Корисне навантаження космічного апарату

Матеріал з Вікіпедії – вільної енциклопедії
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Корисне навантаження космічного апарату або корисний вантаж космічного апарату - це кількість, тип або маса корисного обладнання, заради якого створюється або запускається даний космічний апарат . У технічній літературі зазвичай застосовуються скорочення цього терміна: ПН (Корисне навантаження).

Необхідно враховувати, що "вага, що виводиться на орбіту " (наприклад, супутник зв'язку ) і "вага, що доставляється до МКС " - це різні речі. Адже при доставці до МКС необхідно доставити на орбіту власну рухову установку космічного корабля (разом з паливом для неї), систему управління, сам корпус космічного корабля тощо. Так, наприклад, маса КК «Прогрес» становить трохи більше 7 тонн, але до МКС «долітає» зазвичай лише 2,5 тонни вантажу із виведених на орбіту 7 тонн.

Тому, залежно від типу космічних апаратів, існує два тлумачення цього терміна: ПН космічних апаратів та ПН ракет-носіїв . Використовуючи приклад з КК «Прогрес», ПН «Прогресу» становить 2,5 тонни, тоді як ПН ракети-носія — 7 тонн.

Модуль корисного навантаження КА

Космічна платформа та модуль корисного навантаження

Стосовно космічних апаратів термін ПН відноситься до маси модуля корисного навантаження або типу використовуваного обладнання. Майже всі сучасні космічні апарати будуються на основі двох складових частин: модуля службових систем та модуля корисного навантаження.

  • В « Модуль Службових Систем (МСС) » , який також називають «космічна платформа», входять усі службові системи супутника: всі двигуни та пальне для них, система енергопостачання, система управління рухом, орієнтації та стабілізації, система терморегулювання, бортовий комп'ютер та інші допоміжні системи.
  • «Модуль Корисного Навантаження» (МПН) зазвичай включає відсік для встановлення обладнання, що виконує функції, для яких даний КА був створений. Зазвичай платформи оптимізуються під масу корисного навантаження, що виводиться, що в свою чергу визначає масу всього КА і потужність системи енергопостачання.

Для телекомунікаційних супутників , модуль корисного навантаження входять всі транспондери і частина ретрансляційних антен , що використовуються на цьому супутнику. Антени, які служать для телеметрії, не є частиною корисного навантаження і відносяться до платформи.

На КА, призначеному для наукових досліджень, корисний вантаж становлять усі наукові прилади цього дослідницького апарату, фото- та відеокамери. Антени у разі не вважаються корисним вантажем, оскільки вони здійснюють сервісну функцію передачі зібраних даних Землю і тому є частиною платформи.

При виробництві сучасних телекомунікаційних платформ, таких як Спейсбас або Експрес , МПН виготовляється окремо від МСС і загальна інтеграція проводиться останнім часом ( англ. mating ).

Пристрій типового модуля корисного навантаження

Схема прозорого модуля корисного навантаження телекомунікаційного супутника з подвійним зниженням частоти

У сучасних супутниках зв'язку, корисним навантаженням зазвичай є ретранслятори прозорого типу ( англ. transparent або bent-pipe ), тобто на борту здійснюється проста зміна (зниження) частоти, посилення та ретрансляція сигналу, без попереднього демодулювання . Перевага цього підходу в простоті системи та її кращої пристосованості до зміни стандартів на Землі: навіть при зміні типу модуляції або стандартів сигналу, що передається (наприклад DVB-S2 замість DVB-S ) система продовжує успішно працювати. Для ретрансляторів що працюють у C- і Ku-діапазонах зазвичай використовується одноразове зниження частоти, тоді як систем у вищих діапазонах ( Ka- і Q/V-) — подвійне зниження.

У системах з попередньою демодуляцією і наступною ремодуляцією сигналу ( англ. On board Processing (OBP)) можна досягти кращого співвідношення сигнал/шум , щоб створити високоефективну маршрутизацію сигналів і змішаних сигналів різних типів. У той же час, вартість таких систем значно вища за прості прозорі системи і ефективність сильно залежить від можливості перепрограмування обладнання. Така можливість в даний час дуже обмежена через більш повільний розвиток систем із захистом від високоенергетичного радіовипромінювання .

Ставлення ПН до загальної маси КА

Відношення маси корисного вантажу комерційних телекомунікаційних супутників до загальної маси КА

Одним із найважливіших параметрів є відношення маси ПН до загальної маси КА. Очевидно, що чим краще це співвідношення, тим ефективніше можуть бути виконані завдання місії. Зазвичай вантажопідйомність ракети-носія визначає максимальну масу КА на орбіті. Таким чином, що менше важить платформа, то більше корисного вантажу може бути доставлено на задану орбіту.

