Ідея проекту.
Спроби створити ракету-носій за межами державного ракетобудування, крім великої вартості, натикаються на низку проблем.
Проблеми в порядку зменшення:
велика вартість
ракетний двигун
компоненти паливо-окислювач
компонування ракети
система управління.
Спроби спростити й 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
https://www.bernd-leitenberger.de/otrag1.shtml
Конструктор Лутц Кайзер вважав, що процес виробництва й експлуатації нинішних ракет вкрай не оптимізовано. Щоб вирішити проблему він уперше запропонував суто комерційні 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 ці суто комерційні принципи, то можна вдосконалити описані вище технічні рішення й вийти на один із запропонованих далі варіантів конструкції ракети-носія “Стандарт”.
Про конструкцію ракети-носія. Пакетна схема з конструктивно стандартних модулів. Постачання палива витісненням газогенератором. Схема дає змогу відпрацювати конструкцію на літаючих моделях малого розміру, масштабувати конструкцію. Важливим аспектом цього є значна економія коштів і ресурсів під час відпрацювання конструкції і льотних випробовувань.
Про пару паливо-окислювач. Дослідженнями встановлено, що деякі продукти азотної промисловості можуть розглядатися як компоненти нових видів унітарних палив. 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
http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/7576.html
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.
ТАБЛИЦЯ
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
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 під час зберігання, безпечна для людини – на рівні розчинів азотних добрив (3-4-й клас небезпеки). Вагомий аргумент на користь унітарного палива.
Про вартість палива. Середньозважена ціна такої суміші 80:20 з вологістю до 5% складає близько $85 за тонну, або $0,085 за кг.
Про вартість конструкції. Стандартні модулі можна виготовляти з дешевих матеріалів, труб сталевих чи полімерних на конвеєрі.
Про ракетний двигун. Низька температура вихлопу й порівняно невеликий тиск дають змогу сформувати тороподібний клиноповітряний ракетний двигун. Виготовити його з доступних і порівняно дешевих матеріалів. Збільшити ефективність двигуна на 20-30%.
Про надійність. Ще на етапі компонування можна передбачити, що що один із модулів може відмовити й додати більше модулів у цю конкретну стартову збірку, щоб компенсувати відмову. Цим досягається висока надійність виконання контракту на запуск при одночасному зменшенні страхових ризиків.
Про прибутки. Запропонований суто комерційний підхід до побудови ракети-носія “Стандарт” дозволяє значно здешевити виведення корисного навантаження на орбіту Землі, збільшити прибуток з одного запуску, збільшити надійність виконання контракту.
Новизна проекту. Чим технологія кількісно або якісно перевершує сучасні підходи, які використовують у цій сфері застосування?
Ще жоден аматор не вивів власну ракету на орбіту. В космос (понад 100 км) на карамельному паливі вже літали. А на орбіту - ні. Двигун і компоненти паливо-окислювач є основною проблемою.
Нині всі компанії, що виводять на орбіту вантажі, чи готуються виводити, користуються агрегатами, які не купиш у магазині. Та й працюють там підготовлені фахівці з НАСА чи з Боїнга, чи з Локхід-Мартін. 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 запропонована технологія якісно перевершує сучасні підходи, адже дає змогу створити простий, дешевий, надійний, технологічний ракетний двигун з такими ж простими, дешевими й екологічними компонентами палива й конструкції.
Стадія розробки технології. На якій стадії розробки знаходиться технологія?
Проведені лабораторні випробування
Як довго команда працюєте над технологією?
Близько 10 років.
Чи потрібна реєстрація, сертифікація і тому подібне інновації, її вартість і терміни?
Так, реєстрація і сертифікація для нашої інновації потрібні в українських структурах, що відповідають за космос.
Вартість близько 2000000 грн.
Термін 1 рік.
Додаткові коментарі:
Ракета-носій “Стандарт” буде працювати (у початковій конфігурації до масштабування) на ринку нано / мікро супутників, який базується на прогнозах SpaceWorks та Євростату, в яких 3 000 супутників від 1 до 50 кг вимагатиме запуску в період 2016-2022. Загальна ринкова вартість в наступному десятилітті оцінюється в 5,3 млрд. $
Аналоги
Конкуренти, товари-замінники, бар'єри входу. Основні прямі конкуренти, їх доля на ринку. Чи зможуть конкуренти скопіювати продукт або бізнес-модель? Якщо так, то наскільки легко це зробити? Наявність на ринку товарів-замінників, чи високі бар'єри входу?
