Массо-габаритный анализ конструкции спутника СтарЛинк
Нашел крайне интересную статью (заметку) с попыткой анализа, весовых характеристик спутника СтарЛинк и его отдельных компонетов .
Выводы Автора (Дамир) небесспорны - и я дам по ходу свои замечания, но в любом случае на сегодня это свмый качественный и интересный материал на эту тему - прошу всех кто "в теме" дать свои комменты и может уточнить поправить оценки
ДАМИР пишет:
Из руководства пользователя Falcon 9 мы можем оценить, что общая доступная высота для стопки из 60 спутников составляет 6,7 м. Поскольку на единицу высоты приходится два спутника, и между ними могут быть проставки, мы можем оценить, что высота спутника в сложенном состоянии составляет 20 см (или, что более вероятно, 8 дюймов, что составляет 20,32 см).
Внутренний диаметр, доступный для полезной нагрузки составляет 4,6 м, но по краям остается мало места. Предполагая, что расстояние между краем спутника и обтекателем составляет 5 см, мы можем рассчитать, что длинная сторона спутника составляет 3,2 м в длину, а короткая сторона - половину этого (1,6 м).
Итак, теперь у нас есть оценка размеров спутника Starlink 3,2x1,6x0,2 м.
Следующий вопрос - вес спутника. Доступная информация - 260 кг.
Следующая оценка связана с солнечными батареями. Всего имеется 12 сегментов, где длинная сторона каждого сегмента равна ширине спутника (3,2 м). Мы можем оценить размеры каждого сегмента 3,2 м x 0,8 м. Таким образом, общая площадь солнечной батареи составляет 12 x 3,2 x 0,8 = 30,72 м2. Из-за потерь между солнечными элементами и по краям округляем до 30м2. Использование 1250W / м2 общей солнечной освещенности и кпд 18% приводит к 6 кВт доступной электрической энергии. (Это сравнимо со спутниками GEO среднего размера!)
Вес солнечной панели для данного размера весьма значителен. Spectrolab, ведущий производитель солнечных панелей, заявляет о массе от 1,76 до 2,08 кг / м3. Поскольку SpaceX оптимизирует затраты, мы можем ожидать выхода из этого диапазона. При 2,5 кг / м2 получается 75 кг, или почти треть массы только для солнечных батарей.
Это означает, что каждый запуск Starlink добавляет к группировке 240 кВт солнечной энергии. Это БОЛЬШЕ солнечной энергии за один запуск, чем обладает вся МКС!
Далее идет двигатель малой тяги, который был определен как двигатель Холла, работающий на криптоне. Похоже, что у Starlink есть только один из этих двигателей, развернутый рядом с самым «толстым» элементом на спутнике. Вероятно, это сосуд высокого давления, в котором находится криптон. Он немного длиннее, чем 1/4 от общей ширины, поэтому предположим, что сосуд с криптоном имеет диаметр 20 см и длину 80 см. Я пока не буду учитывать толщину стенок резервуара, что дает внутренний объем резервуара 0,125 м3. Плотность криптона при комнатной температуре и давлении составляет 3,7493 кг / м3. Чтобы набрать 33 кг, нам нужно давление 70 бар. Теперь для таких давлений требуются толстые стенки, которые действительно могут съесть внутренний объем. Один такой калькулятор дает стальные стенки толщиной 7 мм, что сильно влияет на доступный объем. И такие сосуды тяжелые. Стандартная труба из углеродистой стали А-106-ГР. B для данного диаметра и давления будет иметь вес 31 кг (используя этот калькулятор). Что ж, есть много инженеров SpaceX, которые работают с высокими давлениями, поэтому я уверен, что можно было бы использовать что-то более оптимальное. Но 30 кг - это много, и это действительно вызывает вопрос, почему бы не перейти на йод в будущих итерациях.
