Полезная нагрузка космического аппарата
Полезная нагрузка космического аппарата или полезный груз космического аппарата — это количество, тип или масса полезного оборудования, ради которого создается или запускается данный космический аппарат. В технической литературе обычно используются сокращения этого термина: «ПГ» (полезный груз) или «ПН» (полезная нагрузка).
Необходимо учитывать, что «вес, выводимый на орбиту» (например, спутник связи) и «вес, доставляемый к МКС» — это разные вещи. Ведь при доставке к МКС необходимо доставить на орбиту собственную двигательную установку космического корабля (вместе с топливом для неё), систему управления, сам корпус космического корабля и т. д. Так, например, масса КК «Союз» составляет чуть больше 7 тонн, но до МКС «долетает» обычно всего 2,5 тонны груза из выведенных на орбиту 7 тонн.
Поэтому, в зависимости от типа космических аппаратов, существует два толкования этого термина: ПН космических аппаратов и ПН ракет-носителей. Используя пример с КК «Союз», ПН «Союза» составляет 2,5 тонны, в то время как ПН ракеты-носителя — 7 тонн.
Модуль полезной нагрузки КА
Применительно к космическим аппаратам, термин ПН относится к массе модуля полезной нагрузки или типу используемого оборудования. Практически все современные космические аппараты строятся на основе двух составных частей: модуля служебных систем и модуля полезной нагрузки.
- В «Модуль Служебных Систем (МСС)», который также называют «космическая платформа», входят все служебные системы спутника: все двигатели и горючее для них, система энергоснабжения, система управления движением, ориентации и стабилизации, система терморегулирования, бортовой компьютер и другие вспомогательные системы.
- «Модуль Полезной Нагрузки» (МПН) обычно включает отсек для установки оборудования выполняющего функции, для которых данный КА был создан. Обычно платформы оптимизируются под массу выводимой полезной нагрузки, что в свою очередь определяет массу всего КА и мощность системы энергоснабжения.
Для телекоммуникационных спутников, в модуль полезной нагрузки входят все транспондеры и часть ретрансляционных антенн, используемых на этом спутнике. Антенны, которые служат для телеметрии не являются частью полезной нагрузки и относятся к платформе.
На КА, предназначенном для научных исследований, полезный груз составляют все научные приборы этого исследовательского аппарата, фото- и видео камеры. Антенны в этом случае не считаются полезным грузом, так как они осуществляют сервисную функцию передачи собранных данных на Землю и поэтому являются частью платформы.
При производстве современных телекоммуникационных платформ, таких как Спейсбас или Экспресс, МПН изготавливается отдельно от МСС и общая интеграция производится в последний момент (англ. mating).
Устройство типичного модуля полезной нагрузки
В современных спутниках связи, полезной нагрузкой обычно являются ретрансляторы прозрачного типа (англ. transparent или bent-pipe), то есть на борту осуществляется простое изменение (понижение) частоты, усиление и ретрансляция сигнала, без предварительного демодулирования. Преимущество этого подхода в простоте системы и её лучшей приспособленности к изменению стандартов на Земле: даже при смене типа модуляции или стандартов передаваемого сигнала (например DVB-S2 вместо DVB-S) система продолжает успешно работать. Для ретрансляторов работающих в C- и Ku-диапазонах обычно используется однократное понижение частоты, в то время как для систем в более высоких диапазонах (Ka- и Q/V-) — двойное понижение.
В системах с предварительной демодуляцией и последующей ремодуляцией сигнала (англ. on board processing (OBP)), можно достигнуть лучшего отношения сигнал/шум, производить высокоэффективную маршрутизацию сигналов и смешивать сигналы различных типов. В то же время, стоимость таких систем значительно выше простых прозрачных систем и эффективность сильно зависит от возможности перепрограммирования оборудования. Такая возможность в настоящее время сильно ограничена из-за более медленного развития систем с защитой от высокоэнергетического радиоизлучения.
