автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Методика проектирования геостационарного ИСЗ связи и телевещания с учетом унификации его служебных систем

Аннотация.

Предисловие.

Введение.

Глава 1. Постановка задачи.

1.1. Характеристика и структура диссертации.

1.2. Описание задачи и цели исследования.

1.3. Общий подход к решению поставленной задачи.

Глава 2. Математическая формулировка задачи.

2.1. Определения и допущения.

2.1.1. Общие положения.

2.1.2. Параметр унификации.

2.2. Критерии при унификации.

2.2.1. Общие положения,

2.2.2. Затраты на разработку.

2.2.3. Время разработки.

2.3. Варианты постановок задачи. 26 2,3.1. Введение. 26 2,3.2.1-ая задача унификации: минимизация затрат на разработку ИСЗ при заданном качестве.

2.3.3. 2-ая задача унификации: максимизация качества ИСЗ при заданных затратах на разработку.

2.3.4. 3-ая задача унификации: минимизация затрат на разработку ИСЗ при заданных качестве и сроках азработки.

2.3.5.4-ая задача унификации: максимизация качества ИСЗ при заданных затратах и времени разработки. 34 2.3.6. 5-ая задача унификации: минимизация времени разработки при заданных затратах и качестве.

2.4. Применение метода неопределенных множителей Лагранжа.

2.5. Выбор вариантов постановок задач и унифицируемых элементов

2.5.1. Выбор вариантов постановок задач

2.5.2. Выбор унифицируемых элементов

Глава 3. Математические модели.

3.1. Тенденция изменения массы геостационарных ИСЗ связи и телевещания.

3.2. Обобщенное уравнение существования ИСЗ.

3.3. Параметры служебных систем.

3.3.1. Введение.

3.3.2. Комплексная модель бортового оборудования

ИСЗ связи.

3.3.3. Универсальная модель служебных систем

ИСЗ связи.

Глава 4. Методика расчета затрат на разработку и серийное производство геостационарного связного ИСЗ.

4.1. Общие статьи затрат.

4.2. Затраты на разработку конструкции.

4.3. Стоимость служебных систем.

4.4. Стоимость ИСЗ без учета стоимости целевой аппаратуры для КСИ.

4.5. Затраты на НИОКР.

4.6. Затраты в серийном производстве.

4.7. Затраты на выведения ИСЗ на орбиту.

Глава 5. Программа автоматизированного проектирования

ИСЗ с учетом унификации.

5.1. Особенности процесса проектирования.

5.1.1. Структурная оптимизация геостационарного связного ИСЗ.

5.1.2. Учет унифицированных элементов.

5.2. Блок-схема программы.

5.2.1. Схема автоматизированного проектирования.

5.2.2. Модель существования ИСЗ.

5.2.3. Модель масс,

5.2.4. Цикл "Согласование характеристик".

5.2.5. Цикл "Оптимизация".

5.2.6. Цикл "Согласование технических требований".

5.3. Исходные и выходные данные.

5.3.1. Исходные данные.

5.3.2. Выходные данные.

Глава 6. Вычислительные аспекты получения решения.

6.1. Конкретный пример.

6.2. Результаты численного решения.

6.3. Анализ чувствительности решения.

6.4. Анализ точности расчета массы ИСЗ по модели масс.

Выводы. Литература.

Аннотация

В процессе предварительного проектирования нового ИСЗ определенного целевого назначения или формирования технических требований к нему возникает необходимость в разработке такого проекта, в котором бы достигалась существенная экономия людских, финансовых и материальных ресурсов при одновременном сокращении сроков реализации проекта.

Такая возможность появляется при применении методов проектирования летательных аппаратов с учетом унификации, т.е. применением в новой разработке элементов, узлов и систем, уже разработанных к моменту начала проектирования нового ИСЗ.

При постановке задачи унификации возможно применение трех основных математических моделей: модели масс ИСЗ, модели возможности и модели затрат на разработку.

Модель масс ИСЗ представляет собой обобщенную зависимость критерия, или показателя, совершенства ИСЗ в смысле минимума начальной массы от массово-геометрических и энергетических характеристик ИСЗ.

Такое представление включает в себя, так называемые, статистические коэффициенты. В общем случае они таковыми могут и не являться, поскольку они являются лишь численным выражением некоторых отношений. Их главной особенностью является то, что в процессе проектирования их численное выражение уточняется, а точнее вычисляется как собственное, присущее разрабатываемому ИСЗ. При этом точность такого вычисления зависит от степени подробности принятой математической модели. В результате такого подхода к формированию математической модели существования мы в действительности получаем множество математических моделей, вложенных одна в другую. Причем такая детализация может быть доведена до уровня отдельной детали, отдельного элемента служебной системы.

Модель возможности показывает связь между проектными параметрами и функцией, выражающей основное назначение ИСЗ.

