Booster budget class of common, cheap and non-deficient material Ракета-носій бюджетного класу з поширених, дешевих і недефіцитних матеріалів

Seeking investor - will rocket!





Збірник наукових праць Державного науково-дослідного інституту авіації. 2018. Вип. No 14(21)

УДК

ПІДЧИБІЙ Л.В., науковий співробітник

ПРО КОМЕРЦІЙНІ ПІДХОДИ ДО СТВОРЕННЯ РАКЕТИ-НОСІЯ

Розглядається можливість створення в Україні ракети-носія бюджетного класу з метою зменшення вартості виведення на орбіту корисного навантаження

Ключові слова: ракета-носій, бюджетний клас, вартість виведення на орбіту 1 кг вантажу, монопаливо


    Американська компанія SpaceX Ілона Маска "послуги" ракети-носія "Falcon 9" (вартість виведення супутників) оцінює від $62 млн. У 2016 і 2017 роках Військово-повітряні сили США сплатили за запуски своїх супутників  $82,7 млн і $95,6 млн. І це при тому, що захист супутників і першу ступінь повторно використовують. Японія запустила з космодрому Утіноура найменшу в світі ракету-носій "SS-520". Ракета важить 2,6 т, її довжина 9,5 м, а діаметр 52 см. Розробка й запуск супутника "TRICOM 1R" вагою лише 3 кг і розміром з коробку для взуття обійшлася в $3,6 млн. Проблема зменшення вартості виведення на орбіту 1 кг вантажу й досі залишається актуальною.
    Спроби здешевити ракетні пуски були й раніше. В 1975 році було засновано компанію OTRAG ("Орбітальний транспорт і ракети"). Однойменна ракета-носій пакетної схеми мала складатися з уніфікованих простих і надійних блоків, виготовлених на автоматизованому конвеєрі серійними партіями, що забезпечило б їх низьку собівартість. Кожен модуль був, власне, відрізком сталевої нафтової труби діаметром 27 см, заповнений або паливом (гас) або окислювачем (азотна кислота) під тиском до 40 бар. Постачання палива витісненням. Окремі модулі багато й успішно літали [1]. Конструктор Лутц Кайзер вважав, що процес виробництва й експлуатації нинішних ракет вкрай не оптимізовано. Щоб вирішити проблему він запропонував такі принципи:
    скоротити витрати коштом вже опрацьованих технологій;
    скоротити витрати на розробку двигунів коштом невеликих простих     конструкцій замість потужних і, природно, складних та дорогих двигунів;
    скоротити витрати на виробництво спростивши технології й     запровадити конвеєр;
    скоротити витрати застосувавши дешеві компоненти палива.
    Якщо застосувати описані вище принципи, то можна вийти на один із запропонованих далі варіантів конструкції ракети-носія бюджетного класу.
    Про пару паливо-окислювач. Дослідженнями встановлено, що деякі продукти азотної промисловості можуть розглядатися як компоненти нових

 Підчибій Л.В., 2018
Збірник наукових праць Державного науково-дослідного інституту авіації. 2018. Вип. No 14(21)
   
видів унітарних палив [2]. Такими речовинами є пара карбамід CO(NH2)2 як паливо, й аміачна селітра NH4NO3 як окислювач. Концентрований водний розчин цих речовин у стехиометричній пропорції (80% аміачної селітри й 20% карбаміду) при забезпеченні таких умов у реакторі чи в ракетному двигуні: температура понад 300° С, під тиском, у присутності каталізаторів, реагують екзотермічно з високим газоутворенням і тепловиділенням за схемою:

CO(NH2)2 + 3NH4NO3 = 8H2O (водяна пара) + 4N2 + CO2 + 760 ккал/кг [2]

    Один кілограм такої збалансованої за складом суміші в результаті реакції утворює 900 л суміші водяної пари, азоту, вуглекислого газу. Крім цього виділяється 760 ккал теплової енергії, що підвищує температуру. За виділенням енергії ця пара речовин близька до піроксилінового пороху, який має питомий імпульс 200 сек.
   