Основний прямий конкурент на початковому етапі розвитку проекту ракети-носія “Стандарт”:
https://uk.wikipedia.org/wiki/Electron_(%D1%80%D0%B0%D0%BA%D0%B5%D1%82%D0%B0-%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%96%D0%B9)
Щойно увійшов у ринок. Виконано один успішний контракт контракт на виведення вантажу на орбіту.
Конкурент на просунутом етапі розвитку проекту ракети-носія “Стандарт” після масштабування:
https://uk.wikipedia.org/wiki/SpaceX
Його доля на ринку майже 50%.
Скопіювати не так просто через інертність і консерватизм мислення тих, хто приймає рішення.
Конкуренція на ринку помірна.
Бар’єр входу відносно високий.
Переваги перед аналогами.
Дуже рентабельно.
Дуже просто.
Дуже дешево.
Висока оперативність виконання контракту на запуск
Можливість конвеєрного виробництва.
Можливість масштабування.
Екологічно.
Вибухобезпечно.
Низькі страхові ризики
Бізнес-модель і плани
Календарний план реалізації проекту.
ФАЗА ОДИН
Почати юридичне оформлення потрібних форм власності, національних і міжнародних дозволів і ліцензій
Виконання науково-дослідних та організаційно-конструкторських робіт
Створення лабораторної моделі ракетного двигуна у прийнятному масштабі для дослідів
Добирання ефективного каталізатора
Добирання оптимального способу ініціювання реакції в камері згоряння
Практичні запуски лабораторної моделі ракетного двигуна зі стенду
Відпрацювання передстартових операцій
1-4 місяці
300000
ФАЗА ДВА
Юридичні консультації стосовно поточного моменту по реєстрації, місць запусків, страхуванні
Аналіз отриманих результатів
Затвердження конструкції ракети-моделі
Відпрацювання запусків ракет-моделей
Оптимізація тороподібного клиноповітряного двигуна
Відпрацювання запусків пакетів ракет-моделей
Відпрацювання запусків пакетів ракет-моделей із розділенням 1 і 2 ступенів
Відпрацювання системи управління
Відпрацювання автоматики під час польоту з аварійним модулем
5-8 місяці
600000
ФАЗА ТРИ
Аналіз отриманих результатів
Юридичні консультації стосовно поточного моменту по реєстрації, місць запусків, страхуванні ризиків
Програма максимум:
Затвердження конструкції повномасштабного модуля
Вогневі випробовування повномасштабного тороподібного клиноповітряного двигуна
Вогневі випробовування повномасштабного модуля
Польотні випробовування системи управління
Програма мінімум:
Успішні запуски й польоти ракет-моделей
Польотні випробовування системи управління
9-12 місяці
1100000
Всього
1 рік
2000000
Ризики проекту й антикризові заходи для їх мінімізації.
Мінімізувати технологічні ризики:
- перевагу надавати технічним рішенням максимально спрощеним, шукати такі рішення
- вважати основою конструкції надійність і прогнозованість
- розвивати лише ті рішення, що дають змогу масштабувати конструкцію
- спочатку конструкція має довести працездатність на лабораторному столі, у вигляді літаючої моделі, а потім поетапно масштабувати конструкцію
Мінімізувати політичні ризики:
- з метою дотримання режиму нерозповсюдження ракетних технологій не використовувати компонентів державного виробництва
- отримати всі 100% офіційні дозволи і ліцензії
- бажано виконувати запуски з території України
https://censor.net.ua/ua/news/3115491/novi_tehnologiyi_dayut_nam_mojlyvist_mriyaty_pro_stvorennya_v_ukrayini_kosmodromu_dlya_zapusku_malyh
- у випадку неврегульованості цього питання запускати з Індії, Норвегії тощо, розглянути варіант морського старту, адже 90% палива є вода
Мінімізувати виробничі ризики:
- страхувати життя співробітників, обладнання, ракети-носія, вантажі
- точно дотримуватися заходів безпеки
- максимально використовувати вже готові деталі які можна придбати чи замовити
- патентувати винаходи конструкторів
Мінімізувати репутаційні ризики:
- поступово входити в ринок
- перші запуски виконати з національними замовниками на кшталт КПІ супутників за порівняно невелику оплату тощо
- з метою досягнення високої надійності максимально уніфікувати вузли, навіть коштом зменшення технічної досконалості
- завжди мати підготовлену резервну ракету-носій
Мінімізувати страхові ризики:
- укласти угоду зі страховою компанію
- надійність вважати пріоритетом технічної досконалості
- використовувати лише перевірені деталі й комплектуючі для чого створити їх запас
Мінімізувати комерційні ризики:
- виконувати взяті на себе зобов’язання
- фінансове планування, бюджетування
- швидкість втілення проекту і якомога швидше отримання першого прибутку вважати найпершим пріоритетом
- при досягненні достатньої капіталізації під час розвитку й зростання проекту варто заснувати свій банк, страхову компанію, космодром для обслуговування потреб проекту
Мінімізувати ризики від рекету, крадіжки бізнесу як кримінальними так і кримінально-державними структурами, вимагання:
- конфіденційно
Чому для відпрацювання ЖРД (хоча б для того щоб просто руку набити) не застосовуються водні розчини селітри?
