КТС orbitron - инструмент индустриализации космоса
TRANSCRIPT
Способ малозатратной доставки
грузов в космос
КТС «Орбитрон» – инструмент
индустриализации космоса
Александр Майборода
Компания AVANTA Consulting
Московский Космический Клуб
12 марта 2015
Последний стимул
• Андрей Гейм: «У меня есть мечта. Индустриальная революция и экономический рост продолжаются.
И все потому, что астрономы обнаруживают огромный астероид, который протаранит Землю через 50 лет. Вот это будет достаточно страшно. Человечество, разумеется, сможет справиться с этой угрозой, но для этого ему потребуется развивать действительно новые технологии.
Люди наконец поймут, что социальные сети могут сделать отдельных людей очень богатыми, но не могут спасти планету. Для этого нужны фундаментальные открытия».
• Однако Гейм требует слишком многого,
т.к. для развития действительно новых технологий не требуются фундаментальные открытия – достаточно имеющихся изобретений, созданных в рамках старых открытий.
Проблема космических грузоперевозок
• Цены доставки грузов в космос высоки. Вывод спутников на геостационарную орбиту (ГСО) доходит до 50 тыс. долл./кг.
• Развитие бизнеса в космосе требует снижения цен до 5-10% нынешних.
Проблема космических грузоперевозок
• Снижение цен необходимо для защиты
планеты от космических угроз.
Перспективы рынка
• Рынок пусковых услуг постепенно растет. В 2013 году его объем достиг 5,4 млрд. долл.*
• В случае снижения удельной себестоимости более чем в 10 раз, ежегодная прибыль пусковых компаний составит 5 млрд. долл.
• *) Использованы данные компании Satellite Industry Association (SIA) о доходах мировой телекоммуникационной индустрии, космической индустрии и спутниковой отрасли в период с 2001 по 2013 год
Генеральное направление в решении
проблемы
• Попытки решить проблему – это стремление создать многоразовые космические транспортные средства (КТС), чтобы сократить цены через уменьшение в них доли амортизации КТС.
• К сожалению, работы в этом направлении затянулись: полеты в космос продолжаются на одноразовых ракетах.
Решение проблемы
• Проект «Орбитрон» решает проблему создания
многоразовых КТС.
• КТС «Орбитрон» имеет два предшествующих
проекта-прототипа, вопросы реализации которых
имели основательную проработку в США и СССР.
Решение проблемы
• Первым прототипом является проект Стержа Деметриадиса, известный под названием PROFAC (PRopulsive Fluid ACcumulator) – очень эффективная система по добыче кислорода из атмосферы для орбитальных АЗС.
• Проект орбитального коллектора не был реализован из-за необходимости использования ядерного реактора на борту космического аппарата-накопителя, что было сочтено недопустимым риском.
Решение проблемы
• Вторым прототипом является проект Эдварда
Марвика, запатентованный в США (US4775120 &
US5199671), но не реализованный из-за чрезмерно
большой массы КТС – 40 000 тонн и необходимости
создания промышленной базы на Луне.
Решение проблемы
• Аналогом проекта Эдварда Маврика был широко известный проект Джерарда О`Нилла, в котором предложена эффективная система переноса реголита с Луны на орбитальные станции.
• Эдвард Марвик показал, как почти даровую потенциальную энергию, запасённую в лунном веществе, можно использовать для вывода грузов с Земли на околоземные орбитальные станции.
Решение проблемы
• Нам удалось найти решение, которое объединяет положительные стороны обоих проектов и устраняет недостатки, препятствующие их реализации.
• Удалось устранить потребность в ядерном реакторе для работы коллектора Деметриадиса.
• Удалось на три порядка сократить массу коллектора Марвика и обеспечить его работу без лунной базы.
Орбитальный коллектор вещества «Орбитрон»
• Разработанное КТС состоит из двух частей:
• первая часть – аэрокосмическая (наземного базирования) на основе суборбитальных ракет;
• вторая часть – орбитальная, представляющая собой спутник-коллектор грузов.
