Презентация доклада РЕБЕКО А.Г.

Новый взгляд на Новый
развитие космонавтики.
Современное состояние космонавтики:
Автоматические аппараты: орбитальные спутники связи и межпланетные зонды космонавтика роботов
Пилотируемая космонавтика: научно-исследовательские станции, МКС, Мир
космонавтика людей
«а где же пассажирская космонавтика и космическая индустрия?»
1. Спутниковая связь - спутники связи на геостационарной и низких орбитах.
телефонная связь; факсимильная связь; интернет и передача данных; электронная почта;
служба коротких сообщений (SMS); спутниковое радио-теле-вещание; пейджинг;
определение местоположения (GPS и ГЛОНАСС). <метеоспутники менее $1 млрд >
ОЭСР: ~ 256 млрд$ (2013) ~ 165 млрд$ (2009), совокупные доходы в 2010 году ~ $160
млрд., из них ( А Н Кузенков, зам ген директора - генерального конструктора ОАО "Российские космические системы“
"Мобильные телекоммуникации", №6, август 2011 г. )
Услуги спутниковой связи:
$93 млрд, из них
- непосредственное вещание:
$75,3 млрд,
- фиксированная спутниковая служба:
$14,5 млрд,
- мобильная спутниковая связь:
$2,2 млрд.
Производство наземного оборудования: $50 млрд,
Производство спутников:
$13,5 млрд ] Это очень «дешево», всего 11%
Пусковые услуги:
$4,5 млрд. ]
от всего бизнеса !!!
Цена Космоса
Стоимость доставки груза на околоземную орбиту:
1. одноразовые носители, ракеты,
5000 - 10 000 $/кг.
2.полностью многоразовые ракетные и авиа-космические системы (АКС) при очень
масштабной деятельности в космосе обещают до
200-300$/кг.
3. в пересчете на стоимость топлива (жидкий водород)
5-10 $/кг.
4. в пересчете на стоимость электроэнергии
1 $/кг.
Space Shuttle – пример неудачной многоразовой ракетной системы.
АКС - требуется разработка гиперзвукового реактивного двигателя (ГПВРД), который мог
бы работать в диапазоне скоростей 6-15М ( 1800 – 4500 м/с на высоте 40 км).
В исследованиях ГПВРД образовался замкнутый круг: нет аэродинамических стендовлабораторий, летающих стабильно в диапазоне скоростей 6-12М - нет двигателей. А нет
двигателей, нет и самих гиперзвуковых аппаратов.
Финансовый барьер – стоимость создания самого многоразового гиперзвукового аппарата.
Saenger II - стоимость проекта более $28 млрд (1985, турбопрямоточный двигатель).
Skylon(комбинированный синергетический воздушно-реактивный/ракетный двигатель) стоимость проекта более $10 млрд.
Преодоление кризиса развития
Создание новых сегментов космической индустрии, где:
1. будет большой грузопоток между Космосом и Землей, десятки и сотни тысяч тонн, что
делает востребованным разработку новых, более экономичных способов вывода грузов на
околоземную орбиту.
2. «пусковые услуги» будут занимать как можно большую долю в обороте бизнеса, что
будет делать их более привлекательными для инвестиций на предмет их создания.
3. не потребуют большего числа инженеров и специалистов, чем то, которых способна
доставить на околоземную орбиту современная космонавтика.
4. не потребуется разработка дорогих многоразовых транспортных систем, которые
предназначены для «комфортного вывода» конкретно человека в космос.
Решение задач 1,3,4 было бы возможно
«пассажиропотока» и собственно грузопотока:
через
разумное
разделение
Для доставки грузов быть востребованы ускорители «пушечного» типа. Это реальная
альтернатива ракетной и авиакосмической космонавтике. Ускорители пушечного типа
способны
самостоятельно создать новые сегменты космической индустрии с
минимальным участием людей.
Ускорители твердых тел – «космические пушки»
Электромагнитные ускорители:
1. Индукционные пушки: слишком сложны, низкий КПД, необходимость использования
сверхпроводников. Достигнута скорость 1000 м/с для снаряда массой 2 кг, КПД 7%.
