Расчет характеристик орбитальной станции

С.Е. Пугаченко

Расчет характеристик 
орбитальной станции

Методические рекомендации

Московский государственный технический университет 

имени Н.Э. Баумана

УДК 629.786.2
ББК 39.66
          П88

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/75/book1613.html

Факультет «Специальное машиностроение»
Кафедра «Космические аппараты и ракеты-носители»

Рекомендовано 
Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия

Рецензент 
Л.Д. Покровский

Пугаченко, С. Е.
Расчет характеристик орбитальной станции : методические 
рекомендации / С. Е. Пугаченко. — Москва : Издательство 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. — 125, [3] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-4627-8

Издание посвящено проектированию орбитальных станций. Однако содержащиеся в нем материалы могут быть применены при проектировании космических аппаратов других типов. Алгоритм проектного расчета характеристик орбитальной станции изложен исходя из 
ее назначения и заданных характеристик целевой нагрузки. Основное 
внимание уделено бортовым системам и взаимозависимости их характеристик. Приведены числовые статистические данные о параметрах 
станции, необходимые для проведения расчетов.
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Ракетные комплексы и космонавтика» и изучающих дисциплины «Основы 
устройства космических аппаратов», «Проектирование космических 
аппаратов» и «Конструирование космических аппаратов».

УДК 629.786.2
ББК 39.66

 
 
© МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017

 
                                                                                   © Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4627-8 
 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017

П88

Предисловие

Методические рекомендации разработаны на основе учебного 
курса «Проектирование орбитальных станций», который читается в 
МГТУ им. Н.Э. Баумана с 1999 г. студентам старших курсов, готовящимся стать инженерами — проектировщиками космических аппаратов. Методические рекомендации были апробированы при выполнении студентами домашних заданий, научно-исследовательских работ, 
курсовых и дипломных проектов и затрагивают многие аспекты проектирования космических аппаратов. Перед ознакомлением с предлагаемыми в издании рекомендациями следует освоить материал, изложенный в учебном пособии [1].
Цель изучения методических рекомендаций состоит в следующем:
• овладение методологией инженерного творчества, понимание 
особенностей инженерно-технического подхода к решению профессиональных проблем; развитие способности воспринимать математические, 
естественнонаучные, социально-экономические и профессиональные 
знания, умение самостоятельно приобретать, развивать и применять их 
для решения нестандартных, в том числе междисциплинарных, задач;
• освоение математического моделирования разрабатываемого изделия и его подсистем с использованием системного подхода и современных программных продуктов для анализа вариантов возможных 
принципиальных решений, касающихся структуры, функционирования, конструкции, стоимости космического аппарата, а также прогнозирования функционирования изделия в целом и его подсистем с 
учетом возможных отказов;
• приобретение навыков, исходя из технического задания и с применением системного подхода: выбора параметров орбиты космического аппарата, определения состава бортовых систем, проведения 
анализа масс и объемов космических аппаратов; выбора и обоснования типа двигательной установки, систем энергоснабжения и обеспечения тепловых режимов; разработки общей компоновочной схемы 
космического аппарата; проведения технико-экономического анализа 
принимаемых проектных решений.

