НАДЕЖНОСТЬ - ОСНОВА ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ БУДУЩЕГООптимизация стратегий развертывания и восполнения многоспутниковых космических систем по критериям надежности и стоимости
В конце 1970-х гг. в нашей стране и в США было начато решение задачи по разработке и развертыванию глобальных навигационных систем ГЛОНАСС и Navstar. B составе которых должны были функционировать 24 полноразмерных КА (21 основной + 3 резервных). Существенное увеличение числа КА в системе значительно усложнило решение задачи развертывания в установленные сроки.
В 1990-е гг. стали весьма актуальны вопросы разработки и создания многоспутниковых систем на базе малых КА (программа "Гонец", Iridium, GlobalStar, Teledesic и т.д.), в составе которых планируется функционирование от 45 КА ("Гонец") до 288 (первоначально 840) КА (Teledesic).
Развертывание подобных систем в течение одного-двух лет представляет собой весьма сложную проблему.
В настоящее время разработан методический подход к обоснованию оптимальных стратегий создания и восполнения многоспутниковых космических систем на базе полноразмерных и малых космических аппаратов по критериям стоимости и надежности.
Анализ и оценка основных показателей периода развертывания КНС Navstar и ГЛОНАСС позволяют отметить следующее:
существенные преимущества групповой схемы выведения проявились по трем критериям - время развертывания КНС, стоимость и надежность развертывания КНС (рис. 1...4). Время развертывания КНС Navstar вдвое превысило время развертывания КНС ГЛОНАСС (5 лет и 2,5 года), стоимость развертывания КНС Navstar (учтена только стоимость пуска) составила 960 млн дол.,стоимость развертывания КНС ГЛОНАСС составила 480 млн дол.;
|
|
|
Надежность развертывания КНС Navstar и ГЛОНАСС
|
|
|
|
Динамика развертывания КНС Navstar и ГЛОНАСС
|
|
|
|
Стоимость развертывания КНС Navstar и ГЛОНАСС
|
|
|
|
Диаграмма развертывания и восполнения КНС Navstar на период 1989-2012 гг.
|
уровень высокой надежности РН "Протон" и РН Delta-2 обусловил полную безотказность проведения развертывания КНС,однако расчетный уровень надежности развертывания КНС Navstar составляет 0,71, КНС ГЛОНАСС - 0,78.
Подтверждением различного уровня надежности развертывания является авария РН Delta-2 при восполнении КНС Navstar в 1997 г. (первый запуск новой модели КA Block-2R произведен 17 января 1997 г.).
Существенное уменьшение стоимости развертывания КНС ГЛОНАСС по сравнению с КНС Navstar достигнуто за счет использования РН, имеющей наилучший удельный показатель стоимости:
где СРН - стоимость РН; nКА - число КА, выводимых РН на орбиту; РРН - надежность РН.
Для РН "Протон-К" Суд = 20,62 млн. дол. на 1 КА, для РН Delta-2 Суд = 40,57 млн. дол. на 1 КА.
Максимальное число КА,вводимых ежегодно в систему, составило для КНС Navstar - 6; для КНС ГЛОНАСС - 9.
Кроме резервных КА, выведенных на орбиту в период развертывания КНС Navstar, предусмотрен наземный резерв в составе четырех КА, который используется для восполнения в течение Тэ = 1 лет (период эксплуатации Тэ = 7 лет определяется расчетным сроком долговечности КА Block-2A). Учитывая значительное число плоскостей КНС (6 для КНС Navstar, 3 - для КНС ГЛОНАСС), можно рекомендовать единственный способ восполнения - одиночную схему выведения КА на орбиту.
На основе изложенного выше можно сделать следующие выводы.
- При развертывании многоспутниковых КС использование
групповой схемы выведения КА позволяет получить значительный
выигрыш по критериям стоимости, надежности и времени развертывания.
- Для развертывания и при восполнении многоспутниковых КС
необходимо использовать ракеты-носители, имеющие наименьшее
значение показателя Суд и высокий уровень надежности. В табл.
представлены требуемые уровни надежности РН для различных вариантов выполнения задачи.
Требования к надежности РН, используемых для развертывания многоспутниковых систем
- При развертывании многоспутниковых КС с использованием
одиночной схемы выведения КА время развертывания весьма значительно и сравнимо со средним временем функционирования КА
на орбите. Это приводит к тому, что процесс восполнения КС становится непрерывным; период развертывания очередной модели
КА, используемой в КС, сменяется периодом развертывания очередной модели КА. Этот вывод подтверждается практикой восполнения КС Navstar, для которой проведено планирование восполнения КС на период до 2012 г. (последовательно выводятся на орбиту модели Block-2A, Block-2R, Block-2F.
|
|
|
Диаграмма развертывания и восполнения КНС Navstar на период 1989-2012 гг.
|
- Восполнение КС при наличии отказов КА на орбите проводится с использованием наземного резерва КА на основе одиночной схемы выведения. При этом также используются РН, имеющие наименьшее значение показателя Суд при ПКА = 1.
Качественный анализ планов развертывания КС Iridium и GlobalStar (до потери 12 КА 9 января 1998 г. при аварийном пуске РН "Зенит-2") позволяет установить следующее:
при развертывании КС Iridium использовалась недостаточно надежная китайская РН CZ-2C и не в полной мере использовались возможности РН "Протон" (по числу пусков), что не позволило получить оптимальные характеристики плана развертывания КС;
при развертывании КС GlobalStar используется недостаточно надежная РН "Зенит-2", не в полной мере используются возможности РН "Союз", совершенно не используется РН "Протон", что также не позволяет получить оптимальные характеристики плана развертывания КС.
После аварии РН "Зенит-2" с 12 КА развертывание системы Global-Star было осуществлено с использованием 7 пусков РН "Delta-2" (вначале планировалось 2 пуска) и 6 пусков РН "Союз" (вначале планировалось 3 пуска).
|