(непонятно почему не принять , что там углепластиковые /композитные шаробаллоны)
Вес батарей. Starlink будет проводить примерно половину времени в тени Земли, примерно 96 минут / 2 равно 48 минутам. При деградации батареи мы должны принять батарею на 3 кВтч. Но поскольку он будет заряжаться / разряжаться 15 раз в день: аккумулятор Samsung 21700 (используется для Tesla Model 3) обеспечивает 75% емкости после 2000 циклов . Расчетный срок службы спутника Starlink - 5 лет. Таким образом, очевидно, что спутники не предназначены для обеспечения полной непрерывной мощности излучения через антенны. Можно предположить, что среднее потребление на «ночной стороне» составит всего 300 Вт и удвоит емкость аккумулятора до 6 кВтч. При использовании метрики 250 Вт / кг, что соответствует 24 кг батарей (9% сухой массы всего ИСЗ). Для этого потребуется всего один цикл зарядки аккумулятора в день, что близко к пятилетней проектной цели.
!!!! VSATMAN888 Ошибка - 300 Вт потребления - чудовищно мало.. Мощность передатчика для питания транспондеров на борту ИСЗ 100 ...150 Вт
см. пример Полезная нагрузка спутника "Ямал-401" состоит из:
- 16 активных транспондеров с шириной полосы по 72 МГц и 1 активного транспондера с шириной полосы 68 МГц C-диапазона с выходной мощностью линеаризованных передатчиков каждого транспондера в насыщении 110 Вт;
- 18 активных транспондеров Ku-диапазона с шириной полосы по 72 МГц в Северном луче с выходной мощностью линеаризованных передатчиков каждого транспондера в насыщении 150 Вт;
- 18 активных транспондеров Ku-диапазона с шириной полосы по 36 МГц в Российском луче с выходной мощностью линеаризованных передатчиков каждого транспондера в насыщении 150 Вт;
Труднее оценить ЭРД (двигатель на эффекте Холла). Его внутренний диаметр, кажется, немного превышает 82 мм, которые использовались в проекте Busek BHT-1500 , 1,5 кВт HET, который был протестирован как с ксеноном, так и с криптоном .
Если взять это устройство за основу, то оно имеет массу 6,8 кг, может потреблять до 2 кВт мощности с Isp=1915 и тягой 118 мН. Для криптона эти цифры ниже, КПД на 7% ниже, а тяга составляет около 50 мН / кВт мощности.
Предположим, что SpaceX разработала двигатель малой тяги с входной мощностью 2 кВт и тягой 100 мН. Это обеспечило бы ускорение 0,4 мм/с2 или 0,72 м/с deltaV на орбиту (при условии непрерывной 30-минутной тяги на солнечной стороне Земли. При запасе криптона в 33 килограмм суммарная deltaV будет 2400 м / с при Isp 1800, что более чем достаточно для весь жизненный цикл спутника Starlink. Горючего хватит на 70 дней непрерывной тяги. Таким образом, даже если цифры будут значительно ниже (эффективность, масса топлива), Starlink будет иметь настолько большую емкость deltaV, что сможет перейти с орбиты GTO на GEO .
Я бы для примера взял серийный летающий СПД-100 ОКБ Факел, и предположил бы, что Спейс Х смог дотянуться до его уровня .
СПД-100 вверху слева
VSATMAN888 то есть можно сказать, что оценки Дамира весьма точны, но с одной поправкой я уверен на 80% , что на борту СтарЛинка стоит минимум 2 ЭРД, но питаемые от одного блока питания .. (чтобы не вертеть постоянно спутник и второе, чтобы можно было в случае чего стабилизировать его за счет работы ЭРД
Важный элемент - многофункциональный Power Processing Unit (PPU) (устройство преобразования электричества). Он должен быть такого размера, чтобы принимать максимальную потребляемую мощность (6 кВт) и распределять ее при различных напряжениях на различные элементы на плате. При использовании в качестве базы для оценки ЭРД Busek HET ( BHT-600) у которого вес 1 кг для двигателя и 2 кг для PPU . Экстраполяция этого (300 Вт/кг) дает примерно 20 кг для PPU.