Аміачна селітра, наприклад, розчиняється в воді в дуже великих кількостях:
Розчинність аміачної селітри (NH4NO3) в воді (H2O) [кг / кг] при температурі [C]
1,19 0
2,12 25
3,46 50
10,24 100
Тримати нагріту до 60 градусів суміш протягом максимум години (час, необхідний для розчинення селітри і заправки і відпрацювання двигуна) - не таке вже й складне завдання.
Розчин 3,5 кг амміачки в 1 кг води (60С) з гасом при стехіометрії при тиску в камері 20 атм і тиску на зрізі сопла 0,5 атм дає питомий імпульс до 1700 м / с.
Для порівняння - чисто гас з амміачкою при стехіометрії і тих же тисках дає питомий імпульс всього до 2150 м / с). Тобто вище 2100 на водних розчинах аміачної селітри в принципі не отримати.
ABOUT COMMERCIAL APPROACHES BEFORE CREATING ROCKET-NOSEI
The possibility of creation of a state class rocket carrier in Ukraine in order to reduce the cost of putting into service orbit of payload is considered.
Key words: carrier rocket, budget class, cost 1 kg of cargo into orbit, monopilot
American SpaceX Company Ilona Mask estimates "services" of the launch vehicle "Falcon 9" (the cost of satellite withdrawal) from $ 62 million. In 2016 and 2017, the US Air Force paid $ 82.7 million and $ 95.6 million for launches of its satellites. And this despite the fact that the protection of satellites and the first degree are reused. Japan launches the world's smallest SS-520 carrier rocket from the Utienaux spaceport. The rocket weighs 2.6 tons, its length is 9.5 meters, and the diameter is 52 cm. The development and launch of the TRICOM 1R satellite weighing only 3 kg and the size of the box for shoes cost $ 3.6 million. The problem of reducing the cost of launch into orbit 1 kg of cargo still remains relevant.
Attempts to reduce the cost of rocket launches were earlier. In 1975 OTRAG was founded ("Orbital Transport and Rockets"). The same rocket carrier packet scheme should consist of unified simple and reliable units made on an automated batch series, which would ensure their low cost. Each module was, in fact, a segment of a steel oil pipe with a diameter of 27 cm, filled either with fuel (kerosene) or an oxidizing agent (nitric acid) under a pressure of up to 40 bar. Supply of fuel by displacement. Individual modules fly a lot and successfully [1]. Designer Lutz Kaiser believed that the process of production and operation of current missiles is not optimized at all. To solve the problem, he proposed the following principles:
reduce costs by already developed technologies;
reduce the cost of developing engines at the expense of small simple structures instead of powerful and, of course, complex and expensive engines;
reduce production costs by simplifying technology and introducing a conveyor;
reduce costs by applying cheap fuel components.
If you apply the above principles, then you can go to one of the following proposed variants of the design of a low-end carrier rocket.
About a couple of fuel-oxidizing agents. Studies have found that some products of the nitrogen industry can be considered as components of new types of unitary fuels [2]. Such substances are a pair of carbamide CO (NH2) 2 as fuel, and ammonium nitrate NH4NO3 as an oxidant. Concentrated aqueous solution of these substances in a stoichiometric proportion (80% ammonium nitrate and 20% carbamide) in the presence of such conditions in a reactor or in a rocket engine: the temperature above 300 ° C, under pressure, in the presence of catalysts, react exothermally with high gas formation and heat scheme:
CO (NH2) 2 + 3NH4NO3 = 8H2O (water vapor) + 4N2 + CO2 + 760 kcal / kg [2]
One kilogram of such a balanced composition of the mixture as a result of the reaction forms 900 liters of a mixture of water vapor, nitrogen, carbon dioxide. In addition, 760 kcal of heat energy is released, which raises the temperature. At release of energy, this pair of substances is close to pyroxylene powder, which has a specific pulse of 200 seconds.
