Основы компоновки бортового оборудования космических аппаратов

Оглавление 
1

А.В. Туманов, В.В. Зеленцов, Г.А. Щеглов 

Основы компоновки  
бортового оборудования  
космических аппаратов 

 
Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов 
Российской Федерации по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 24.05.01 «Проектирование, производство 
и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов» 
 

 
 
 
 

 
 

3-е издание, исправленное 

 

 

Оглавление 
2 

УДК 629.78.05 
ББК  39.66 
         Т83 
 
Рецензенты: 

заместитель Генерального конструктора 
АО «Военно-промышленная корпорация» 
«Научно-производственное объединение машиностроения», 
канд. техн. наук А.И. Бурганский; 
д-р техн. наук, проф. кафедры «Космические системы и ракетостроение» 
Московского авиационного института 
(национального исследовательского университета) 
А.А. Золотов 

УДК 629.78.05 
ББК 39.66 
  
       
 
 
 
 
ISBN 978-5-7038-4811-1 

© Туманов А.В., Зеленцов В.В., 
Щеглов Г.А., 2010 
© Туманов А.В., Зеленцов В.В., 
Щеглов Г.А., 2018, с изменениями 
© Оформление. Издательство 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018 

 
Туманов, А. В. 
Т83           Основы компоновки бортового оборудования космических 
аппаратов : учебное пособие / А. В. Туманов, В. В. Зеленцов, 
Г. А. Щеглов. — 3-е изд., испр. — Москва : Издательство МГТУ 
им. Н. Э. Баумана, 2018. — 572, [4] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-4811-1 
Рассмотрены этапы проектирования космического аппарата и основные документы, необходимые для выполнения его компоновки. Изложены 
требования, предъявляемые к компоновке целевого оборудования, а также 
к аппаратуре системы управления движением и другим системам бортового оборудования. Даны критерии оценки качества выполненной компоновки и обширный иллюстративный материал по обеспечивающим системам бортового оборудования. Описаны элементы бортового оборудования 
и приведены нормативные документы, регламентирующие его компоновку. 
Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, которые 
авторы читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Для студентов, обучающихся по специальности «Космические летательные аппараты и разгонные блоки». 

Оглавление 
3

 

 
Оглавление 

Предисловие ко второму изданию  ............................................................  
8 
Предисловие  ...............................................................................................  
9 
Введение  .....................................................................................................  11 
Принятые сокращения  ...............................................................................  14 
 
1. Общие положения о компоновке космического аппарата  ...........  17 
1.1. Документы, регламентирующие космическую деятельность  ......  17 
1.2. Документы, регламентирующие правовые аспекты использования космического пространства ..................................................  21 
1.3. Материалы, необходимые для выполнения компоновки КА  ...  23 
1.3.1. Техническое задание  ..........................................................  23 
1.3.2. База данных компоновок существующих прототипов КА  ...  24 
1.3.3. Единые нормы внешних воздействующих факторов  ......  39 
1.3.4. Расчетно-теоретические исходные данные  ......................  46 
1.3.5. Общая схема оборудования КА с комплектом 
габаритных чертежей на приборы бортового оборудования 
и кабельные трассы  ......................................................................  47 
1.3.6. Циклограмма режимов полета КА и взаимодействия 
бортового оборудования  ..............................................................  52 
1.3.7. Кривая энергопотребления  ................................................  54 
1.3.8. Таблицы точности установки отдельных приборов оборудования и привязка их к базовым элементам КА  .....................  55 
1.4. Этапы проектирования и разработки компоновки космического аппарата  .....................................................................................  55 
1.4.1. Научно-исследовательские работы  ...................................  56 
1.4.2. Опытно-конструкторские работы  .....................................  56 
1.4.3. Техническое предложение  .................................................  57 
1.4.4. Эскизный проект  ................................................................  61 
1.4.5. Технический проект  ...........................................................  65 
1.4.6. Разработка проектной технической документации  .........  65 
1.4.7. Экспериментальная отработка бортового оборудования КА  ...........................................................................................  65 
1.5. Виды компоновки  .........................................................................  68 

Оглавление 
4 

1.5.1. Геометрическая компоновка  .............................................  69 
1.5.2. Инерционно-массовая компоновка  ...................................  70 
1.5.3. Функциональная компоновка  ............................................  81 
1.5.4. Конструктивно-силовая компоновка  ................................  81 
1.5.5. Аэродинамическая компоновка  ........................................  82 
 