Итак, вот масса спутника СтарЛинк (из расчета спутник весит 260 кг ).
75 кг для солнечных панелей 30 м2, 6 кВт
33 кг топлива Krypton (завышено!!!!)
30 кг сосуда высокого давления
7 кг для ЭРД (занижено)
Энергопитание PPU 20 кг
Электробатареи - 24кг (занижено)
71 кг для всего остального (конструкция, Процессор управления, датчики, полезная нагрузка и т. Д.) - мало !!
что не упомянуто Дамиром
1) гиродины
Гиродин - механизм, вращающееся инерциальное устройство, применяемое для высокоточной стабилизации и ориентации, как правило, космических аппаратов (КА), обеспечивающее правильную ориентацию их в полёте и предотвращающее беспорядочное вращение. Гиродин - это двухстепенный управляющий силовой гироскоп, выступающий в роли гиростабилизатора; на КА он заменил более простые, но менее точные и удобные в использовании системы на базе двигателя-маховика. Чтобы гиродины были эффективны, они должны обладать большим моментом инерции, что предполагает значительную массу и размеры. На Международной космической станции (МКС) гиродины - это устройства с размерами более метра по осям измерений и массой около 300 кг. То есть минимум 5-7 кг для СтарЛинка она должна весить.
2) антенны их на спутнике 6. 2 антенны параболические Ка диапазона с электромеханическим приводом и 4 плоские антенны с фазированной решеткой Ку диапазона я нашел по ссылке оценку антенна для Ку диапазона размером 0,6 м весит 10 кг. у Старлинка антенна 80 на 80 см , то есть примерно такая же итого для простоты 6 антенн на 10 кг = 60 кг.
3) СОТР - система охлаждения и терморегуляции, она нужна как минимум для процессора блока управления , но возможно и для передатчиков Ка диапазона и аппаратуры его транспондеров
Приглашаю всех для высказывания идей, как мы можем уточнить /откорректировать указанные выше цифры..
Выводы Автора (Дамир) небесспорны - и я дам по ходу свои замечания, но в любом случае на сегодня это свмый качественный и интересный материал на эту тему - прошу всех кто "в теме" дать свои комменты и может уточнить поправить оценки
ДАМИР пишет:
Из руководства пользователя Falcon 9 мы можем оценить, что общая доступная высота для стопки из 60 спутников составляет 6,7 м. Поскольку на единицу высоты приходится два спутника, и между ними могут быть проставки, мы можем оценить, что высота спутника в сложенном состоянии составляет 20 см (или, что более вероятно, 8 дюймов, что составляет 20,32 см).
Внутренний диаметр, доступный для полезной нагрузки составляет 4,6 м, но по краям остается мало места. Предполагая, что расстояние между краем спутника и обтекателем составляет 5 см, мы можем рассчитать, что длинная сторона спутника составляет 3,2 м в длину, а короткая сторона - половину этого (1,6 м).
Итак, теперь у нас есть оценка размеров спутника Starlink 3,2x1,6x0,2 м.
Следующий вопрос - вес спутника. Доступная информация - 260 кг.
Следующая оценка связана с солнечными батареями. Всего имеется 12 сегментов, где длинная сторона каждого сегмента равна ширине спутника (3,2 м). Мы можем оценить размеры каждого сегмента 3,2 м x 0,8 м. Таким образом, общая площадь солнечной батареи составляет 12 x 3,2 x 0,8 = 30,72 м2. Из-за потерь между солнечными элементами и по краям округляем до 30м2. Использование 1250W / м2 общей солнечной освещенности и кпд 18% приводит к 6 кВт доступной электрической энергии. (Это сравнимо со спутниками GEO среднего размера!)
