗ необходимо иметь научнотехнический задел в виде предшествующих разработок. Другими словами, весь опыт мирового машиностроения свидетельствует о том, что развитие технических систем происходит путем совершенствования (эволюции), когда переход от модели к модели осуществляется путем замены части, а не всей совокупности элементов. Итак, ни одна разработка ИСЗ не является исключительно новой, а содержит определенное количество элементов, уже прошедших апробацию на предыдущих образцах. Это заимствование предыдущих разработок связано с понятием унификации. Унификация в технике — это приведение различных видов продукции и средств ее производства к рациональному минимуму типоразмеров, марок, форм, свойств и т. п.

Основная цель унификацииустранение неоправданного многообразия изделий одинакового назначения и разнотипности составных частей и деталей, приведение к возможному единообразию способов их изготовления, сборки, испытаний и т. п.

Унификация — важное направлении в развитии современной техники, комплексный процесс, охватывающий вопросы проектирования, технологии, контроля и эксплуатации машин, механизмов, аппаратов, приборов [БСЭ-1977, Т.27].

Наиболее распространена унификация в машиностроении и приборостроении, где различают унификацию внутритиповую, касающуюся изделий одного типа (с разными модификациями), и межтиповую, охватывающую изделия разных типов.

В процессе унификации соблюдается принцип конструктивной преемственности: в изделия новой конструкции в максимальной степени вводят детали и узлы, уже применявшиеся в других конструкциях, с возможно большим числом одинаковых параметров (особенно базовых и присоединительных размеров), обеспечивающих взаимозаменяемость уже проверенных конструкций [БСЭ-1977, Т.27].

Унификации изделий предшествует их типизация — разработка и установление типовых конструкций, содержащих общие для ряда изделий (или их составных частей) конструктивные параметры, в том числе перспективные, учитывающие последние достижения науки и техники.

Одинаковые или разные по своему функциональному назначению изделия, их узлы и детали, являющиеся производными от одной конструкции, взятой за основную, относят к одному унифицированному ряду.

Широкое использование принципов унификации машин, оборудования, приборов позволяет значительно уменьшить объем конструкторских работ и период проектирования, сократить сроки создания нового оборудования, снизить стоимость освоения новых изделий, повысить уровень механизации и автоматизации производств, процессов путем увеличения серийности, снижения трудоемкости и организации специализированных предприятий. При унификации повышается качество выпускаемой продукции, ее надежность и долговечность благодаря более тщательной отработке технологичности конструкции изделий и технологии их изготовления.

Принципы унификации могут эффективно использоваться несколькими странами, способствуя углублению специализации производства и его кооперирования.

Если имеется в виду конструкторская унификация, то такое заимствование может заключаться и в использовании одинаковых или почти одинаковых элементов в рамках данного проекта. Ясно, что здесь при этом можно получить весьма значительный выигрыш.

Помимо такого конструкторского заимствования, т. е. конструкторской унификации, можно рассматривать проектную унификацию, когда заимствуется проектная идея. Масса, габариты и даже детальное конструкторское исполнение элементов могут отличаться, но основная проектная идея сохраняется и переходит от модели к модели.

Можно еще упомянуть и о технологической унификации, когда технология остается в основном неизменной, а модели меняются.

В связи с изложенным при разработке ИСЗ возникает задача определения оптимального или рационального уровня унификации. Это задача новая потому, что в подавляющем большинстве исследований в области проектирования ИСЗ совершенно игнорируется тот факт, что практически ни один ИСЗ, каким бы новым он ни был, не разрабатывается без учета достигнутого научно-технического уровня, опыта предшествующих технологических и конструкторских решений. Но при выборе проектных параметров, являющемся типовой задачей науки проектирования, прошлый опыт присутствует лишь в конструкторских статистических коэффициентах и не учитывает унификации, т. е. возможности использования унифицированных элементов.

Разработке методики проектирования геостационарного ИСЗ связи и телевещания с учетом уже на начальной фазе проектирования преемственности конструкции (унификации) и посвящена данная диссертация.

Основные выводы по диссертации.

1. Анализ результатов показывает что, для каждой конкретной задачи существует определенный оптимальный уровень унификации, который зависит от энергопотребления целевой аппаратуры, срока активного существования ИСЗ, числа спутников в программе выпуска, срока разработки спутника, стоимости выведения и степени утяжеления унифицируемых элементов и подсистем.

2. Из выше перечисленных факторов, наиболее существенными оказываются, стоимость выведения, величина энергопотребления целевой аппаратуры, число спутников в программе выпуска, и степень утяжеления унифицируемых элементов и подсистем.

3. Проектирование ИСЗ с учетом унификации (преемственности конструкции, элементов и систем) позволяет существенно снизить затраты на создание новых аппаратов, так, например, для ИСЗ связи типа Intelsat-5 применение унификации позволяет снизить затраты более, чем на 20%, а для ИСЗ телевещания типа TV-SATболее, чем на 12%.

4. Увеличение стоимости запуска, ухудшает экономические показатели при унификации, т. е. снижает оптимальный уровень унификации, и это характерно для энергопотребления целевой аппаратуры, числа спутников в программе выпуска, степени утяжеления унифицируемых элементов.

5. Увеличение срока разработки спутника приводит к повышению оптимального уровня унификации.

6. Из элементов и подсистем, положительно влияющих на унификацию, (по убыванию степени влияния): командно-телеметрическая система, элементы конструкции, механизмы и приводы, система терморегулирования (СТР), система ориентации и стабилизации (СОС), и, наконец, система энергопитания (СЭП), т. е. лучше унифицировать те элементы, у которых удельная стоимость при производстве меньше, а стоимость разработки выше, и их утяжеление меньше влияет на увеличение массы остальных элементов и подсистем. В таблице 6.3 дана ориентировочная доля масс и стоимости элементов и подсистем геостационарных ИСЗ связи и телевещания.

7. При унификации для каждой конкретной задачи и при определенном уровне стоимости выведения ИСЗ на орбиту, существует определенная (максимально допустимая) степень утяжеления элементов и подсистем, выше которой унификация не имеет смысла. Например, при унификации ИСЗ типа Ыека^б и при стоимости выведения 15 000 ($/кг), для элементов и подсистем предельные значения утяжеления составят: элементы конструкции (80%), элементы системы терморегулирования (50%), элементы системы ориентации и стабилизации (55%), солнечные батарей (30%), система контроля СЭП (100%), буферные аккумуляторы (20%) (таблица 6.4).

8. Погрешность расчетов по предлагаемой методике находится в пределах менее 7% по массе элементов и ИСЗ в целом.