• Грузы поднимаются суборбитальными
ракетами и выбрасываются на пути
перед орбитальным коллектором. • Грузам придается форма цилиндра низкой
плотности или тонкопленочной ленты,
вытянутых вдоль линии орбиты коллектора, что
на несколько порядков сокращает ударное
воздействие при захвате груза коллектором и
пропорционально сокращает массу системы.
• Восстановления запаса кинетической энергии
коллектора производится за счет работы
двигателей малой тяги, например, ЭРД с
удельным импульсом 16-32 км/с.
Орбитальный коллектор вещества «Орбитрон»
• От прототипа Деметриадисанаше КТС отличается тем, что горизонтальный газовый столб (с высокой концентрацией вещества), поглощаемый коллектором, создается искусственно, на высоте его орбиты.
• Для этого используется газ-холдер из высокопрочной пленки с предельной прочностью до 2 ГПа в виде цилиндра длиной от 100 дл 1000 метров.
• В результате, благодаря высоте орбиты, обеспечиваются условия использования КЭС вместо АЭС.
Орбитальный коллектор вещества «Орбитрон»
• От прототипа Марвика наше КТС отличается тем, что порция груза забрасывается в коллектор поэтапно, частями, а не единовременно целиком как в прототипе.
• Для этого в качестве груза используется лента из майларовой пленки толщиной
2 мкм и длиной до 8000 метров с покрытием из требуемых веществ.
• В результате сокращается ударное воздействие на коллектор, и его масса может быть уменьшена с 40 000 тонн до 1-4 тонн.
Орбитальный коллектор вещества «Орбитрон»
• Подаваемый в орбитальный коллектор газ заключен в газ-холдер –тонкостенную цилиндрическую оболочку из сверхпрочного полиэтилена (предел прочности 1,8ГПа, запас прочности принят трехкратным). Давление газа – 1-10 КПа. Длина оболочки - 100-1000 м. При необходимости могут использоваться держатели газа протяженностью 10-20 тыс. м. Плотность газообразного рабочего тела – 0,01 кг/м3. Масса оболочки – 6-10% массы газа (вместе с тем, экономически выгодными могут быть и газ-холдеры, у которых масса больше массы удерживаемого газа).
• Стоимость материала оболочки 15 долл./кг. Динамическое давление, оказываемое потоком газа на плоские участки конструкции коллектора, находится в пределах 3-30 бар. Действие высокой температуры на гиперзвуковой диффузор длится 0,01-0,1 сек с периодичностью 45 минут.
• Для уменьшения массы оболочки желательно использовать газы с высокой молекулярной массой при температуре близкой к точке их замерзания в смеси с аэрозолями. При помощи газ-холдеров выгодно создавать на пути КА-накопителей (орбитальных коллекторов) концентрации из следующих газов: кислород, аргон, пропан, бутан, дифтордихлорметан, бороводороды, силаны, гексафторид серы, тетрагидрид свинца, гексафторид урана и т.п.
Орбитальный коллектор вещества «Орбитрон»• На видео-схеме суборбитальная ракета-носитель поднимает свернутую
оболочку на заданную высоту, где её разворачивают и наполняют газом из микробалонов, прикрепленных к оболочке (ракета возвращается на стартовую площадку). К моменту достижения наивысшей точки подъема, оболочка максимально наполняется. В точке остановки подъема включаются коррекционные двигатели, размещенные равномерно вдоль оболочки, чтобы обеспечить зависание на заданной высоте, которая соответствует высоте орбиты КА-накопителя. Время зависания – 3-5 секунд. В таком положении оболочка образует газонаполненный канал на пути орбитального коллектора.
• КА-накопитель, оснащенный гиперзвуковым диффузором, пробивает тонкую мембрану на торце цилиндра газ-холдера (слева на кадре видео), проходит внутри трубы, собирая встречный газ с аэрозолем, и выходит с противоположного (правого в кадре) конца трубы, пробивая торцевую мембрану. Диаметр оболочки больше диаметра КА и поэтому масса оболочки не захватывается коллектором и не пополняет орбитальные запасы вещества.
• В накопительной камере газ, из-за тормозного нагрева обратившийся в плазму, смешивается с водой или другими разбавителями для охлаждения
до н.у.