В даний час це відношення становить приблизно 18-19% для сучасних важких телекомунікаційних платформ, таких як Спейсбас або Експрес 2000 . Основною технологічною проблемою є енергетична вартість підвищення орбіти з геоперехідною до геостаціонарної. КА повинні нести велику кількість пального підвищення орбіти (до 3 тонн і більше). Крім того, ще 400-600 кг використовується для утримання супутника на заданій орбіті за весь час активної експлуатації. У недалекому майбутньому, широке використання електричних іонних двигунів, а також зменшення маси сонячних батарей та акумуляторів має призвести до покращення цього співвідношення до 25% і більше. Наприклад, електричний іонний двигун фірми Boeing XIPS25, використовує лише 75 кг пального для утримання супутника на орбіті протягом 15 років. При можливому використанні цього двигуна для підвищення та подальшого утримання орбіти, можна заощадити до 50 млн. Євро (хоча в даний момент ця функція повністю не використовується) [1] .

Корисне навантаження ракет-носіїв

Для ракет-носіїв як корисне навантаження виступають супутники, космічні кораблі (з вантажами, або з космонавтами) і т. д. У цьому випадку, термін «корисне навантаження» означає повну масу КА виводиться на задану орбіту. Тобто маса корпусу КА і пального на борту КА, що виводиться, також вважається корисним навантаженням.

Необхідно розрізняти масу ПН на різних орбітах. У випадку, будь-яка ракета-носій виводить більше вантажу на низьку опорну кругову орбіту висотою 200 км, ніж високоенергетичні орбіти (великої висоти). Так, РН Протон-М виводить до 22 тонн на опорну орбіту (у триступінчастому варіанті, без розгінного блоку), понад 6,0 тонн на геоперехідну та до 3,7 тонни на геостаціонарну орбіту (у чотириступінчастому варіанті, з розгінним блоком Бриз-М або ДМ).

Вартість доставки вантажів на орбіту

Вартість доставки вантажів на орбіту у різних джерелах досить сильно відрізняється. Часто цифри дані у різних валютах, відносяться до різних років (рік визначає як інфляцію , так і світову кон'юнктуру вартості пусків), відносяться до запусків на різні орбіти, деякі з цифр характеризують собівартість запуску за фактом «сухої» вартості ракети-носія, інші джерела дають вартість пуску для замовника, причому джерело не пояснює яка з цифр наведена. Регулярно не враховується вартість роботи наземних служб, і тим більше страхування, вартість якого може дуже відрізнятися залежно від статистики відмов ракети. Тому порівнювати вартість пуску ракети-носія потрібно дуже обережно, і у відкритій інформації можна побачити лише приблизні значення.

Сучасні засоби:

Вартість доставки вантажів на низьку орбіту
Носій Вартість, доларів за кг Вартість запуску, млн. доларів Вантажопідйомність, тонн Примітка
« Зеніт-2/3SL » 2567 - 3667 35 - 50 13,7
Спейс шатл 13 000 - 17 000 500 24,4 До $40-50 тис./кг при частковому завантаженні 10 тонн. Максимальна маса, що доставляється на орбіту, - близько 120-130 тонн (разом з кораблем), максимальна маса вантажу, що повертається на Землю, - 14,5 тонн. [2]
« Союз-2 » 4 242 - 11 265 35
48,5 (з РБ "Фрегат") [3]
9,2 (НГО з ГКЦ ) [4]
8,7 (НГО з космодрому «Східний» ) [5]
3,2 (ДПО з ГКЦ ) [5] [6]
2,0 (ДПО з космодрому «Східний» [5]
До $25 тис./кг на ДСО . Максимальна маса корисного навантаження при використанні ТГК " Прогрес " - близько 2,5 тонн. Максимальний вантаж який можна взяти в корабель " Союз ТМА ", що запускається РН "Союз" - близько 300 кг. У разі використання для виведення супутників вартість запуску:
« Схід » 3460 16.4 4,73 17-го березня 1988-го року РН «Схід» (раніше модифікація) був виведений на орбіту індійський супутник дистанційного зондування Землі IRS-1A. Вартість запуску склала $7.5 млн. Така низька вартість обумовлена ​​тим, що потрібно залучити потенційних замовників [10] . З 1991 року виведено з експлуатації.

З урахуванням інфляції на 2020 рік, це $16.4 млн.