Вес солнечной панели для данного размера весьма значителен. Spectrolab, ведущий производитель солнечных панелей, заявляет о массе от 1,76 до 2,08 кг / м3. Поскольку SpaceX оптимизирует затраты, мы можем ожидать выхода из этого диапазона. При 2,5 кг / м2 получается 75 кг, или почти треть массы только для солнечных батарей.
Это означает, что каждый запуск Starlink добавляет к группировке 240 кВт солнечной энергии. Это БОЛЬШЕ солнечной энергии за один запуск, чем обладает вся МКС!
Далее идет двигатель малой тяги, который был определен как двигатель Холла, работающий на криптоне. Похоже, что у Starlink есть только один из этих двигателей, развернутый рядом с самым «толстым» элементом на спутнике. Вероятно, это сосуд высокого давления, в котором находится криптон. Он немного длиннее, чем 1/4 от общей ширины, поэтому предположим, что сосуд с криптоном имеет диаметр 20 см и длину 80 см. Я пока не буду учитывать толщину стенок резервуара, что дает внутренний объем резервуара 0,125 м3. Плотность криптона при комнатной температуре и давлении составляет 3,7493 кг / м3. Чтобы набрать 33 кг, нам нужно давление 70 бар. Теперь для таких давлений требуются толстые стенки, которые действительно могут съесть внутренний объем. Один такой калькулятор дает стальные стенки толщиной 7 мм, что сильно влияет на доступный объем. И такие сосуды тяжелые. Стандартная труба из углеродистой стали А-106-ГР. B для данного диаметра и давления будет иметь вес 31 кг (используя этот калькулятор). Что ж, есть много инженеров SpaceX, которые работают с высокими давлениями, поэтому я уверен, что можно было бы использовать что-то более оптимальное. Но 30 кг - это много, и это действительно вызывает вопрос, почему бы не перейти на йод в будущих итерациях.
(непонятно почему не принять , что там углепластиковые /композитные шаробаллоны)
Вес батарей. Starlink будет проводить примерно половину времени в тени Земли, примерно 96 минут / 2 равно 48 минутам. При деградации батареи мы должны принять батарею на 3 кВтч. Но поскольку он будет заряжаться / разряжаться 15 раз в день: аккумулятор Samsung 21700 (используется для Tesla Model 3) обеспечивает 75% емкости после 2000 циклов . Расчетный срок службы спутника Starlink - 5 лет. Таким образом, очевидно, что спутники не предназначены для обеспечения полной непрерывной мощности излучения через антенны. Можно предположить, что среднее потребление на «ночной стороне» составит всего 300 Вт и удвоит емкость аккумулятора до 6 кВтч. При использовании метрики 250 Вт / кг, что соответствует 24 кг батарей (9% сухой массы всего ИСЗ). Для этого потребуется всего один цикл зарядки аккумулятора в день, что близко к пятилетней проектной цели.
!!!! VSATMAN888 Ошибка - 300 Вт потребления - чудовищно мало.. Мощность передатчика для питания транспондеров на борту ИСЗ 100 ...150 Вт
см. пример Полезная нагрузка спутника "Ямал-401" состоит из:
- 16 активных транспондеров с шириной полосы по 72 МГц и 1 активного транспондера с шириной полосы 68 МГц C-диапазона с выходной мощностью линеаризованных передатчиков каждого транспондера в насыщении 110 Вт;
- 18 активных транспондеров Ku-диапазона с шириной полосы по 72 МГц в Северном луче с выходной мощностью линеаризованных передатчиков каждого транспондера в насыщении 150 Вт;
- 18 активных транспондеров Ku-диапазона с шириной полосы по 36 МГц в Российском луче с выходной мощностью линеаризованных передатчиков каждого транспондера в насыщении 150 Вт;
Труднее оценить ЭРД (двигатель на эффекте Холла). Его внутренний диаметр, кажется, немного превышает 82 мм, которые использовались в проекте Busek BHT-1500 , 1,5 кВт HET, который был протестирован как с ксеноном, так и с криптоном .