Орбитальный коллектор вещества «Орбитрон»
• При захвате газа, коллектор теряет часть кинетической энергии. Восстановление затраченной энергии производится за счет двигательной установки с электроракетными двигателями (уд. имп. 16000-32000 м/с). Рабочее тело ЭРД (аргон и т.п.) содержится в газ-холдерах. Благодаря ЭРД 75-50% поступивших веществ сохраняется и используется на орбитальных АЗС и промцентрах.
• Энергоснабжение ЭРД осуществляется от бортовой солнечной электростанции, состоящей из бескаркасных тонкопленочных солнечных батарей (уд. мощность 2-5 кВт/кг) с центробежной системой раскрытия и стабилизации (см. работы В.М.Мельникова).
• В моменты забора газов из газ-холдеров, пленочные батареи свернуты в рулоны. После прохождения газового канала, батареи фотоэлектрических преобразователей раскручиваются и работают до следующей встречи с суборбитальным газ-холдером.
Орбитальный коллектор вещества «Орбитрон»• В таблице пример многоразового использования РН «Зенит-
2» за счет уменьшения Vх и образования запасов топлива, необходимого для гашения скорости и безударной посадки на космодром обеих ступеней.
• Обозначения: М1 – начальная масса; М2 – конечная масса; Мт – масса топлива; Мк – масса конструкции;
Мш – масса посадочного шасси; Мпг – масса полезного груза; Мтт – масса запаса топлива для торможения;
Мтп – масса запаса топлива для посадки; W – удельный импульс; Vx – характеристическая скорость;
V – фактическая скорость; Потери – суммарные потери скорости.
• Масса посадочного шасси составляет 5% сухой массы ступени, а масса запаса топлива для безударной посадки равна 20% сухой массы ступени. Это распространяется на обе ступени. Эти результирующие 25% массы образуются за счет «урезания» массы полезной нагрузки. Вторая ступень должна также имеет запас топлива для гашения скорости равной 4839 м/с (5304 м/с характеристической) для схода с орбиты и посадки.
• В расчетах РН «Зенит-2» разгоняет порцию груза для орбитального коллектора до скорости, которая на 2232 м/с меньшей, чем местная орбитальная. Этого достаточно для безударного возвращения РН.
ww
w.m
ayb
oro
da
.co
m
ОКВ «Орбитрон»
• Базовая модель
«Планета-Орбита»
для Земли
• Базовая модель
«Планета-Орбита»
для Луны
Система «Земля-Орбита»
• Базовый вариант по схеме «Земля-Орбита»: dV=8000 м/с.
• Стартовая масса суборбитальной ракеты – 1000 кг.
• Масса орбитального коллектора – 3600 кг.
• Электрическая мощность ДУ коллектора – 0,5 МВт.
• Годовой грузопоток – 29 000 кг.
• Стоимость пусковой установки и многоразовой ракеты – 2 млн. долл./шт.
• Стоимость орбитального коллектора – 36 млн. долл.
• Стоимость комплекса (1 коллектор и 2 пусковых установки) – 40 млн. долл.
• Удельная себестоимость доставки – 600 долл./кг.
Система «Орбита-Орбита»
• Дополнительный вариант по схеме «Орбита-Орбита»: dV=2000 м/с.
• Масса орбитального коллектора – 1000 кг.
• Электрическая мощность энерго-двигательной системы – 0,01 МВт (!).
• Годовой грузопоток – 11000 кг..
• Стоимость орбитального коллектора – 10 млн. долл.
• Удельная себестоимость доставки – 180 долл./кг плюс цена доставки на НОО.
• Экономический эффект – сокращение цены доставки с НОО на геопереходную орбиту с 10-20 тыс. долл./кг до 180 долл./кг.
Безракетная система «Атмосфера-Орбита»
• Система двух коллекторов на проградной (прямой) и ретроградной (обратной) орбитах, которые для периодического погружения в плотные слои атмосферы, обмениваются грузами для получения импульсов торможения.
• Общая масса пары орбитальных коллекторов – 3600 кг.