2. Критерии оценки качества компоновки космического  
аппарата  .....................................................................................................  87 
2.1. Методы оценки качества компоновки  ........................................  87 
2.2. Главные критерии качества компоновки  ...................................  89 
2.2.1. Обеспечение максимальной эффективности целевого 
оборудования  ................................................................................  90 
2.2.2. Минимальная масса элементов конструкции  
и бортового оборудования  ...........................................................  92 
2.2.3. Минимальный расход энергии рабочего тела  
и электроэнергии  ..........................................................................  97 
2.2.4. Требуемая надежность элементов конструкции  
и бортового оборудования  ...........................................................  101 
2.2.5. Унификация элементов конструкции и бортового оборудования  ......................................................................................  114 
2.3. Проектные критерии качества компоновки  ...............................  119 
2.3.1. Анализ возможных нерасчетных взаимодействий бортового оборудования  ....................................................................  119 
2.3.2. Исходная плотность компоновки  ......................................  128 
 
3. Определение облика отсеков космического аппарата  ..................  130 
3.1. Выбор внешнего вида космического аппарата  ..........................  130 
3.1.1. Общие сведения  ..................................................................  130 
3.1.2. Выбор конструктивно-силовой схемы  .............................  131 
3.2. Конструкции отсеков  ...................................................................  135 
3.2.1. Классификация конструкций отсеков  ...............................  135 
3.2.2. Силовые элементы, используемые при разработке 
конструктивно-силовой схемы отсека  ........................................  136 
3.2.3. Форма отсеков  ....................................................................  139 
3.3. Компоновка герметичных отсеков  .............................................  140 
3.3.1. Компоновка приборных отсеков  .......................................  140 
3.3.2. Особенности компоновки отсека малого удлинения  ....  140 
3.3.3. Особенности компоновки отсека большого удлинения  .....  142 
3.3.4. Компоновка приборов в деформируемых отсеках  ..........  144 
3.4. Компоновка негерметичных отсеков  ..........................................  148 
3.4.1. Общие сведения  ..................................................................  148 
3.4.2. Ферменный отсек  ................................................................  152 
3.4.3. Компоновка негерметичных отсеков наноспутников  .....  158 

Оглавление 
5

3.5. Раскрывающиеся конструкции космических аппаратов ...........  163 
3.5.1. Конструктивные элементы, раскрывающихся 
конструкций  .........................................................................................  163 
3.5.2. Механизмы раскрытия шарниров  .....................................  164 
3.5.3. Механизм раскрытия штанги с магнитометром  ..............  180 
3.5.4. Развертываемая стержневая система  ................................  182 
3.5.5. Разворачиваемая телескопическая балка ..........................  182 
3.5.6. Механизм развертывания ленты  .......................................  186 
3.6. Блочно-секционная компоновка  .................................................  186 
 
4. Компоновка целевого оборудования  ................................................  191 
4.1. Назначение целевого оборудования  ...........................................  191 
4.1.1. Мониторинг поверхности суши  ........................................  191 
4.1.2. Мониторинг водной поверхности и ее взаимодействия  
с атмосферой  .................................................................................  192 
4.1.3. Мониторинг атмосферы Земли  .........................................  192 
4.1.4. Спутниковая связь  ..............................................................  193 
4.1.5. Навигационные космические аппараты  ...........................  195 
4.1.6. Построение системы обзора  ..............................................  196 
4.1.7. Получение новых материалов  ...........................................  198 
4.2. Особенности целевого оборудования, влияющие на компоновку  ............................................................................................  199 
4.2.1. Аппаратура для фотонаблюдений  .....................................  199 
4.2.2. Телевизионное сканирующее оборудование  ...................  212 
4.2.3. Инфракрасная аппаратура наблюдения  ............................  213 
4.2.4. Особенности компоновки микроволнового радиометра  ....  217 
4.2.5. Радиовысотомеры  ...............................................................  226 
4.2.6. Радиолокационные системы наблюдения  ........................  228 
4.2.7. Системы спутниковой связи  ..............................................  230 
4.2.8. Навигация  ............................................................................  239 
4.2.9. Научно-технологическое оборудование  ...........................  246 
4.2.10. Компоновка бортового оборудования для внеатмосферной астрономии .....................................................................  252 
4.2.11. Запись и хранение на борту КА полученной информации  .............................................................................................  291 
4.3. Требования к компоновке целевого оборудования  ...................  293 
 