The name of the steam oxidant-fuel
Specific impulse, sec
oxygen + hydrogen 450
oxygen + kerosene 300
hybrid 250
hydrogen peroxide + kerosene 215
nitric acid + kerosene 200
pyroxylene powder 200
ammonium nitrate + urea 200
hydrogen peroxide 160
caramel fuel 140
zinc + sulfur 40
Stoichiometric water-nitrate mixtures due to high liquid phase density can only burn under pressure, but not detonate. In the absence of catalysts under normal conditions such a mixture does not burn, only melts (lights up at 250C) and does not detonate, stable in storage, safe for humans - at the level of solutions of nitrogen fertilizers (3-4th grade of danger) [2]. A weighty argument in favor of unitary fuel.
About the rocket engine. The use of unitary missile fuel, which is based on water and which provides a relatively low combustion temperature, allows us to apply already proven solutions for the construction of turbo pumps, combustion chambers and nozzles: to combine them with the principle of atmospheric turbojet
engine, where, instead of air, water with a solution of a mixture of ammonium nitrate and urea. About the design of the carrier rocket. Do I need to build a multi-stage carrier rocket? Can it be simplified? You can! It is in this design that unitary missile fuel, based on which water, has the opportunity to freeze into a long cylinder. Ice frozen cylinder unitary fuel, the basis of which is water, solid. Maintains all loads during orbit. Such a design does not require tanks for storage of fuel and oxidant or creation of degrees of a carrier rocket. The frozen cylinder is shortened in length and becomes easier with fuel consumption. The optimum here will be a "five-stage" scheme with the same type of engines that are disconnected as the weight of the missile decreases.
It is clear that here is a device for defrosting unitary fuel to a liquid state for feeding a liquid rocket engine.
About the main components of the rocket carrier from top to bottom:
payload
frozen cylinder of unitary fuel, the basis of which is water;
device for defrosting unitary fuel to a liquid state;
a rocket engine based on the principle of atmospheric turbojet, where instead of air water with a solution of a mixture of ammonium nitrate and urea.
Such a liquid rocket motor can be switched on and off many times in weightlessness and in a vacuum. The cylinder of frozen fuel during the launch of the rocket into orbit, orbital maneuvers are gradually reduced in length - a unique feature of the proposed design!
About the launch site. The proposed design does not require special areas for the fall of exhaust gases with toxic components of fuel as "Proton", because it does not contain such components. Whether special areas as safety zones during emergency operation of the launch vehicle are "Falcon", because each part of the proposed design of the carrier rocket can safely be sent to Earth on a controlled parachute and reused at almost every stage of launch. The frozen cylinder of unitary fuel, the basis of which is water, in emergency cases is destroyed by a small explosion, a shock wave which breaks ice into dust, which does not endanger the objects on Earth. This is another unique feature of the proposed design, which allows launching a carrier rocket even from the territory of Ukraine.
About the cost. The weighted average price of such a mixture of 80:20 with a moisture content of up to 5% is about $ 85 per tonne, or $ 0.085 per kg [2].
About reliability. Hypothetical example: 1.5-speed rocket carrier with the same type of liquid rocket motors and a frozen cylinder of unitary fuel, the basis of which is water, goes into Earth's orbit. These same type motors, detachable as the weight of the carrier rocket decreases, passes through the flight path to the moon. These same engine engines correct the trajectory and landing on the moon. These same engine starts from the Moon, adjusts the trajectory on the way to the Earth. Of course,
that such a scheme is much more reliable than all previously used with numerous different stages, different fuels, different oxidants, and various engines. It is also available to build even amateur teams, such as Google Lunar XPRIZE, for $ 30 million, which nobody has ever been able to get, despite increasing the amount and extending the terms of the competition [3].
The proposed commercial approach to the construction of a low-cost carrier rocket allows for a significant reduction in the cost of a 1 kg payload to Earth's orbit.
LITERATURE
1. OTRAG Racket. - [Electronic resource] - Access mode: https://www.bernd-leitenberger.de/otrag1.shtml.
2. COMPETITIVENESS OF MOTOR FUELS. - [Electronic resource] - Access mode: http://www.sciteclibrary.ru/eng/catalog/pages/7576.html.
3. Google Lunar XPRIZE. - [Electronic resource] - Access mode: https://lunar.xprize.org/.
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 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
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
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,
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.