Назва пари окислювач-паливо
Питомий імпульс, сек
кисень+водень 450
кисень+гас 300
гібридний 250
перекис водню+гас 215
азотна кислота+гас 200
піроксиліновий порох 200
аміачна селітра+карбамід 200
перекис водню 160
карамельне паливо 140
цинк+сірка 40

    Табл. 1. Порівняння питомих імпульсів

    Стехіометричні водо-нітратні суміші через високу щільність рідкої фази можуть лише горіти під тиском, але не детонувати. У відсутності каталізаторів при звичайних умовах така суміш не горить, лише плавиться (загоряється при 250C) і не детонує, стабільна при зберіганні, безпечна для людини – на рівні розчинів азотних добрив (3-4-й клас небезпеки) [2]. Вагомий аргумент на користь унітарного палива.    
    Про ракетний двигун. Використання унітарного ракетного пального, основою якого є вода і яке дає порівняно низьку температурі горіння, дозволяє застосувати вже перевірені рішення при компонуванні турбонасосів, камери згоряння й сопла: з’єднати їх за принципом атмосферного турбореактивного 


Збірник наукових праць Державного науково-дослідного інституту авіації. 2018. Вип. No 14(21)

двигуна, де замість повітря вода з розчином суміші аміачна селітра й карбамід.    Про конструкцію ракети-носія. Чи потрібно будувати ракету-носій   багатоступеневою? Чи можна її спростити? Можна! Саме в цій конструкції унітарне ракетне паливо, в основі якого вода, є можливість заморозити у довгий циліндр. Лід замороженого циліндру унітарного палива, основою якого є вода, твердий. Витримує всі навантаження під час виведення на орбіту. Така конструкція не потребує баків для зберігання палива й окислювача чи створення ступенів ракети-носія. Заморожений циліндр скорочується в довжині й стає легшим по мірі витрати палива. Оптимальною тут буде "півтораступенева" схема з однотипними двигунами, що від’єднуються по мірі зменшення маси ракети.
    Зрозуміло, що тут потрібен пристрій для розморожування унітарного палива до стану рідини для живлення рідинного ракетного двигуна.
    Про основні складові частини ракети-носія зверху вниз:
    корисне навантаження;
    заморожений циліндр унітарного палива, основою якого є вода;
    пристрій для розморожування унітарного палива до стану рідини; 
    ракетний двигун за принципом атмосферного турбореактивного, де     замість повітря вода з розчином суміші аміачна селітра й карбамід.
    Такий рідинний ракетний двигун можна багато разів вмикати й вимикати в невагомості й у вакуумі. Циліндр замороженого палива протягом виведення ракети на орбіту, орбітальних маневрів поступово скорочується в довжину – унікальна властивість запропонованої конструкції!  
    Про місце запуску. Запропонована конструкція не потребує спеціальних територій для падіння відпрацьованих ступенів з токсичними компонентами палива як "Протон", позаяк не містить таких компонентів. Чи спеціальних територій як зон безпеки при аварійній роботі ракети-носія як "Falcon", позаяк кожну частину запропонованої конструкції ракети-носія можна безпечно доправити на Землю на керованому парашюті й використати повторно майже на кожному етапу запуску. Заморожений циліндр унітарного палива, основою якого є вода, в аварійних випадках руйнується невеликим вибухом, ударна хвиля якого дробить лід на пил, який не складає небезпеки для об’єктів на Землі. Це ще одна унікальна властивість запропонованої конструкції, що дозволяє запускати ракету-носій навіть з території України.   
    Про вартість. Середньозважена ціна такої суміші 80:20 з вологістю до 5% складає близько $85 за тону, або $0,085 за кг [2].
    Про надійність. Гіпотетичний приклад: ракета-носій 1,5 ступеневої схеми з однотипними рідинними ракетними двигунами й замороженим циліндром унітарного палива, основою якого є вода, виходить на орбіту Землі. Цими ж однотипними двигунами, що від’єднуються по мірі зменшення маси ракети-носія переходить на траєкторію польоту до Місяця. Цими ж однотипними двигунами коригує траекторію й посадку на Місяць. Цими ж однотипними двигунами стартує з Місяця, корегує траекторію на шляху до Землі. Зрозуміло, 


Збірник наукових праць Державного науково-дослідного інституту авіації. 2018. Вип. No 14(21)

що така схема значно надійніша від усіх раніше застосованих з численними різними ступенями, різними паливами, різними окислювачами, й різними двигунами. Доступна для побудови навіть аматорському колективу, наприклад учасникам конкурсу Google Lunar XPRIZE, $30 млн якого так ніхто не зміг отримати й досі, незважаючи на збільшення суми й продовження термінів конкурсу [3].
    Запропонований комерційний підхід до побудови ракети-носія бюджетного класу дозволяє значно здешевити виведення 1 кг корисного навантаження на орбіту Землі.  