Модель затрат позволяет оценить затраты на разработку, включая затраты на НИОКР и в серийном производстве.

Окончательное решение задачи унификации ИСЗ получено применением метода целочисленной оптимизации.

Предисловие

В процессе работы над кандидатской диссертации автором были написаны следующие статьи:

1. Нурбахш Фулади, Гущин В.Н. Методика расчета затрат на разработку и серийное производство геостационарного связного ИСЗ. Сборник тезисов докладов ХХШ Научных чтений по космонавтике, посвященных памяти академика С.П. Королева и других выдающихся ученых - пионеров освоения космического пространства, Москва, 26-29 января 1999 г. - М.: «Война и мир», 1999, (стр. 49-51).

2. Нурбахш Фулади, Гущин В.Н. Логика и технология проектирования унифицированного геостационарного связного ИСЗ. 34-ые научные чтения К.Э.Циолковского, (Калуга, 14-16 сентября 1999 г), Москва, ИИЕТ РАН, 1999 (стр. 51-52).

3. Нурбахш Фулади, Гущин В.Н. Принцип унификации геостационарного ИСЗ связи и телевещания, журнал «Тегеранского университета», в печати (на фарси).

4. Нурбахш Фулади. Математическая модель масс геостационарного связного ИСЗ. Журнал «Iranian Mechanical Engineering», в печати (на фарси).

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, теле- и 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,

10000000

§

100000 s

10000

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 JIM -LUI 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 унификации- устранение 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-SAT- более, 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 15000 ($/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.

1. Авдуевский B.C., Успенский Г.Р. Космическая индустрия, М.: Машиностроение, 1989.

2. Агалков B.C., Сире А.Ш. Метеорологические искусственные спутники. М.: Знание. Сер. Космонавтика, астрономия, 1977, №11, 64с.

3. Андрейчук О.Б., Малахов H.H. Тепловые испытания космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1982, 143 с.

4. Аппазов Р.Ф., Сытин О.Г. Методы проектирования траекторий носителей и спутников Земли. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. - 440 с.

5. Бурдаков В.П., Данилов Ю.И. Внешние ресурсы и космонавтика. М.: Атомиздат, 1976.

6. Гарук С. В., Гершензон В. Е. Космические системы дистанционного зондирования земли. М.: Издательство А и Б, 1997.

7. Грузков С.А. Летательный аппарат. Назначение и области применения (2- Заатмосферные пилотируемые и беспилотные летательные аппараты),М.:МЭИ, 1997.

8. Гущин В.Н., Панкратов Б.М., Родионов А.Д. Основы устройства и конструирования космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1992.

9. Дементьев Г.П, Захаров А.Г, Казаров Ю.К. Физико-технические основы создания и применения космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1987.

10. Ежегодник "Спутниковые системы связи и вешания", М. Радиотехника, 1998/1999.

11. Инженерный справочник по космической технике. М.: Воениздат,1977.

12. Калашников Н.И. Системы связи через искусственные спутники Земли. М.: Связь, 1969.п.Камалов B.C. Производство космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1982.и. Коваль А.Д., Тюрин Ю.А. Космос Земля. М.: Знание, 1979.

13. Конструирование автоматических космических аппаратов. Под ред. Д. И. Козлова. М.: Машиностроение, 1996.

14. Космические аппараты. Под ред. К.П. Феоктистова. М.: Воениздат,1983.

15. Космонавтика: Энциклопедия. Под ред. Глушко В.П. М.: Советская энциклопедия, 1985.

16. Краффт А, Эрике. Будущее космической индустрии: Пер. С англ. М.: Машиностроение, 1979.

17. Левантовский В.И. Механика космического полета в элементарном изложении. М.: Наука, 1980.

18. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. М.: Машиностроение, 1976.

19. Максимов Г.Ю. Теоретические основы разработки космических аппаратов. М.: Наука, 1980.

20. Малышев Г.В., Блейх Х.С., Зернов В.И. Проектирование автоматических космических аппаратов. Вероятностные методы анализам.: Машиностроение, 1982.

21. Мишин В.П., Осин М.И. Введение в машинное проектирование летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1978.

22. Научное использование искусственных спутников Земли. Сборник статей. Пер. с англ. М.: Иностранная литература, 1960.

23. Новости космонавтики, том 5,6,7,8.

24. Нурбахш Фулади, Гущин В.Н. Логика и технология проектирования унифицированного геостационарного связного ИСЗ. 34-ые научные чтения К.Э.Циолковского, (Калуга, 14-16 сентября 1999 г), Москва, ИИЕТ РАН, 1999 (стр. 51-52).

25. Нурбахш Фулади, Гущин В.Н. Принцип унификации геостационарного ИСЗ связи и телевещания, журнал «Тегеранского университета», в печати (на фарси).

