Полезная нагрузка космического аппарата

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

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[править | править вики-текст]

Космическая платформа и модуль полезной нагрузки

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[править | править вики-текст]

Схема прозрачного модуля полезной нагрузки телекоммуникационного спутника с двойным понижением частоты

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[править | править вики-текст]

Отношение массы полезного груза коммерческих телекоммуникационных спутников 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[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

Стоимость доставки грузов на орбиту в разных источниках довольно сильно отличается. 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 по факту "сухой" стоимости ракеты-носителя, другие источники дают стоимость пуска для заказчика, при этом источник не поясняет какая из цифр приведена. Регулярно не учитывается стоимость работы наземных служб, и тем более - страхования, стоимость которого может очень сильно отличаться в зависимости от статистики отказов ракеты. Поэтому сравнивать стоимость пуска ракеты-носителя нужно крайне осторожно, и в открытой информации можно увидеть 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:
    • Позже, в 2002, увеличилась до $35-40 млн[3];
    • С космодрома Куру — от 40 до 60 млн за старт (с экваториального космодрома масса полезной нагрузки может быть увеличена до 3 тонн на геостационарную орбиту и до 10 тонн на низкую орбиту)[4][5].
«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) 2 830(НОО)
13 000(ГПО)
65
80 (с блоком Бриз-М)
23 (НОО)
6,15 (ГПО)
Цена запусков изменяется с годами, в последнее время, она постоянно растёт. Данные стоимости запусков на ГСО:
  • В 1999 году запуск одного Протона-К с блоком ДМ составляла $70-90 млн[7];
    • В 2004 году, ввиду возросшей мировой конкуренции, стоимость запуска «была уменьшена почти до себестоимости» — $25 млн[8];
    • В 2005 году стоимость составляла 800 млн руб. за «Протон-К» и 900 млн за «Протон-М» руб. ($36-40 млн)[9];
    • В конце 2008 года — $100 млн на ГПО с использованием «Протон-М» с блоком «Бриз-М»[10].
    • C началом мирового экономического кризиса в 2008 году, обменный курс рубля к доллару снизился на 33 %, что привело к снижению стоимости запуска до примерно $80 млн[10];
    • В настоящее время (2010 год) стоимость пуска около $70 — $100 млн в зависимости от конфигурации[11];
    • 1,5 млрд руб. или около $46 млн (2013 год, стоимость ракеты без РБ Бриз-М для государственных заказчиков без учета транспортировки на космодром и услуг по запуску)
    • Общая стоимость «Протон-М» с блоком «Бриз-М» для федеральных заказчиков в 2012 году составляла порядка 2,4 млрд рублей (около $80 млн). Эта цена складывается из самой РН «Протон» (1,348 млрд), РБ «Бриз-М» (420 млн), доставки компонентов на Байконур (20 млн) и комплекса услуг по запуску (570 млн)[12] 2,84 млрд рублей в ценах 2013 года.[13]
«Атлас-5» (одноразовая ракета-носитель) 187 9.75 — 29.42 (НОО)
4.95 т- 13 т на ГПО[14]
(только беспилотные спутники), максимальный вес доставки на НОО — 30 тонн, 13 тонн на ГПО. Стоимость пуска — около $187 млн[15].
«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.
Ариан-5 ECA 13 330-15 000
(на ГПО)
140-150 10,5 (ГПО) Данная версия ракеты не используется для вывода спутников на низкие орбиты. Стоимость запуска около 100 млн. евро. При выводе одного спутника на ГПО грузоподъемность ракеты 10,5 т, при выводе двух спутников их общая масса может составлять до 10 т.
Фалькон-9 v1.1 4 300(НОО)
11 650(ГПО)
56,5 13,2 (НОО)
4,85 (ГПО)
Одноразовая ракета-носитель, по которой ведутся работы по превращению ее в частично (а в перспективе - и полностью) многоразовый носитель
Фалькон Хэви 2 550(НОО)
6 370(ГПО)
135 53 (НОО)
21,2 (ГПО)
Первый запуск ракеты намечен на 2014 год. Стоимость вывода на ГПО спутника массой до 6,4 т. установлена на уровне 77,1 млн USD, таким образом стоимость вывода 1 кг полезной нагрузки в этом случае составит 12 060 долларов