• Общая электрическая мощность ДУ коллекторов – 0,5 МВт.
• Годовой грузопоток – 15 000 кг.
• Рабочий ресурс – 5 лет.
• Стоимость пары орбитальных коллекторов – 36 млн. долл.
• Удельная себестоимость накопления кислорода и азота из атмосферы – 500 долл./кг.
Система «Луна-Орбита»
• Базовый вариант по схеме «Луна-Орбита»: dV=1680 м/с.
• Масса механической катапульты – 200 кг.
• Масса орбитального коллектора – 1800 кг.
• Электрическая мощность ДУ коллектора – 0,03 МВт.
• Расход магния и кальция в ЭРД – 1000 кг/год
• Грузопоток – 29 000 кг/год (3000 захватов по 10 кг порция).
• Стоимость катапульты – 20 млн. долл./шт.
• Стоимость орбитального коллектора – 90 млн. долл.
• Стоимость комплекса (1 коллектор и 2 катапульты) – 130 млн. долл.
• Удельная себестоимость доставки – 900 долл./кг.
Система «Орбита-Луна»
Массогабаритные характеристики американского
прототипа и нашего лунного коллектора
высокоскоростных потоков веществ.
Система «Орбита-Луна»
• Скорость поглощаемых потоков вещества: dV=1680…3000 м/с.
• Формы потоков вещества – майларовые ленты с покрытием из твердых веществ и каптоновыетрубки с жидкими веществами.
• Поглощаемые грузы – соединения углерода, водорода, азота, хлора, фтора, кислорода, калия, алюминия и т.п.
• Секундный приток вещества – 10 кг/с.
• Рабочий ресурс коллектора – около 3 часов (10000 секунд).
• Сухая масса стационарного коллектора – 1000 кг.
• Масса грузов поглощаемых за весь срок службы –100 тыс. кг (10 тыс. захватов по 10 кг порция).
• Стоимость стационарного коллектора – 100 млн. долл./шт.
• Удельная себестоимость доставки грузов с окололунной орбиты – 1000 долл./кг.
• Экономический эффект – сокращение цены доставки с низкой окололунной орбиты на поверхность Луны с 20-50 тыс. долл./кг до
1 тыс. долл./кг.
• При использовании водорода с Земли для производства из реголита ракетного топлива, его стоимость на базе составит 6000 долл./кг (без учета амортизации тех. блоков).
Система «Луна-Земля»
• Объединенные системы «Орбитрон» Луны и Земли для своей работы потребляют запасы потенциальной и кинетической энергии Земли и Луны, которая извлекается использованием активного гравитационного маневра (эффекта Оберта).
Ресурс суборбитальной подсистемы и
орбитального коллектора
• Суборбитальные ракеты, в отличие от ракет космического назначения, сохраняются после первого пуска, и могут использоваться многократно 200-1000 раз.
• В нашем проекте используется решение, которое обеспечит использование суборбитальных ракет от 1000 до 6000 раз: температура в камере сгорания не превышает 1250 К.
• Двигатели орбитального коллектора типа NEXT или VASIMR, также имеют большой рабочий ресурс – около 50 тыс. часов (5,5 лет).
Ресурс суборбитальной подсистемы и
орбитального коллектора
• В варианте с предпосадочным торможением скорости за счет ракетных двигателей отсутствуют тепловые потоки, опасные для корпуса без специальной защиты.
• Такой способ гашения скорости позволяет использовать имеющиеся типы одноразовых РН («Зенит», «Протон», «Ангара») в качестве многоразовых без существенной доработки.
• В предложенной технологии посадки масса полезного груза не уменьшается из-за резервирования части топлива для гашении набранной скорости и безударной посадки.
Ресурс суборбитальной подсистемы и
орбитального коллектора
• В варианте гашения скорости за счет торможения в атмосфере тепловая защита ступеней суборбитальной ракеты (кроме её первой ступени) выполнена как в ракетоплане X-20 Dyna-Soar с радиационным охлаждением из тугоплавких металлов и сплавов (молибден, цирконий, сплав рений-ниобий Rene 41), без использования абляционных или тепло-поглощающих керамических покрытий.