« Протон-М » 2743 ( НГО )
10 236 - 11 023 ( ДПВ )
65
80 (з РБ « Бріз-М »)
22.4 [11] (НГО, 200 км, i=51.6°)

23.7 [12] (НГО, 180 км, i=51.5°)
6,3 (ДПО) [11] [13]

Вартість запусків змінюється з роками:
  • 1999 року вартість ракети-носія «Протон-К» з блоком ДМ становила $70-90 млн; [14]
  • У 2004 році , зважаючи на зростання світової конкуренції, вартість «була зменшена майже до собівартості» — $25 млн; [15]
  • У 2005 році вартість "Протон-К" становила 800 млн руб., А "Протон-М" - 900 млн руб. ($36-40 млн); [16]
  • У 2008 році вартість на ДПО - "Протон-М" з розгінним блоком "Бриз-М" - становила $100 млн; [17]
  • З початком світової економічної кризи в 2008 році обмінний курс рубля до долара знизився на 33%, що призвело до зниження вартості запуску до приблизно $80 млн [17] ;
  • У 2010 році вартість становила близько $70-100 млн. залежно від конфігурації [18] ;
  • У 2012 році загальна вартість РН "Протон-М" з РБ "Бриз-М" для федеральних замовників становила близько 2,4 млрд рублів (близько $80 млн). Ця ціна складається з самої РН "Протон" (1,348 млрд), РБ "Бриз-М" (420 млн), доставки компонентів на Байконур (20 млн) та комплексу послуг із запуску (570 млн). [19] 2,84 млрд рублів у цінах 2013 року. [20]
  • У 2013 році вартість ракети без РБ «Бриз-М» для державних замовників без урахування транспортування на космодром та послуг із запуску становила 1,5 млрд руб. (близько $46 млн);
  • Надалі вартість підвищилася до $90 млн.;
  • У 2015 році вартість знижено до $70 млн. [21]
Атлас-5 6 350 (НТВ)
14 400 (ДПО)
187 9,75 - 29,42 (НГО)
4,95 - 13,00 (ДПО) [22]
Тільки безпілотні супутники. [23]
« Дніпро » 2 703 10 3,7 Тільки безпілотні супутники.
« Аріан-5 ECA » 13 330 - 15 000 (ДПО) 140 - 150 10,5 (ДПО) Ця версія ракети не використовується для виведення супутників на низькі орбіти. Вартість запуску близько 100 млн. євро. При виведенні одного супутника на ГПО вантажопідйомність ракети 10,5 тонни, при виведенні двох супутників їх загальна маса може становити до 10 тонн.
Falcon 9 2719 (НТВ)

11 273 (ДПО)

62 [24] 22,8 (НГО в одноразовій конфігурації)
8,3 (ДПО в одноразовій конфігурації)
5,5 (ДПО) [24]
Ракета-носій з повертається першим щаблем, що потенційно може знизити вартість виведення корисного навантаження.
Falcon Heavy 2 351 (НТЗ в одноразовій конфігурації)

5 618 (ДПО в одноразовій конфігурації)
11 250 (ДПО)

90 [24]
150 (в одноразовій конфігурації) [25]
63,8 (НГО в одноразовій конфігурації)
26,7 (ДПО в одноразовій конфігурації)
8,0 (ДПО) [24]
Вартість виведення на ДПО супутника масою до 8,0 тонн встановлена ​​на рівні 90 млн доларів США [24] , таким чином вартість виведення 1 кг корисного навантаження становитиме 11 250 доларів.

Засоби, що розробляються наступного покоління (плановані цифри за курсом рубля і долара 90-х років, без урахування багатомільярдних витрат на розробку та випробування):

Однак слід враховувати, що основна вартість виведення корисного навантаження на орбіту полягає у вартості створення та підготовки до запуску одноразової ракети-носія. Наприклад, за фактором палива вартість виведення на низьку навколоземну орбіту для сучасних носіїв становить близько 20-50 $/кг.

Роскосмос відмовився від придбання українських ракет «Зеніт», оскільки за ракети було запропоновано давно сформовану ціну, заздалегідь закладену до бюджету, — близько 1,2 млрд руб. за ракету. Однак українських партнерів пропозиція не влаштувала, вони попросили більше – близько 1,4 млрд руб. За таких умов угода втрачала сенс, оскільки за 1,5 млрд руб. Роскосмос може замовити виготовлення "Протона" - носія великої вантажопідйомності [26] .