2. Рельсотроны: предел скорости разгона «снаряда-перемычки» 2500 м/с для больших
снарядов массой 3 и 9 кг. Сильная эрозия ствола, КПД 10-20%.
Возникла принципиальная инженерно-техническая проблема : «кризис
квазиметаллического контакта». Плазменным поршнем удается разгонять
небольшие снаряды (1-10 грам) до 11000 м/с
«Газовые пушки» и «химические» ускорители :
1. Легкогазовые орудия: удается разгонять небольшие снаряды (1-10 грам) до
11 000 м/с. Проект SHARP (Super High Altitude Research Project): 1992 г Дж.Хантеру
удалось разогнать снаряд массой 3 кг (калибр 100 мм) до 3000 м/с. Вес установки
составил 100 тонн. Финансирование в $1 млрд. для дальнейших исследований он не
получил. Принципиальных ограничений для достижения космических скоростей нет,
но установка получается слишком сложной и громоздкой: двухступенчатое сжатие,
наличие отсекающих и распределительных клапанов, высокое давление в отсеке первой
ступени – 4000 атм. В 2010 году образована компания Quicklaunch Inc., проект $500 млн.
2. “Ram accelerator”: принципиально новый подход, снаряд: прямоточно-реактивный
.двигатель. Относительная простота, меньшая масса устройства.
Удалось достигнуть скорости 2700 м/с для снаряда массой 5 кг (калибр 120 мм)
В отдельных экспериментах снаряд массой 120 г разгоняли до 3200 м/с (калибр 38 мм).
Ограничения: срыв гиперзвукового горения на больших скоростях, причины не ясны.
Теоретически ограничений на скорость полета нет, оценочной КПД 30%.
1.University of Washington, Seattle, WA
.2.Army Research Laboratory, Aberdeen, MD
3.Advanced Projects Research Inc., Impact
Research Laboratory in Albuquerque, NM
4.Elgin Air Force Base, FL
5.Institut of Saint-Louis, St. Louis, France
6.Tohoku University, Sendai, Japan
7.Saitama University, Saitama, Japan
8.Hiroshima University, Hiroshima, Japan
9.Seoul University, Seoul, South Korea
10. China Aerodynamics R&D Center,
Mianyang, China
11. Brazil, San Paulo.
В 2006 году образована компания “Ballistic Flight Group”, проект $50 млн.
Возможный инновационный тренд развития: использование твердого топлива.
3. “Blast wave accelerator”, линейный реактивный двигатель, explosive linear accelerator:
A)
B)
Вариант А: условия разгона снаряда w < V < (L/d)*w (время горения d/w=L/V) ,
где V - скорость снаряда, w - скорость детонации, L – длина сопла, d – толщина слоя
топлива.
Вариант B: взрыв сегмента инициирует снаряд, или электроника. Сегменты разделены!
Орудие никогда не было сделано, вычисления прогнозируют КПД 25%.
1. Модель падающего на клин газа: ускорение клина будет происходить до тех пор, пока
его скорость V2 не достигнет значения
V2 = V1*(H/D). Для дальнейших расчетов
взяты H/D = 10, а=5,6о
2. В режиме реактивного прямоточного двигателя теоретический КПД близок к 100%
(термический КПД 50%), но не решалась «в деталях» задача отрыва реактивного потока от
сопла.
В рамках кооперации с компанией Лин Индастриал был подготовлен проект прямоточного
гиперзвукового ускорителя, для которого был проведен математический анализ принципов
работы в разных режимах. В рамках проекта было предложено использовать линейный
реактивный ускоритель как своеобразный RAM accelerator, применив в качестве топлива
Характеристика клина: H/D = 10
Скорость падения газа V1 = 2000 м/c
бездымный порох вместо взрывчатого вещества. Это дает многочисленные преимущества
и перед “RAM”-технологией, и перед «взрывным ускорителем».
1. Ускоритель представляет из себя простую трубу, без всяких мембран и лишних деталей.