• Этот тип тепловой защиты обеспечивает минимальные затраты времени на её обслуживание, после посадки суборбитальной ракеты, и большой ресурс использования.
• Благодаря большому межремонтному интервалу тепловой защиты и двигателей частота запусков суборбитальной ракеты составляет от 4 до 8 пусков в сутки.
Ресурс суборбитальной подсистемы и
орбитального коллектора
• Аналог орбитального коллектора поглощающего не газ, а твердофазные грузы – The Bullet Catcher или пулеулавливатель.
• Пулеулавливатели не деформирующие пули: dV до 1100 м/с, ресурс тормозной среды из кевлара 10 тыс. выстрелов.
• Пулеулавливатели жесткого торможения, заполненные водой/песком, имеют практически не ограниченный ресурс и величину dV в диапазоне 8000-11000 м/с.
• Для защиты от нештатных столкновений служит бронеэкран (ArmorScreen), выполненный из материалов, в которых скорость звука находится в диапазоне от 13000 до 18000 м/с.
• Эрозия бронеэкрана компенсируется бортовым 3D-принтером.
Виды грузов
• Коллектор может получать грузы только сырьевого типа, которые не разрушаются ударным разгоном.
• Вместе с тем, большая часть грузов, которые доставляют в космос, приходится не на космические аппараты (КА), а на ракетное топливо, которое нужно для их выведения на конечные орбиты.
• До 80% массы КА на промежуточной опорной орбите приходится на топливо, поэтому для нашего КТС найдется много грузов.
Виды грузов
• К транспортировке топлива прибавляется доставка алюминия, титана, углерода, кремния и других веществ, необходимых для производства в космосе комплектующих и агрегатов КА по программе AMAZE.
• Европейское космическое агентство (ЕКА) приняло программу AMAZE: применение 3D-печати для создания металлических частей и компонентов для космических аппаратов, самолетов и термоядерных реакторов.
• ЕКА инвестировала около 20 миллионов евро в исследования по созданию «Методов трехмерной печати AMAZE».
Бизнес-возможности технологии «Орбитрон»
• Внедрение технологии позволит нашим клиентам создать:
• сеть космических заправочных станций, для дозаправки межорбитальных бустеров и буксиров;
• сеть орбитальных платформ с 3D-принтерами для изготовления деталей и агрегатов космических аппаратов.
• Обеспечить рабочим телом систему OrionTwo, которая использует кинетическую энергию накопленного на орбите вещества для вывода суборбитальных капсул с грузами и пассажирами на НОО.
Патенты
• Method and system for delivering cargoes into space. US 8882047 B2.
Status: Grant of patent is intended
• Method for delivering cargoes into space and a system for implementation of same. EP2390188
Status: Grant of patent is intended (Great Britain, Germany, France).
• Способ доставки грузов в космос и система его осуществления. Патент России RU2398717
• Способ доставки грузов в космос и система его осуществления. Патент ЕАПО 017577
• Спосіб доставки вантажів в космос і система його здійснення. Патент Украины 99230
• Способ энергообеспечения космических аппаратов-накопителей. Патент России RU2451631
• Energy supply method for spacecrafts-accumulators. Патентная заявка US 2013/0233974 A1
• Method and system for feeding jet engines. Патентная заявка US 2014/0326832 A1
Маркетинг и продажи
• Компания AVANTA Consulting планирует вести торговлю лицензиями в странах, в которых запатентована технология «Орбитрон», и торговать франшизами в других странах, а также производить и продавать ключевые агрегаты коллектора для установки на КА заказчиков.
• Ожидаемые доходы покупателей лицензий и франшиз при торговле следующими товарами (долл./год):
• ракетное топливо 300 тонн – 0,9 млрд.;
• конструкционные материалы 100 тонн – 0,3 млрд.;
• полупроводники 400 тонн – 1,2 млрд.
• Доходы инвесторов:
• продажа лицензий в США, Евросоюзе, России;
• торговля франшизами в странах «космического клуба»;
• роялти;
• учредительская прибыль при создании АО после завершения этапа посевных инвестиций.