Примітки

  1. Boeing 702HP fleet (недоступне посилання) . Boeing. Дата звернення: 19 грудня 2010 року. Архівовано 21 червня 2012 року.
  2. Американцям доведеться піти з МКС . « Комсомольська правда » (21 вересня 2008). Дата звернення: 8 жовтня 2020 року. Архівовано 24 вересня 2008 року.
  3. Стала відома вартість комерційного запуску "Союзу" з блоком "Фрегат" (рус.) , РІА Новини (2 жовтня 2018). Дата звернення 3 жовтня 2018 року.
  4. Soyuz-2 launch vehicle (14A14) . www.russianspaceweb.com. Дата звернення: 3 жовтня 2018 року.
  5. 1 2 3 РАКЕТИ-НОСІЇ «СПІЛ-2» - Держкорпорація «Роскосмос» . Роскосмос . Дата звернення: 3 жовтня 2018 року.
  6. РКЦ Прогрес РН «Союз-СТ» . ЦСКБ-Прогрес . Дата звернення: 3 жовтня 2018 року.
  7. Російсько-французький проект компанії «Старсем» щодо здійснення запусків РН «Союз» з космодрому Куру у Французькій Гвіані (недоступне посилання) . Center for Arms Control, Energy and Environmental Studies. Дата звернення: 19 грудня 2010 року. Архівовано 15 березня 2010 року.
  8. Аналіз. Прогноз. Коментарі (недоступне посилання) . ІАЦ "Спейс-Інформ". Дата звернення: 19 грудня 2010 року. Архівовано 11 січня 2010 року.
  9. Новини@Mail.Ru: Російські ракети вирушили в тропіки (недоступне посилання) . Дата звернення: 19 грудня 2010 року. Архівовано 17 листопада 2009 року.
  10. Amos-2 (недоступне посилання) . Теле-Супутник Лютий 2004. Дата звернення: 19 грудня 2010 року. Архівовано 11 липня 2007 року.
  11. 1 2 Ракета-носій «Протон-М» . Роскосмос . Дата звернення: 3 жовтня 2018 року.
  12. ДКНВЦ імені М.В.Хрунічева | Ракета-носій "Протон-М" . ДКНВЦ імені М. В. Хрунічева . Дата звернення: 28 квітня 2020 року.
  13. Proton-M launch vehicle . www.russianspaceweb.com. Дата звернення: 3 жовтня 2018 року.
  14. Ракети-носія "Протон" (недоступне посилання) . Проект "Тихий космос". Дата звернення: 20 грудня 2010 року. Архівовано 5 квітня 2013 року.
  15. Європа 'запустить ракетою' в Росію та США, russie.ru, 25.05.2004 (недоступне посилання) . Дата звернення: 19 грудня 2010 року. Архівовано 15 травня 2013 року.
  16. Російські військові віддали останній "Протон" (Недоступне посилання) . Газета «Комерсант» № 67/П (3398) (17 квітня 2006). Дата звернення: 20 грудня 2010 року. Архівовано 16 листопада 2010 року.
  17. 1 2 Viasat drops Ariane-5 for Lower-Cost Proton Launch, (недоступне посилання) . SpaceNews [en] (16 березня 2009). Дата звернення: 11 травня 2010 року. Архівовано 25 серпня 2011 року.
  18. Втрата супутників ГЛОНАСС обійдеться Росії в десятки мільярдів рублів . Комсомольська правда. Дата звернення: 20 грудня 2010 року.
  19. Європа кличе Росію на Марс . ділова газета «Известия» (16 жовтня 2011 року). Дата звернення: 18 жовтня 2011 року. Архівовано 24 січня 2012 року.
  20. МВС завело кримінальну справу за фактом саботажу в Центрі Хруничева
  21. Вартість запуску супутників "Протоном-М" знизилася до $70 млн . Інтерфакс . Дата звернення: 22 грудня 2015 року.
  22. United Launch Alliance . Технічні дані РН Атлас V. (PDF) (недоступне посилання) . Дата звернення: 17 січня 2011 року. Архівовано 26 лютого 2009 року. (en)
  23. US Air Force Request $1.8 Billion for EELV Program as Costs Skyrocket (англ.) (Недоступне посилання) . SpaceNews [en] . Дата звернення: 17 січня 2011 року. Архівовано 8 липня 2012 року.
  24. 1 2 3 4 5 spacexcmsadmin. Capabilities & Services . SpaceX. Дата звернення: 4 серпня 2021 року. Архівовано 6 червня 2021 року.
  25. Ілон Маск . Elon Musk on Twitter (англ.) , Twitter (12 February 2018). Дата звернення 8 жовтня 2020 року. In process of being fixed. Якщо вони були, досконало розповсюджений Falcon Heavy, який far exceeds виконання дії Delta IV Heavy, є $150M, compared to over $400M для Delta IV Heavy.».
  26. Росія відмовляється від закупівлі українських ракет , РБК (11 грудня 2013). Архівовано 9 травня 2015 року. Дата звернення 8 жовтня 2020 року.

Див. також