ЛІТЕРАТУРА

1. OTRAG Rakete. – [Електронний ресурс] – Режим доступу: https://www.bernd-leitenberger.de/otrag1.shtml.
2. КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТЬ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ. – [Електронний ресурс] – Режим доступу: http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/7576.html.
3. Google Lunar XPRIZE. – [Електронний ресурс] – Режим доступу: https://lunar.xprize.org/.










МЕТА: виводити на 500 км орбіту нано-супутники

ЗАДУМ: створити ракету-носій легкого й бюджетного класу з поширених, дешевих і недефіцитних матеріалів

ОРГАНІЗАЦІЙНА ПОЛІТИКА:
- делегувати повноваження
- щочетверга координуватися
- приймати технічні рішення максимально спрощені, примітизовані
- вважати основою конструкції надійність і прогнозованість

- швидкість втілення проекту й якомога швидше отримання першого прибутку вважати найпершим пріоритетом
- розвивати лише ті проекти, що дозволяють легко масштабувати конструкцію
- з метою дотримання режиму нерозповсюдження ракетних технологій не використовувати компонентів державного виробництва
- спочатку конструкція має довести працездатність на лабораторному столі, а потім поетапно масштабувати конструкцію
- патентувати винаходи конструкторів
- пріоритетом вважати комерційні запуски
- отримати всі 100% офіційні дозволи і ліцензії
- страхувати життя співробітників, обладнання, РН, вантажі
- точно дотримуватися заходів безпеки
- з метою досягнення високої надійності максимально уніфікувати вузли, навіть коштом зменшення технічної досконалості
- максимально використовувати вже готові деталі які можна придбати чи замовити 


ПЛАНИ:

- створити бізнес-план
- створити часовий графік втілення проекту
- провести відбір перспективних схем компонування майбутньої РН
- вибрати 3 - 5 схем для експериментів на лабораторному столі й розрахунків 


наприклад, запуск з борту винищувача або демілітаризованого МіГ-21 який я сам можу пілотувати
http://www.astronaut.ru/bookcase/books/afanasiev3/text/12.htm
пакетна схема
http://aeroabc.blogspot.com/2014/07/blog-post.html
твердопаливний
http://aeroabc.blogspot.com/2014/07/blog-post_26.html
монопаливо
http://aeroabc.blogspot.com/2013/01/blog-post_6324.html
 
- відібрати 1 схему для розроблення виходячи з ресурсів і обраного напрямку розвитку (наприклад,
   

запуск з борту винищувача, послідовність ракетних двигунів від ракет десь така:
- С-24
- Град
- Град
- С-8
- С-5
- РПГ 


або 

самозаймиста пара скипидар+біла азотна кислота, у вигляді гібридника, окислювач постачається витісненням, пакетна схема із необхідної кількості повністю ідентичних модулів)
- масштабуванням конструкції й практичними запусками невеликих моделей довести працездатність схеми
- оформити грант Горизонт-20
- злучати внески приватних інвесторів
- оцінити об'єми та перспективи співробітництва з Південмашем, Українською космічною агенцією тощо
- визначитися з місцем запуску, бажано острів Зміїний


ІДЕАЛЬНА КАРТИНА: отримано всі дозволи, застраховано й запатентовано, створено легку бюджетну РН, що регулярно й безаварійно виводить наносупутники на 500 км орбіту та інші вантажі, є черга замовлень на запуск, конструкція збільшується масшабуванням, щоб збільшити масу супутників до 10, 100 1000 й більше кг, задоволені замовники рекомендують фірму іншим 

СТАТИСТИКИ: 

- кількість успішних експериментів 
- кількість залучених фінансів 
- кількість отриманого прибутку 
- кількість безаварійних успішних запусків
- виведена на орбіту вага

ЦКП ЦІННИЙ КІНЦЕВИЙ ПРОДУКТ: легка й бюджетна РН, що виводить на орбіту нано-супутники та інші вантажі
 