Отношение ПН к общей массе КА
Одним из важнейших параметров является отношение массы ПН к общей массе КА. Очевидно, что чем лучше это соотношение, тем эффективнее могут быть выполнены задачи миссии. Обычно грузоподъемность ракеты-носителя определяет максимальную массу КА на орбите. Таким образом, чем меньше весит платформа, тем больше полезного груза может быть доставлено на заданную орбиту.
В настоящее время это отношение составляет примерно 18-19 % для современных тяжелых телекоммуникационных платформ, таких как Спейсбас или Экспресс 2000. Основной технологической проблемой является энергетическая стоимость повышения орбиты с геопереходной до геостационарной. КА должны нести большое количество горючего для повышения орбиты (до 3 тонн и больше). Кроме того, еще 400—600 кг используется для удержания спутника на заданной орбите за все время активной эксплуатации. В недалеком будущем, широкое использование электрических ионных двигателей, а также уменьшение массы солнечных батарей и аккумуляторов должно привести к улучшению этого соотношения до 25 % и более. Например, электрический ионный двигатель фирмы Boeing XIPS25, использует всего лишь 75 кг горючего для удержания спутника на орбите в течение 15 лет. При возможном использовании этого двигателя для повышения и последующего удержания орбиты, можно сэкономить до 50 млн Евро (хотя в данный момент эта функция полностью не используется)[1].
Полезная нагрузка ракет-носителей
Для ракет-носителей, в качестве полезной нагрузки выступают спутники, космические корабли (с грузами, либо с космонавтами) и т. д. В этом случае, термин «полезная нагрузка» означает полную массу КА выводимого на заданную орбиту. То есть масса корпуса КА и горючего на борту выводимого КА также считается полезной нагрузкой.
Необходимо различать массу ПН на различных орбитах. В общем случае, любая ракета-носитель выводит больше груза на низкую опорную круговую орбиту высотой 200 км, чем на высокоэнергетические орбиты (бо́льшей высоты). Так, РН Протон выводит до 22 т на опорную орбиту (в трехступенчатом варианте, без разгонного блока), более 6,0 тонн на геопереходную и до 3,7 тонны на геостационарную орбиту (в четырехступенчатом варианте, с разгонным блоком Бриз-М или ДМ).
Стоимость доставки грузов на орбиту
Цифры доставки грузов на орбиту в разных источниках довольно сильно отличаются. Кроме того, часто цифры даны в разных валютах, относятся к разным годам (год определяет как инфляцию, так и мировую конъюнктуру стоимости пусков), относятся к запускам на разные орбиты, некоторые из цифр характеризуют себестоимость пуска, другие источники дают стоимость пуска для заказчика, при этом источник не поясняет какая из цифр приведена. Поэтому сравнивать цифры нужно крайне осторожно и можно оценить лишь приблизительные значения.
Современные средства:
| Стоимость доставки грузов на низкую орбиту | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Носитель | Стоимость, долларов за кг | Стоимость запуска, млн. долларов | Грузоподъемность, тонн | Примечание | ||||||
| Зенит-2/3SL | 2 567-3 667 | 35-50 | 13,7 | |||||||
| Спейс шаттл (многоразовый КК) | 13 000-17 000 | 500 | 25 | при полной загрузке корабля 29,5 тонн, возрастает до $40-50 тыс./кг при частичной загрузке в 10 тонн. Максимальный вес доставки на орбиту — около 120—130 тонн (вместе с кораблем), максимальный вес полезной нагрузки — 24,4 тонн, максимальный вес возврата на землю — 14,5 тонн. Стоимость запуска — около $500 млн[2]. | ||||||