Разрабатываемые средства следующего поколения (планируемые цифры по курсу рубля и доллара 90-х годов, без учета многомиллиардных расходов на разработку и испытания):

В настоящее время даже завышенные цифры стоимости запуска одноразовых ракет-носителей (эти завышенные цифры появились, видимо, в ходе переговоров по подготовке экваториальных стартов РН «Союз» с космодрома Куру) не уступают по экономической эффективности списанным многоразовым системам. Если использовать средние цифры (в том числе из приведенных выше), то одноразовые системы экономически эффективнее как минимум вдвое, что означает, что многоразовые системы, использовавшиеся ранее, не дешевле, но могут решать две важные задачи: свод с орбиты значительной массы и выполнение военно-стратегических целей. Обе эти цели в настоящий момент мало востребованы.

Однако следует учитывать, что основная стоимость вывода полезной нагрузки на орбиту заключается в стоимости создания и подготовки к запуску одноразового ракетоносителя. К примеру, по фактору топлива стоимость вывода на низкую околоземную орбиту для современных носителей составляет порядка 20-50$/кг.

Роскосмос отказался от приобретения украинских ракет "Зенит", т.к. за ракеты была предложена давно сформированная цена, заранее заложенная в бюджет, - около 1,2 млрд руб. за ракету. Однако украинских партнеров предложение не устроило, они попросили больше - порядка 1,4 млрд руб. При таких условиях сделка теряла смысл, поскольку за 1,5 млрд руб. Роскосмос может заказать изготовление "Протона" - носителя большей грузоподъемности. http://top.rbc.ru/economics/11/12/2013/894046.shtml

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Boeing 702HP fleet. Boeing. Проверено 19 декабря 2010. Архивировано из первоисточника 21 июня 2012.
  2. Американцам придется уйти с МКС. «Комсомольская правда», 21 Сентября 2008. Проверено 20 декабря 2010. Архивировано из первоисточника 8 июля 2012.
  3. Российско-французский проект компании «Старсем» по осуществлению запусков РН «Союз» с космодрома Куру во Французской Гвиане. Center for Arms Control, Energy and Environmental Studies. Проверено 19 декабря 2010. Архивировано из первоисточника 8 июля 2012.
  4. Анализ. Прогноз. Комментарии. ИАЦ "Спейс-Информ". Проверено 19 декабря 2010. Архивировано из первоисточника 8 июля 2012.
  5. Новости@Mail.Ru: Российские ракеты отправились в тропики
  6. Amos-2. Теле-Спутник Февраль 2004. Проверено 19 декабря 2010. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  7. Ракеты-носители"Протон". Проект "Тихий космос". Проверено 20 декабря 2010. Архивировано из первоисточника 8 июля 2012.
  8. Европа 'запустит ракетой' в Россию и США, russie.ru, 25.05.2004
  9. Российские военные отдали последний "Протон". Газета «Коммерсантъ» № 67/П (3398) от 17.04.2006. Проверено 20 декабря 2010. Архивировано из первоисточника 8 июля 2012.
  10. 1 2 Viasat drops Ariane-5 for Lower-Cost Proton Launch,. Space News, 16.03.2009. Проверено 11 мая 2010. Архивировано из первоисточника 25 августа 2011.
  11. Потеря спутников ГЛОНАСС обойдется России в десятки миллиардов рублей. Комсомольская правда. Проверено 20 декабря 2010. Архивировано из первоисточника 8 июля 2012.
  12. Европа зовет Россию на Марс. деловая газета «Известия» , 16 октября 2011. Проверено 18 октября 2011. Архивировано из первоисточника 24 января 2012.
  13. МВД завело уголовное дело по факту саботажа в Центре Хруничева - Известия
  14. United Launch Alliance. Технические данные РН Атлас V. (PDF)(недоступная ссылка — история). Архивировано из первоисточника 26 февраля 2009. (en)
  15. Space News. U.S. Air Force To Request $1.8 Billion for EELV Program as Costs Skyrocket. Архивировано из первоисточника 8 июля 2012. (en)

См. также[править | править вики-текст]