Сегменты топлива, бронированные сгорающим пластиком, легко загружаются в ствол.
2. Сгорающий пластик бронировки защищает ствол орудия от эрозии. (рельсы).
3. Топливо это порох, предназначенный для утилизации. Его оптовая цена порядка 0,1$/кг.
Для быстроты сгорания он модифицируется до состояния прессованной ваты. Дешевизна
топлива обуславливает тот факт, что стоимость доставки груза на орбиту определяется
только стоимостью силовой конструкции снаряда, которая должна быть выполнена из
углепластика. С учетом этого цена вывода на ГСО и лунную орбиту составит 180$/кг.
Возможные характеристики стартовой системы пушечного типа.
1. Снаряд. За основу взят проект аппарата, который был много раз просчитан компанией
The Flight Ballistic Group. При весе 2000 кг. он должен выводить в Космос 1000 кг
полезной груза. В наших оценках считался только прямой вывод на ГСО и лунную
орбиту.
2. Ускоритель. Ствол охлаждается водой.
длина
5040 м
диаметр
800 мм
толщина стенки
87 мм
материал
сталь Н8К18М14
масса ствола
8300 тонн
стоимость материалов
$20 млн
Стоимость запуска грузов 180 $/кг
Рабочее давление макс.
характеристическая скорость макс.
ускорение снаряда среднее
Масса заряда макс.
Количество запусков в сутки
Окупаемость
при норме прибыли 180$/кг
600 атм
12,3 км/с.
1500 G
88 тонн
10-20
100 запусков
Новые сегменты космической индустрии.
1. Вывод ОЯТ на лунную орбиту в точки Лагранжа или на Луну.
1. «репроцессинг»
1500$/кг .
Одна тонна ОЯТ :
5 тонн твердых отходов,
150 тонн жидких отходов
2000 тонн жидких низкоактивных
отходов, захоронение!!!
2.Хранение ОЯТ- 120$/кг.
Емкость основного хранилища ОЯТ
США в Юкка-Маунтин будет
превышена уже к середине 21 века.
Цена природного урана - 70-80$/кг.
Перерабатывается только 25% ОЯТ – $15млрд. каждый год прибавляется 10 тыс. тонн,
накоплено 340 тыс.тонн.
Стоимость вывода 180$/кг, цена вывода 380$/кг: удаление всего ОЯТ+ доход $8млрд/год.
Вклад пусковых услуг в оборот бизнеса 100% ! Возможная прибыль от удаления всего
накопленного ОЯТ - $68млрд.
2. Производство сверхчистых бездефектных материалов – строительство заводов на ГСО.
2а. Оптоволокно.
мировое производство оптоволокна 3 тыс. тонн в год, при средней цене 1600$/кг.
Объем этого рынка порядка $5 млрд в год. По оценкам специалистов фирмы TRW
производство оптического стекловолокна в космосе снизит его себестоимость в несколько
раз. Спрос в 2020 году 6 тыс. тонн в год. Стоимость вывода материалов 180$/кг, цена
«космического» оптоволокна 360$/кг: доход до $1 млрд в год.
2б. Поликристаллический кремний.
Мировое производство поликристаллического кремния составляет около 2300 тонн в год
при спросе на него составляет 5-6 тысяч тонн! Цена поликристаллического кремния
«солнечного» качества около 300 $/кг. При стоимости вывода 180 $/кг оценка удельной
прибыли как 120 $/кг , норму прибыли в 67%, суммарный доход до $20 млрд в год.
«Солнечный кремний» может быть востребован для строительства СЭС на ГСО.
3. Строительство солнечных электростанций на геостационарной орбите,
производство электроэнергии.
Потенциальный рынок сбыта дефицитной электроэнергии огромен. В мире потребляется
16440 ГВт энергии из разных источников, всего 144 ПВат*час в год, что позволяет
оценить объем мирового рынка электроэнергии примерно в $14 400 млрд в год.
Типичный проект орбитальной СЭС ФГУП «НПО им. С.А.Лавочкина»:
масса космической платформы 10 000 тонн.
мощность производимой энергии 10 ГВт.