| «Союз» (одноразовая ракета-носитель) | 4 242-11 265 | 35-78,858 | 8,25 | до $25 тыс./кг на ГСО. Максимальный груз который можно взять в корабль Союз ТМА, запускаемый РН Союз — около 300 кг. Максимальный вес доставки на орбиту — 7—7,5 тонн. В случае использования для вывода спутников, стоимость запуска:
| ||||||
| «Восток» | 1 586 | 7,5 | 4,73 | В начале 90-х была всего-лишь $7-8 млн для привлечения иностранных клиентов[6]. С 1991 года выведена из эксплуатации. | ||||||
| «Протон» (одноразовая ракета-носитель) | 1 136-4 546 | 25-100 | 22 | Цена запусков изменяется с годами, в последнее время, она постоянно растёт. Данные стоимости запусков на ГСО:
| ||||||
| «Атлас-5» (одноразовая ракета-носитель) | 187 | 9.75 — 29.42 (НОО) 4.95 т- 13 т на ГПО[12] |
(только беспилотные спутники), максимальный вес доставки на НОО — 30 тонн, 13 тонн на ГПО. Стоимость пуска — около $187 млн[13]. | |||||||
| «Днепр» (одноразовая ракета-носитель) | 2 703 | 10 | 3,7 | (только беспилотные спутники), максимальный вес доставки на орбиту — 3,7 тонны. Стоимость пуска — около $10 млн. | ||||||
Разрабатываемые средства следующего поколения (планируемые цифры по курсу рубля и доллара 90-х годов, без учета многомиллиардных расходов на разработку и испытания):
- МАКС — $1-2 тыс./кг
В настоящее время даже завышенные цифры по стоимости запуска одноразовых космических кораблей (эти завышенные цифры появились, видимо, в ходе переговоров по подготовке экваториальных стартов РН «Союз» с космодрома Куру) как минимум не уступают по экономической эффективности многоразовым системам, имеющимся на настоящий момент. Если использовать средние цифры (в том числе из приведенных выше), то одноразовые системы экономически эффективнее как минимум вдвое, что означает, что многоразовые системы на сегодняшний день не дешевле, но решают две важные задачи: свод с орбиты значительной массы и выполнение военно-стратегических целей. Обе эти цели в настоящий момент мало востребованы.
Примечания
- ↑ Boeing 702HP fleet. Boeing. Дата обращения: 19 декабря 2010. Архивировано 21 июня 2012 года.
- ↑ Американцам придется уйти с МКС. «Комсомольская правда», 21 Сентября 2008. Дата обращения: 20 декабря 2010. Архивировано 8 июля 2012 года.
- ↑ Российско-французский проект компании «Старсем» по осуществлению запусков РН «Союз» с космодрома Куру во Французской Гвиане. Center for Arms Control, Energy and Environmental Studies. Дата обращения: 19 декабря 2010. Архивировано 8 июля 2012 года.
- ↑ Анализ. Прогноз. Комментарии. ИАЦ "Спейс-Информ". Дата обращения: 19 декабря 2010. Архивировано 8 июля 2012 года.
- ↑ Новости@Mail.Ru: Российские ракеты отправились в тропики
- ↑ Amos-2. Теле-Спутник Февраль 2004. Дата обращения: 19 декабря 2010. Архивировано 24 августа 2011 года.
- ↑ Ракеты-носители"Протон". Проект "Тихий космос". Дата обращения: 20 декабря 2010. Архивировано 8 июля 2012 года.
- ↑ Европа 'запустит ракетой' в Россию и США, russie.ru, 25.05.2004
- ↑ Российские военные отдали последний "Протон". Газета «Коммерсантъ» № 67/П (3398) от 17.04.2006. Дата обращения: 20 декабря 2010. Архивировано 8 июля 2012 года.
- ↑ 1 2 Viasat drops Ariane-5 for Lower-Cost Proton Launch,. Space News, 16.03.2009. Дата обращения: 11 мая 2010. Архивировано 25 августа 2011 года.
- ↑ Потеря спутников ГЛОНАСС обойдется России в десятки миллиардов рублей. Комсомольская правда. Дата обращения: 20 декабря 2010. Архивировано 8 июля 2012 года.
- ↑ United Launch Alliance. Технические данные РН Атлас V. (PDF). (en)
- ↑ Space News. U.S. Air Force To Request $1.8 Billion for EELV Program as Costs Skyrocket. Архивировано 8 июля 2012 года. (en)