------------------------------------

 План проектування й випробовування ракети-носія «Стожари»

ПЕРШИЙ МІСЯЦЬ
Почати оформлювати потрібні національні й міжнародні дозволи та ліцензії
Систематизувати інформацію про пакетну схему
Зібрати інформацію про постачальників холоднокатаних труб, азотної кислоти, скипидару тощо для гуртових закупівель
Зібрати всі комплектуючі, відібрати найкращі
Укомплектувати й навчити стартову команду нормам техніки безпеки при роботі з кислотою, при запуску ракетного двигуна тощо
Написати технічне завдання на виготовлення трейлера зі стендом для випробовувань ракетних двигунів на полігоні
Закупівля автоцистерен для транспортування і тривалого зберігання кислоти, скипидару, стисненого повітря тощо
Пошук виконавця для розрахунків та продувок в аеродинамічній трубі

ДРУГИЙ МІСЯЦЬ
Виконання науково-дослідних та організаційно-конструкторських робіт
Створення лабораторної моделі ракетного двигуна у прийнятному масштабі для дослідів і прийнятної вартості цих дослідів
Практичні запуски лабораторної моделі ракетного двигуна зі стенду на трейлері на полігоні біля Києва
Оптимізація ракетного двигуна
Паралельне порівняльне випробовування рідинної схеми та гібридної

ТРЕТІЙ МІСЯЦЬ
Зважаючи на набутий досвід, конструювати та виготовити двигун у реальному масштабі
Створити конвеєрну лінію з максимальним рівнем автоматизації виготовлення модулів
Випробовування ракетного двигуна на полігоні біля Києва
Оптимізація ракетного двигуна
Паралельне порівняльне випробовування рідинної схеми та гібридної
Вибір і затвердження схеми рідинної чи гібридної

ЧЕТВЕРТИЙ, П'ЯТИЙ, ШОСТИЙ МІСЯЦІ
Оптимізація конструкції в наземних умовах
Відпрацювання технології заправки компонентами, запуску, розрядки повнорозмірного модуля, з'єднання/роз'єднання модулів
Гарячі випробовування на стенді полігону біля Києва, з'ясування реального питомого імпульсу, корекція розрахунків

ДЕВ'ЯТИЙ, ДЕСЯТИЙ МІСЯЦІ
Завершення отримання потрібних національних дозволів і ліцензій
Створення Центр управління польотами
Тестові польотні випробовування одиночних модулів як геофізичних ракет над Чорним морем
Тестування передавача телеметричної інформації з кількома сотнями каналів
Продовження оптимізації конструкції, пошук оптимального палива, окислювача, тиску тощо
«Заморозити» конструкцію від будь-яких змін
Виготовити на конвеєрній лінії необхідну кількість модулів для подальших польотних випробувань

ОДИНАДЦЯТИЙ, ДВАНАДЦЯТИЙ МІСЯЦІ
Завершення отримання потрібних міжнародних дозволів і ліцензій
Польотні випробовування ракети в мінімальній конфігурації з 22 модулями для виведення 200 кг до прийнятного результату
Відпрацювання скидання головного обтікача
Відпрацювання технології роз'єднання 1, 2, 3 ступенів
Відпрацювання технології багаторазового запуску двигуна в космосі й невагомості
Відпрацювання технології виведення кожного із супутників на свою орбіту
Польотні випробовування повністю зібраної ракети зі 64 модулями й макетом 1 т супутника до прийнятного результату
Відпрацювання технології збирання повністю заправлених модулів на орбіті для польотів на Місяць, Марс, Х-приз тощо
За результатами польотів аналіз та робота над подальшою оптимізацією конструкції та технічних рішень
Будівництво приміщення для зберігання й передстартової підготовки супутників
Обробити заявки на виведення вантажів на орбіту та скласти календарний план-графік запусків
Міжнародний офіс починає приймати передоплату за запуски, проект починає окуповуватися й приносити прибутки