Если взять это устройство за основу, то оно имеет массу 6,8 кг, может потреблять до 2 кВт мощности с Isp=1915 и тягой 118 мН. Для криптона эти цифры ниже, КПД на 7% ниже, а тяга составляет около 50 мН / кВт мощности.
Предположим, что SpaceX разработала двигатель малой тяги с входной мощностью 2 кВт и тягой 100 мН. Это обеспечило бы ускорение 0,4 мм/с2 или 0,72 м/с deltaV на орбиту (при условии непрерывной 30-минутной тяги на солнечной стороне Земли. При запасе криптона в 33 килограмм суммарная deltaV будет 2400 м / с при Isp 1800, что более чем достаточно для весь жизненный цикл спутника Starlink. Горючего хватит на 70 дней непрерывной тяги. Таким образом, даже если цифры будут значительно ниже (эффективность, масса топлива), Starlink будет иметь настолько большую емкость deltaV, что сможет перейти с орбиты GTO на GEO .
Я бы для примера взял серийный летающий СПД-100 ОКБ Факел, и предположил бы, что Спейс Х смог дотянуться до его уровня .
СПД-100 вверху слева
VSATMAN888 то есть можно сказать, что оценки Дамира весьма точны, но с одной поправкой я уверен на 80% , что на борту СтарЛинка стоит минимум 2 ЭРД, но питаемые от одного блока питания .. (чтобы не вертеть постоянно спутник и второе, чтобы можно было в случае чего стабилизировать его за счет работы ЭРД
Важный элемент - многофункциональный Power Processing Unit (PPU) (устройство преобразования электричества). Он должен быть такого размера, чтобы принимать максимальную потребляемую мощность (6 кВт) и распределять ее при различных напряжениях на различные элементы на плате. При использовании в качестве базы для оценки ЭРД Busek HET ( BHT-600) у которого вес 1 кг для двигателя и 2 кг для PPU . Экстраполяция этого (300 Вт/кг) дает примерно 20 кг для PPU.
Итак, вот масса спутника СтарЛинк (из расчета спутник весит 260 кг ).
75 кг для солнечных панелей 30 м2, 6 кВт
33 кг топлива Krypton (завышено!!!!)
30 кг сосуда высокого давления
7 кг для ЭРД (занижено)
Энергопитание PPU 20 кг
Электробатареи - 24кг (занижено)
71 кг для всего остального (конструкция, Процессор управления, датчики, полезная нагрузка и т. Д.) - мало !!
что не упомянуто Дамиром
1) гиродины
Гиродин - механизм, вращающееся инерциальное устройство, применяемое для высокоточной стабилизации и ориентации, как правило, космических аппаратов (КА), обеспечивающее правильную ориентацию их в полёте и предотвращающее беспорядочное вращение. Гиродин - это двухстепенный управляющий силовой гироскоп, выступающий в роли гиростабилизатора; на КА он заменил более простые, но менее точные и удобные в использовании системы на базе двигателя-маховика. Чтобы гиродины были эффективны, они должны обладать большим моментом инерции, что предполагает значительную массу и размеры. На Международной космической станции (МКС) гиродины - это устройства с размерами более метра по осям измерений и массой около 300 кг. То есть минимум 5-7 кг для СтарЛинка она должна весить.
2) антенны их на спутнике 6. 2 антенны параболические Ка диапазона с электромеханическим приводом и 4 плоские антенны с фазированной решеткой Ку диапазона я нашел по ссылке оценку антенна для Ку диапазона размером 0,6 м весит 10 кг. у Старлинка антенна 80 на 80 см , то есть примерно такая же итого для простоты 6 антенн на 10 кг = 60 кг.
3) СОТР - система охлаждения и терморегуляции, она нужна как минимум для процессора блока управления , но возможно и для передатчиков Ка диапазона и аппаратуры его транспондеров
Приглашаю всех для высказывания идей, как мы можем уточнить /откорректировать указанные выше цифры..