Задачами настоящих методических рекомендаций являются:
• приобретение практических навыков проектирования орбитальных станций как одного из наиболее сложных типов космических аппаратов;
• овладение методами расчета основных проектных характеристик: массы, объема, энергопотребления и рабочего времени экипажа 
орбитальной станции;
• ознакомление с общими принципами инженерного сопровождения полета орбитальной станции и методами обеспечения ее надежности и безопасности;
• развитие способности к анализу большого объема статистических данных и использования их в расчетах характеристик сложных 
технических систем.
В главе 1 дано описание постановки задачи: возможные варианты 
стратегии использования орбитальной станции, перечень исходных 
характеристик целевой нагрузки и некоторых других характеристик. 
Здесь приведены возможные диапазоны значений характеристик, полученные в результате анализа существовавших до настоящего времени орбитальных станций. В этой же главе задан состав результатов 
проектирования орбитальной станции, на основании которых определяются ее технико-экономические показатели.
В главе 2 представлена последовательность выполнения задания. 
Она позволяет интегрировать результаты частных расчетов для получения характеристик орбитальной станции. Отмечено, что для получения достаточно точных результатов необходимо выполнить несколько 
итераций расчета.
В главе 3 приведена методика баллистического анализа.
В главе 4 изложен расчет требуемого рабочего времени экипажа и 
численности экипажа станции.
В главе 5 последовательно приведены методики упрощенных расчетов масс и некоторых других характеристик бортовых систем орбитальной станции.
В главе 6 представлен расчет массы орбитальной станции, включая 
массы конструкции, элементов крепления бортового оборудования и 
бортовой кабельной сети.
В главе 7 определен грузопоток орбитальной станции — неотъемлемая часть ее проекта. Грузопоток обеспечивает выполнение программы целевого использования станции, а также восполнение расходуемых запасов топлива двигательной установки, запасов, необходимых 
для поддержания жизнедеятельности экипажа, и доставку запасных 

частей для проведения технического обслуживания и ремонта бортового оборудования.
В главе 8 рассчитаны объемы герметичных отсеков станции, при 
которых обеспечиваются комфортное пребывание экипажа и размещение бортового оборудования.
В главе 9 проведен расчет основных масс элементов транспортной 
космической системы, на основе которого составляется примерный 
план запусков средств выведения (глава 12).
В главе 10 рассчитано число запусков средств выведения для развертывания орбитальной станции, определены число и тип ее модулей. На основе этих данных, а также результатов расчетов характеристик бортовых систем разработана обобщенная компоновочная схема 
станции (глава 11).
В главе 13, завершающей, содержится упрощенная методика технико-экономической оценки программы орбитальной станции.
Рекомендуемые числовые значения величин или диапазоны их 
возможных значений, полученные в результате анализа орбитальной 
станции «Мир» и Международной космической станции (МКС), приведены в приложении.
Методические рекомендации могут быть использованы при выполнении домашнего задания, научно-исследовательской работы студента, курсового и дипломного проекта.

Введение

Орбитальная станция1 является сложной технической системой. 
Значительная часть затрачиваемых на ее создание ресурсов приходится на этап орбитальной эксплуатации. Понимание взаимозависимости 
характеристик и последовательности проектирования орбитальной 
станции как одного из самых сложных типов космических аппаратов 
дает возможность успешно решать задачи проектирования не только 
изделий ракетно-космической техники, но и других обслуживаемых 
технических изделий.
Приведенные в настоящем учебном издании общие принципы 
расчета характеристик орбитальной станции относятся к конкретным 
техническим решениям бортовых систем и модулей станции. Например, система энергоснабжения базируется на фотоэлектрических преобразователях, в двигательной установке используются жидкостные 
ракетные двигатели, а конструкцией модуля предусмотрена доставка 
его к станции с помощью одноразового отделяемого блока буксировки. 
В случае других технических решений приведенные формулы и числовые значения могут быть изменены и дополнены. 
Формат настоящего издания не позволяет остановиться на анализе различных типов бортовых систем (двигательной установки, 
системы энергоснабжения, системы обеспечения тепловых режимов 
и др.). Однако желающие могут найти сведения для такого анализа в 
источниках, приведенных в списке рекомендуемой литературы. Интересующиеся последними исследованиями и разработками в области 
ракетно-космической техники, а также ходом реализации проектов в 
этой области, осуществляемых в настоящее время, могут обратиться к 
сайтам, приведенным в том же списке.
Необходимо отметить, что на начальной стадии расчетов используются предварительные числовые значения величин, определяемые на 
более поздних стадиях расчета. Например, предварительные значения 
массы станции и модуля орбитальной станции используются в главе 3 для 

1 Здесь и далее в тексте выделены термины, объяснение которых дается в 
списке основных терминов, приведенном в конце пособия.