------------------------------------
 Захмарна вартість, колосальна складність, часті аварії, що супроводжуються захмарними втратами відлякують від космонавтики пересічних інвесторів. Прикро, що конструювання ракет-носіїв розвивається шляхом ускладнення й здорожчання.
Основою сучасного рідинного ракетного двигуна є ТНА: турбо-насосний агрегат. Пристрій діаметром пів-метра з прецезійною точністю виготовлення, має потужність середнього корабельного атомного реактора (РН Енергія). Щоб створити тиск у камері згоряння 250 атм, ТНА має створити на вході тиск у 500 атм! Частка металу чи ізоляції руйнує колесо турбіни ТНА.
Двигун вибухає.
А чи можливо зробити простіше, дешевше, безпечніше?
Так! Можливо!
Придумано було ще з півсотні років тому:
http://aeroabc.blogspot.com/2014/07/blog-post.html
Дешево, економно, безпечно.
А якщо конструкцію виконати як гібридник - то ще й удвічі надійніше.
Сучасні ракети-носії, зазвичай, мають послідовну схему розташування ступеней. Плюс бустери пакетною схемою. Тобто триступенева РН за такою схемою має 4 різних конструкцій ракетний двигун плюс баки.
Складно?
Безумовно!
Повністю пакетна схема з 1 конструкції ракетний двигун плюс баки знімає проблему складнощів конструювання. Постачання окислювача витісненням у гібридний ракетний двигун знімає проблему ТНА.
Припустимо, пакетна схема має 64 модулів РД плюс баки. Для гібридної схеми це 64 клапани подавання окислювача до камери згоряння.
64 - це багато чи мало?
Надійна триступенева РН "Союз" має сукупно 32 ракетних двигунів. Гас і рідкий кисень - це вже 64 клапани. А ще додайте клапани для перекису водню, азоту, гелію; вони різної конструкції - від кріогенних для рідкого кисню до високощільних для гелію.
Тому 64 однакових клапани для суто пакетної схеми - це значно надійніше, простіше й дешевше.
Сучасні ракети-носії й досі збирають руками, як Ролс-Ройси.
Конвеєрне виробництво модулів простої конструкції для повністю пакетної схеми дозволяє зробити значний прорив у ракетобудуванні.



------------------------------------
 Початкові конструкторські розрахунки
Відповідно до концепції пакетної схеми
http://aeroabc.blogspot.com/2014/07/blog-post.html
можна зробити початкові розрахунки.
Сталь 1600 Н/мм.
При вартості сталевої труби 60 гнр/м довжина одного модуля 25 м коштує                                                   1500 грн.
Окислювач концентрована червона азотна кислота
1130 кг по 100 грн/кг                                  113000 грн.
Паливо 220 кг скипидар 50 грн                           11000 грн.
                        Отже, один модуль коштує разом 125500 грн.
(Плюс форсунки, сопло, контролери, клапани, перехідники, тощо потрібно полічити додатково).
Для виведення на орбіту 1 тони:
1 ступінь 48 модулів  
2 ступінь 12 модулів  
3 ступінь  4 модулів
    Разом 64 модулів
64 модулів х 125500 грн = 8.032.000 грн.
Прибуток при вартості виведення на орбіту
1 кг 25000$ Х 1000 кг = 25.000.000$ х 27 грн = 675.000.000 грн.

------------------------------------



Для повітряного старту потрібен або власний літак, або орендований. Повітряний старт, крім суто технічних особливостей, виводить на орбіту лише певні конструкції супутників. Нині супутники будують так, що вони можуть витримати перевантаження лише в повздовжньому напрямі. В поперечному - ні. 
Чому? 
Така конструкція дозволяє зменшити міцність і вагу супутника а, отже, здешевити запуск. 
Тому бувають такі ситуації, коли під час запуску конверсійної ракети, наприклад "Сатана" (Р-36М, РС-20А, NАТО — SS-18 Mod.1,2,3 Satan), носій спокійно може пройти потужну струменеву течію на висоті 10 км з відповідними ударними поперечними перевантаженнями, а супутник - ні. 
Запуск переносять.
Тому для повітряного старту підходять лише ті супутники, що сконструйовані витримати як повздовжні, так і поперечні перевантаження. 


----------------------------------

Укроборонпром каталог
http://ukroboronprom.com.ua/uk/ukroboronprom-katalog-produktsiyi-2016-2017
Одна ракета Граду коштує 1000 дол.
Оцінемо приблизно:
 запуск з борту винищувача, послідовність ракетних двигунів від ракет десь така:
- С-24
- Град
- Град
- С-8
- С-5
- РПГ
в сумі до 10000 дол.
Замовити розроблення КБ Янгеля. Десь 100.000 дол.