Сегменты рынка
• Рынок пусковых услуг – 5 млрд. долл./год
• Рынок производства космических аппаратов
на орбите по программе AMAZE – 16 млрд.
долл./год
Сегменты рынка
• Рынок фотоэлектрических преобразователей
– 100 млрд. долл./год,
• в т.ч. тонкопленочных солнечных батарей –
25 млрд. долл./год.
Сегменты рынка
• Рынок поставок материалов для сооружения
спутниковой солнечной электростанции в
рамках японской программы Solarbird –
24 млрд. долл.
Сегменты рынка
• Рынок поставок материалов для развертывания и обеспечения лунной базы в рамках российской программы (с учетом действия патентов до 2030 года):– развертывание – 40 млрд. долл.;
– снабжение базы – 4-15 млрд. долл./год.
Конкуренты
• Компания Shackleton Energy Company (США), разрабатывающая технологии добычи воды на Луне, в целях производства кислорода и водорода для продажи через орбитальные АЗС.
• Старт-ап PHARO (США), разрабатывающий систему PROFAC с лазерным подводом энергии, предназначенную для сбора кислорода из атмосферы в целях получения топлива для космических АЗС.
Потенциальные партнёры
• Planetary Resources
• Deep Space Industries
• SpaceX
• Bigelow Aerospace
• Boeing Company
• EADS Astrium
• MDA
• Made in Space
• Mitsubishi Corp.
• Shimizu Corp.
Потенциальные партнёры
• ЦНИИмаш (орбитальный КА-накопитель воздуха и бескаркасные СБ)
• ИКИ РАН (математические модели КТС)
• ОИВТ РАН (математические модели ударных процессов)
• ИФП СО РАН и РКК «Энергия» (технологический модуль ОКА-Т)
• МГТУ им. Н.Э.Баумана (тросовый электродвигатель ЭДТС)
• ГКНПЦ имени Хруничева (суборбитальный демонстратор МРКС-1)
• КБХА (термо-химический имитатор ЯРД)
• ГНЦ ФГУП "Центр Келдыша" (теплообменная водородная ДУ СТРД)
• Компания «Лин Индастриал» (суборбитальные мини-РН)
48
Команда
• Идеолог проекта: Александр Майборода
• Менеджер проекта: Владимир Мигель
• Главные специалисты:
Д.К. Драгун, В.М. Мельников, О.П. Пчеляков, В.И. Флоров
• Основные участники и их компетенции: в команде 10
специалистов с необходимыми знаниями, квалификацией и
опытом. Среди них сотрудники ЦНИИМАШ, ФГУП «ОКБ
Вымпел», МГТУ им.Н.Э.Баумана, ИКИ РАН, ИФП СО РАН,
компании «Спутникс».
Инвестиции первого этапа R&D
• Этапы рабочего процесса:
• эскизное проектирование;
• компьютерное моделирование процессов;
• изготовление демонстрационной модели коллектора; стендовые испытания, доработка;
• изготовление коллектора в версии микроспутника для орбитальных испытаний (dV=1400-2000 м/с), доработка.
• Требуемые ресурсы: денежные средства в сумме 30 млн. руб.
(1-й этап длительностью 2 года)
• Поддержания действия зарубежных патентов (ЕС и США) и завершения процесса получения новых патентов в США:
• 11 тыс. долл. в 2015 году;
• 5 тыс. долл. в 2016 году.
Резюме и контакты
• Разработанная система обеспечивает радикальное снижение затрат на доставку грузов в космос.
• Экономия издержек создает возможности получения дополнительной прибыли в сфере доставки грузов сырьевого типа на орбитальные КА.
• Для вывода проекта из начальной стадии необходимы партнеры.
• Компания AVANTA Consulting готова к переговорам о сотрудничестве по вопросу коммерциализации разработки «Орбитрон».
• Адресные данные компании: Россия, г. Ростов-на-Дону, пр. Большая Садовая, 150, офис 909. Тел.: +7 (863) 221 73 71; +7 (863) 263 32 94
• Mail: [email protected]
Сайт: www.mayboroda.com
Спасибо за внимание!
Вопросы?