определения массы топлива двигательной установки. В главах 6 и 10 
эти же значения рассчитаны исходя из масс бортовых систем станции, 
выбранной грузоподъемности ракеты-носителя для выведения модулей 
на орбиту. Более точные результаты расчета могут быть получены подстановкой этих значений в начальные формулы и повторением расчета. Таким образом, процесс расчета характеристик орбитальной станции является циклическим и итерационным.
Использование настоящих методических рекомендаций позволит 
в рамках цикла расчета характеристик орбитальной станции объединить результаты проектирования отдельных бортовых систем. При 
этом обеспечивается комплексный характер проектного анализа: тепловой анализ и проектирование СОТР соседствуют с анализом энергобаланса и проектированием СЭС, элементами баллистического анализа, расчетом пневмогидравлической системы ДУ и другими видами 
анализа. 
Изложенный метод параллельного междисциплинарного проектирования отвечает современной тенденции применения вычислительных средств для ускорения и повышения качества проектирования космических аппаратов. Этот метод может использоваться при 
проектировании сложных технических систем в области авиационной 
техники, судостроения, энергетики и других областях. Он может найти 
применение при проектировании систем, для которых значительная 
часть затрат приходится на этап эксплуатации. К таким системам относятся, например, удаленные элементы наземной инфраструктуры, 
используемые для освоения приполярных областей Земли.
Настоящие методические рекомендации в большей или меньшей 
степени охватывают все этапы жизненного цикла орбитальной станции. Вопросы конструкции, учета особенностей производства, испытаний, подготовки на космодроме и некоторые другие, не нашедшие 
отражения в настоящем издании, предполагается изложить в последующих учебных изданиях.

Список сокращений

АБ 
— аккумуляторная батарея

БВС 
— бортовая вычислительная система

БКС 
— бортовая кабельная сеть

БКУ 
— бортовой комплекс управления

БРТК 
— бортовой радиотехнический комплекс

ВГК 
— внутренний гидравлический контур

ДБТ 
— двигатель большой тяги

ДМТ 
— двигатель малой тяги

ДУ 
— двигательная установка

ЖРД 
— жидкостный ракетный двигатель

КПД 
— коэффициент полезного действия

МКС 
— Международная космическая станция

МРС 
— механизированные и роботизированные средства

НГК 
— наружный гидравлический контур

НШС 
— нештатная ситуация

ПГ 
— полезный груз

РН 
— ракета-носитель

РТО 
— радиационный теплообменник

СБ 
— солнечная батарея

СБИ 
— система бортовых измерений

СМС 
— система механической стыковки

СОВ 
— средства обеспечения выхода

СОГС 
— система обеспечения газового состава

СОЖ 
— система обеспечения жизнедеятельности

СОТР 
— система обеспечения тепловых режимов

СОСБ 
— система ориентации солнечных батарей

СПОПТ 
— система пожарообнаружения и пожаротушения

СРВК 
— средства регенерации воды из конденсата

СРВУ 
— средства регенерации воды из урины

СРД 
— средства регулирования давления

ССГО 
— средства санитарно-гигиенического обеспечения

СтА 
— стыковочный агрегат

СУБК 
— система управления бортовым комплексом

СУД 
– система управления движением

СЭС 
— система энергоснабжения

ТГК 
— транспортный грузовой корабль

ТИК 
— твердый источник кислорода

ТКМ 
— транспортный корабль модульный

ТКС 
— транспортная космическая система

ТПК 
— транспортный пилотируемый корабль

ЦН 
— целевая нагрузка

ЭВТИ 
— экранно-вакуумная теплоизоляция

1. Постановка учебного задания

1.1. Технические требования к стратегии использования 
орбитальной станции

Общие вопросы проектирования орбитальных станций изложены 
в учебном пособии [1]. Возможны следующие направления использования орбитальной станции:
• выполнение целевой программы научных, научно-прикладных и 
технологических исследований;
• предоставление перевалочной базы и безопасного убежища для 
экипажа на пути его следования по трассе назначения;
• предоставление гостиничных услуг для космических туристов.
В технических требованиях к стратегии использования орбитальной станции для конкретной учебной задачи указывается небесное 
тело, в окрестностях которого станция должна функционировать.  

Рис. 1.1. Пилотируемые станции на околоземной орбите: 

а — станция «Мир»; б — МКС в одной из начальных конфигураций