5. Компоновка систем управления движением космического  
аппарата  ............................................................................................................  296 
5.1. Общие сведения об управлении движением космического 
аппарата  ................................................................................................  296 
5.1.1. Классификация СУД  ..........................................................  296 
5.1.2. Активные СУД и требования, предъявляемые к ним  ......  299 

Оглавление 
6 

5.1.3. Задачи, выполняемые БЦВК, состав и компоновка  ........  302 
5.1.4. Пассивные системы ориентации и стабилизации  .............  303   
 
5.2. Компоновка бортового оборудования системы управления 
движением  ............................................................................................  307 
5.2.1. Особенности компоновки гироскопических приборов  ...  307 
5.2.2. Особенности компоновки ИКВ  .........................................  308 
5.2.3. Компоновка электромеханических исполнительных 
органов  ...........................................................................................  309 
5.3. Компоновка двигателей системы управления движением  .......  320 
5.3.1. Классификация двигателей КА  .........................................  320 
5.3.2. Структура системы исполнительных органов, работающих на жидком топливе  ............................................................  321 
5.3.3. Требования, предъявляемые к компоновке двигателей  ......  322 
5.3.4. Варианты размещения двигателей  ....................................  322 
5.3.5. Крепление двигателей  ........................................................  325 
5.3.6. Электрореактивные и ядерные двигатели КА  .................  333 
5.3.7. Компоновка топливных баков  ...........................................  341 
5.3.8. Варианты взаимного размещения баков ...........................  349 
5.4. Особенности компоновки системы управления движением 
малых космических аппаратов  ...........................................................  350 
 
6. Компоновка радиотехнического комплекса управления космического аппарата  .................................................................................  357 
6.1. Структура и основные особенности систем радиоуправления ........  357 
6.2. Системы радиотехнической связи  ..............................................  359 
6.3. Управление сближением и стыковкой  .......................................  361 
6.4. Радиотелеметрические системы ..................................................  364 
6.5. Бортовые антенно-фидерные устройства  ...................................  367 
6.6. Одноэлементные антенны  ...........................................................  372 
6.7. Многоэлементные антенны  .........................................................  377 
6.8. Конструкции и механизмы раскрывающихся антенн  ...............  380 
6.9. Требования к компоновке антенн  ...............................................  395 
 
7. Компоновка оборудования системы генерирования  
электроэнергии  .........................................................................................  398 
7.1. Общие сведения ............................................................................  398 
7.2. Электрохимические источники тока  ..........................................  402 
7.3. Физические источники электроэнергии  .....................................  414 
7.4. Солнечные батареи  ......................................................................  415 
7.5. Космические ядерные энергоустановки  .....................................  444 
7.6. Компоновка радиоизотопных генераторов  ................................  453 

Оглавление 
7

8. Компоновка системы терморегулирования  ....................................  455 
8.1. Цели и задачи системы обеспечения теплового режима  ..........  455 
8.2. Основные компоновочные элементы системы обеспечения 
теплового режима  ................................................................................  459 
8.3. Схема системы обеспечения теплового режима  .......................  471 
8.4. Требования к размещению элементов системы обеспечения 
теплового режима  ................................................................................  473 
 
9. Компоновка системы соединения и разделения элементов 
конструкции космического аппарата  ..................................................  479 
9.1. Общие сведения ............................................................................  479 
9.2. Пиромеханизмы  ............................................................................  481 
9.3. Толкатели, пирочеки и механизмы разрыва коммуникаций  ....  493 
9.4. Требования к компоновке пиромеханизмов  ..............................  501 
9.5. Адаптеры системы соединения и разделения космического 
аппарата и ракеты-носителя  ...............................................................  503 
 