Размер ректенны
20 км
Главная проблема – большие массогабариты.
Затраты на доставку материалов на геостационарную орбиту предлагаемой технологией
составят $1,8 млрд. Если взять среднемировую стоимость электроэнергии 0,1$/кВт*час
то можно оценить ежегодную прибыль $8,8 млрд в год.
Сегменты космической индустрии, востребованные в самом ближайшем будущем.
4. Снабжение космических станций на околоземной орбите и баз на Луне
5. Сборка больших межпланетных экспедиций.
6. Сбор космического мусора.
Сегменты космической индустрии, которые должны появиться в недалеком будущем.
7. Орбитальная медицина, производство: препаратов $23 млрд. ; имплантов $1 млрд.
8. Сбор гелия-3 на Луне и Уране
9. Космический туризм. 10 тысяч американцев готовы платить по 100 тысяч долларов:
себестоимость доставки туриста должна быть менее 1250 $/кг.
Возможное «прикладное применение» гиперзвуковых ускорителей.
1. Вывод кинетического оружия на орбиту
2. Сверхдальнобойная артиллерия
3. Противоракетная и зенитная артиллерия
APPENDIX A
1. при начальной скорости 10200 м/с под углом к горизонту в 20о его скорость в апогее
35786 км составит 1747 м/с. Прибавка в скорости всего в 1260 м/с обеспечит ему
орбитальную скорость 3007 м/с на ГСО.
2. при начальной скорости 11000 м/с под углом к горизонту в 20о его скорость в
апогее около 384000 км составит 190 м/с. Прибавка в скорости всего в 749 м/с обеспечит
ему орбитальную скорость 939 м/с на лунной орбите.
Для набора скорости в апогее используется твердотопливный реактивный двигатель на
основе перхлората аммония, с удельным импульсом 268 с. Простые расчеты показывают,
что при массе снаряда 2000 кг:
можно вывести на ГСО
полезную нагрузку 599 кг, затратив
топливо массой
747 кг
соотношение массы полезной нагрузки к массе силовой конструкции снаряда 0,958.
соотношение массы полезной нагрузки к массе снаряда 0,3
можно вывести в точку Лагранжа на лунную орбиту
полезную нагрузку 856 кг, затратив
топливо массой
489 кг
соотношение массы полезной нагрузки к массе силовой конструкции снаряда 1,369
соотношение массы полезной нагрузки к массе снаряда 0,428
APPENDIX B
Для этого топливо должно быть структурировано особым образом: пороховая масса
должна быть пронизана порами диаметром порядка 0,01 мм. Материал топлива должен
содержать каналы горения (поры) с минимальной для быстрого сгорания толщиной
стенок этих каналов. В этом случае толщина стенок пор должна быть равна примерно их
диаметру. В технологическом плане наиболее простым решением будут спрессованные до
необходимой кондиции пороховые волокна диаметром 0,01 мм. Толщина таких
прессованных плиток составит 14 мм, плотность материала 0,5 г/см3. Плитки бронируются
быстро сгорающим пластиком из нитроцеллюлозы, бронировка выполнена в виде
цилиндрических сегментов, которые вкладываются в ствол орудия как при минометном
заряжании. Эта же бронировка образует направляющие рельсы, по которым скользит
снаряд. После выгорания заряда в ствол орудия можно вставлять новые сегменты зарядов.
Горение топлива инициируется при прохождении снаряда… Раскаленные газы покидают
газогенератор через специальные щелевидные отверстия. 7-ми метровый снаряд пройдет
горящий участок на скорости 12 км/с за 600 мкс. Раскаленные газы заполняют капилляры
длиной 20 мм за 20 мкс, если исходить из данных вязкости нагретого газа при рабочем
давлении 600 атм. [5]. При давлении в 600 атм. нитроцеллюлозный порох будет гореть со
скоростью 50 мм/с [6]. То есть, “стенки капилляров” сгорят за 200 мкс, в три раза быстрее,
чем 7-ми метровый снаряд пройдет горящий участок на скорости 12 км/с - 600 мкс.