26. Нурбахш Фулади. Математическая модель масс геостационарного связного ИСЗ. Журнал «Iranian Mechanical Engineering», в печати (на фарси).

27. Осима К., Осима Ю. Метод теплового расчета космического аппарата. Вопросы ракетной техники, 1969, № 8, с. 3-14.

28. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике, B.C. Авдуевский, Б.М. Галицейский, Г.А. Глебов и др., М.: Машиностроение, 1975, 624 с.

29. Паничкин Н.И. и другие. Конструкция и проектирование космических летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1986.

30. Перов В.Д., Стахов Ю.И. Космические аппараты исследуют Луну. Знание. Сер. Космонавтика, астрономия, 1979, № 1. 74 с.

31. Раэыграев А.П. Основы управления полетом космических аппаратов и кораблей. М.: Машиностроение, 1977.

32. Романов В.В., Хашев Ю.М. Химические источники тока. М.: Советское радио, 1978.

33. Системы спутниковой связи. Под ред. Л.Я. Кантора. М.: Радио и связь, 1992.

34. Скотт. Проектирование и испытание системы терморегулирования КЛА ITOS-I, Вопросы ракетной техники, 1972, №8, с. 8-19.

35. Смирнов Г.Д. Управление космическими аппаратами. М.: Наука, 1978.

36. Соколов С.С. Новое поколение «Венер» изучает планету. Знание. Сер. Космонавтика, астрономия, 1976, № 12. 66 с.

37. Справочник по космонавтике, М.: Воениздат, 1966.

38. Спутники связи, справочник, /пер. с английского, Под ред. Левина Г.И., М. Воениздат, 1966.

39. Спутниковая связь и вещание. Справочник. Под ред. Л. Я. Кантора, Радио и связь, 1988.

40. Тарасов Е.В. Космонавтика М.: Машиностроение, 1977.

41. Теплообмен и тепловой режим космических аппаратов. Пер. с англ. М.: Мир, 1974, 249 с.

42. Фаворский О.Н., Каданер Я.С. Вопросы теплообмена в Космосе. М.: Высшая школа, 1972, 280 с.

43. Фридлендер Г.О. Инерциальные системы навигации. М.: Физматиздат, 1961.

44. Штернфельд А. Искусственные спутники земли.

45. Эрике Краффт. Космический полет. Т.2. Динамика. М.: Наука, 1969.

46. An introduction to mission design for geostationary satellites. Pocha, J. J., Dordrecht, Netherlands, D. Reidel Publishing Co., 1987.

47. Balancing performance and cost for cost-effective satellite systems design using an integrated cost engineering model. Bell, Kevin D.; Hsu, Lisa A., 1995 IEEE Aerospace Applications Conference, Vol. 1, p. 153-167.

48. Brij N. Agraval. Design of geosynchronous spacecraft. Prentice-hall,inc, 1986.

49. Communication satellites in the geostationary orbit. Donald M. Jansky., norwood: Artech House, 1987.

50. Communication satellite systems; an overview of the technology. Edited by ; R. G. Gould. & Y. F. Lum.- New York: IEEE Press, 1976.

51. Design considerations for rechargeable batteries. Shen D. H., Huang С. K., Davies E., Perrone D., Surampudi S., Halpert G., NASA. Marshall Space Flight Center,The 1992 NASA Aerospace Battery Workshop, 1993, p 743-760.

52. Diseno preliminar de satelites. Cuerno R. Cristina, Lopez D. Jesus, Sanz A. Angel, Ingeniería Aeronáutica y Astronáutica no. 336, July 1994, p. 16-25.

53. Electrical Design of Solar Arrays for Communication Satellites. Kimber R., European Space Power, 1989, Volume 2 p745-749.

54. Fundamentals of space systems (analytic of collected work), Spacecraft thermal control. Wingate Clarence A., New York, Oxford University Press, 1994, p. 433-468.

55. Hans Dodel und Michael Baumgart. Satellitensysteme für kommunikation, Fernsehen und Rundfunk, Theorie und Technologie. 1986.

56. Jams Martin. Communications satellite systems, Englewood Cliffs;New Jersey: Prentice-Hall, 1978.

57. Satellite broadcasting systems. L.A. Trinogga and .,1985.

58. Satellite communications systems. G. Maral, M. Bousquet., Translated by S. David. Chichester , New York: John Wiley & Sons , 1986.

59. Satellite operations: Systems approach to design and control. John T. Garner, Malcolm Jones.-New York: E. Horwood, 1990.

60. Satellite systems: Principles and technologies. Bruno Pattan.-New York: Van Nostrand Reinhold, 1993.

61. Spacecraft flight control system design selection process for a geostationary communication satellite. Barret C., National Aeronautics and Space Administration report, Sep. 1992 Page: 20P.