Оптимизация 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.;
• 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.).

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:

1. При развертывании многоспутниковых КС использование групповой схемы выведения КА позволяет получить значительный выигрыш по критериям стоимости, надежности и времени развертывания.
2. 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.
3. 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.
4. 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).