10. Основы автоматизации компоновки космических аппаратов  .....  510 
10.1. Цели и задачи автоматизации компоновки космических 
аппаратов  ..............................................................................................  510 
10.1.1. Цели автоматизации  .........................................................  510 
10.1.2. Задачи автоматизации  ......................................................  511 
10.2. Система компьютерных технологий компоновки космических аппаратов  .....................................................................................  513 
10.2.1. Конструкторские САПР  ...................................................  516 
10.2.2. Инженерные САПР  ..........................................................  516 
10.2.3. Технологические САПР  ...................................................  517 
10.3. Принципы автоматизации компоновки космических аппаратов  .....................................................................................................  519 
10.3.1. Электронные геометрические модели  ............................  519 
10.3.2. Параметрическая компоновка КА  ...................................  525 
10.3.3. Способы построения ЭГМ  ...............................................  528 
10.3.4. Компоновка с использованием электронных макетов  ....  535 
10.3.5. Приемы автоматизации компоновки КА  ........................  537 
10.4. Основные этапы автоматизации компоновки космических 
аппаратов  ..............................................................................................  544 
10.4.1. Этапы компоновки  ...........................................................  544 
10.4.2. Пример процесса автоматизации компоновки  ...............  545 
10.5. Пример автоматизации компоновки системы управления 
движением малого космического аппарата  ......................................  551 
 
Контрольные вопросы  ...............................................................................  560 
Литература  ..................................................................................................  564 

Предисловие 
8 

 
Предисловие ко второму изданию 

Опыт использования перового издания учебного пособия студентами при выполнении курсовых и дипломных проектов по дисциплине «Космические летательные аппараты и разгонные блоки»  
и по направлению «Ракетостроение и космонавтика» показал, что 
пособие нуждается в дополнении. Кроме того, за время, прошедшее после выхода первого издания, в результате анализа большого 
количества материалов, доступных в сети Интернет, статей в журналах «Полет», «Вестник НПО им. Лавочкина», «Космическая 
техника и технология», а также материалов международных конференций, во второе издание включены новые разделы, графические и справочные материалы. В частности, добавлены: перечень 
основных нормативных документов, регламентирующих разработку космических аппаратов; пример оформления комплекта документации на малый космический аппарат; компоновка спутников 
связи и навигации; основные элементы раскрывающихся конструкций; конструкция и способы раскрытия солнечных батарей и 
антенн; компоновка космических аппаратов для астрономических 
исследований; компоновка микро- и наноспутников; конструкции 
механизмов разделения и терморегулирования; компоновка электрореактивных двигателей и источников электроэнергии.  
Авторы выражают благодарность рецензентам: профессору 
МАИ А.А. Золотову и заместителю главного конструктора ОАО 
НПО «Машиностроение» А.И. Бурганскому за ценные указания, 
сделанные при рецензировании материала, подготовленного ко 
второму изданию. 
 

Предисловие 
9

 

 
Предисловие 

В учебном пособии рассмотрены методология формирования 
внешнего вида космического аппарата, а также собраны основные 
критерии и принципы, применяемые при компоновке его бортового оборудования, которые необходимо знать начинающему конструктору. Приведены основные характеристики всех видов бортового оборудования: целевого, обслуживающего и вспомогательного. Особое внимание уделено вопросам автоматизации компоновочных работ с помощью компьютерных систем твердотельного 
параметрического моделирования. 
Издание предназначено для студентов, обучающихся проектированию космических аппаратов и разгонных блоков. 
Учебное пособие соответствует программам учебных дисциплин специальности «Космические летательные аппараты и разгонные блоки» по направлению «Ракетостроение и космонавтика». 
Авторы выражают благодарность рецензентам А.И. Бурганскому и А.А. Золотову, а также студентке И.А. Халоян и аспиранту С.А. Короткому кафедры «Аэрокосмические системы» за помощь в создании книги. 
В гл. 1 изложены общие положения о компоновке космического аппарата, определен набор исходной технической документации, требуемой для выполнения компоновки. Описаны основные 
этапы компоновочных работ и виды компоновки. 
Критерии оценки качества компоновки космического аппарата, 
методики их оценки сформулированы в гл. 2. 
Вопросам выбора внешнего вида и формы отсеков космического аппарата, особенностям компоновки различных отсеков, а также блочно-модульной компоновке посвящена гл. 3. 
Правила компоновки целевого оборудования, требования к 
компоновке целевых систем и особенности целевого оборудования, оказывающие влияние на компоновку, рассмотрены в гл. 4. 

Предисловие 
10

В гл. 5 изложены особенности компоновки систем управления 
движением (СУД): компоновки измерительной аппаратуры СУД и 
системы исполнительных органов СУД. 
Вопросам компоновки обслуживающего бортового оборудования (радиотехнического комплекса управления космического аппарата, оборудования систем генерирования электроэнергии и 
терморегулирования, систем соединения и разделения элементов 
конструкции космического аппарата) посвящены гл. 6–9. 
В гл. 10 даны основы автоматизированной компоновки с использованием современных компьютерных технологий.