або

Оцінимо приблизно:
самозаймиста пара скипидар+біла азотна кислота, у вигляді гібридника, окислювач постачається витісненням, пакетна схема із необхідної кількості повністю ідентичних модулів
http://aeroabc.blogspot.com/2014/07/blog-post.html
Труби, рідини. Очевидно, значно дешевше. Та й відпрацювати можна на моделях. Потім масштабувати.




---------------------------------  
питомий імпульс:

кисень-водень 450 
кисень-гас 300 
твердопаливні Аріан-5 271 
гібридний 250
перекис-гас 215 
азотна кислота-гас 200  
піроксиліновий порох 200

карамельне 140 
цинк-сірка 40

------------------------------------------------

Ще жоден аматор не вивів власну ракету на орбіту. В космос (понад 100 км) на карамельному паливі вже літали. А на орбіту - ні. Двигун- основна проблема. 

Нині всі компанії, що виводять на орбіту вантажі, чи готуються виводити, користуються агрегатами, які не купиш у магазині. Та й працюють там ну дуже вже підготовлені фахівці з НАСА чи ще звідкилясь. По-справжньому аматорських конструкцій і досі не створено. 

Під аматорськими я розумію ну наприклад ось що:

http://aeroabc.blogspot.com/2013/01/1.html

Тому поки не буде створено простого, дешевого, надійного, технологічного ракетного двигуна з такими ж компонентами палива, з яким може упоратися й виготовити навіть одна людина із середнього класу, польоти на орбіту залишаться вкрай дорогим і небезпечним задоволенням.

Коментарі

  1. Для початку -дозволи,ліцензії..?
    Ракетна галузь у нас не регламентована від слова ніяк, а відповідно заборонена.
    Полігон під Києвом?... Навіть не смішно, є раетний полігон у Одеській області.
    Для надлегких ракет, нема ринку навантажень, а потенційні аматори грошей не мають.
    Для надлегкої ракети,до 10-20т головне не двигун, а система керування польотом, а це... дуже складно.
    ТНА повинен подавати компоненти тиском більшим, чим у камері на 6-10бар, тиск у камері спирт+р.кисень у німців був 15бар,насос подачі 40л за секунду спирту та 50л р.кисню, тиск на подачі 4бар виході 35бар не така складність(не кажу що елементарно!!!) з гарантованим ресурсом 180-200секунд роботи
    Ви звідки?
    Як взірець ракета Р5(10т спирту,13,5т р.кисню)
    А не дурня ОТРАГ з десятками металевих труб із залишками кіслоти... Що падатимуть з неба.

    ВідповістиВидалити
    Відповіді
    1. В ОТРАГ відсутній ТНА - все подається витісненням. Дозволи-ліцензії - це й справді складно. Системи керування польотом може й не бути як такої. Ось досвід першої японської космічної ракети: http://www.astronaut.ru/bookcase/books/afanasiev3/text/18.htm

      Видалити
    2. Надійність ОТРАГ девайсів через раз, коли під сотню здавалось-би простих модулів.
      Тому невелика модульна ракета можлива, мастодонти у сотні модулів

      Видалити
  2. Аматорська ракетна галузь - не регламентована,відповідно заборонена.
    На військовий полігон не пустять,от просто так.
    Р5 є у Житомирі,музей космонавтики
    ЖРД на бутиловому спирті(майже керосин)+р.кисень южмаш виговити зможе,кб Південне спроектує, якщо верхи дадуть а) доборо б) фінанси 25-50млн долл еквіваленту на все "табуретка" старту, ну і ракета віийде 1,5-2млн не гривень 150-200кг на НОО
    Може й меньше
    У амерів схожа ракета в стільки обішлась "редстоун" PGM11 60років тому

    ВідповістиВидалити
  3. Приблизні розрахунки вище в статті.

    ВідповістиВидалити

Дописати коментар

Популярні публікації

Ошибка выживших

Кмерційна затія Лутца Кайзера

ПРОБЛЕМИ РОБОТИ З НЕГАТИВНИМ ПРОФЕСІЙНИМ ДОСВІДОМ