Способ малозатратной доставки грузов в космос Проект «Орбитрон» Александр Майборода Компания AVANTA Consulting

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

5 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.

Решение проблемы Прототипом является проект, запатентованный в США (US & US ), но не реализованный из-за чрезмерно большой массы КТС – тонн.

Решение проблемы Нам удалось найти решение, которое сокращает массу американского прототипа до реальных значений.

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 перед орбитальным коллектором. В результате ударного столкновения внутри коллектора, они разгоняются до скорости равной скорости коллектора. После восстановления запаса кинетической энергии, коллектор снова принимает новую порцию груза.

ОКВ «Орбитрон» От американского прототипа 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 тонн до 1-4 тонн.

ОКВ «Орбитрон» Базовая модель «Планета-Орбита» для Земли Базовая модель «Планета-Орбита» для Луны

ОКВ «Орбитрон» Дополнительная модель «Орбита-Орбита»

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 – 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 – 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 тыс. долл./кг до 180 долл./кг.

Безракетная система «Атмосфера-Орбита» Система двух коллекторов на преградной (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 – кг. Рабочий ресурс – 5 лет. Стоимость пары орбитальных коллекторов – 36 млн. долл. Удельная себестоимость накопления кислорода и азота из атмосферы – 500 долл./кг.

Безракетная система «Атмосфера-Орбита»

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 – 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 каптоновые трубки 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 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 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 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 – The Bullet Catcher или пылеулавливатель. 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 м/с. Для защиты от нештатных столкновений служит бронеэкран (Armor Screen), выполненный из материалов, в которых скорость звука находится в диапазоне от до 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.

Патенты Method and system for delivering cargoes into space. US B2. Status: Grant of patent is intended Method for delivering cargoes into space and a system for implementation of same. EP Status: Grant of patent is intended (Great Britain, Germany, France). Способ доставки грузов в космос и система его осуществления. Патент России RU Способ доставки грузов в космос и система его осуществления. Патент ЕАПО Спосіб доставки вантажів в космос і система його здійснення. Патент Украины Способ энергообеспечения космических аппаратов-накопителей. Патент России RU Energy supply method for spacecrafts-accumulators. Патентная заявка US 2013/ A1 Method and system for feeding jet engines. Патентная заявка US 2014/ A1

Патенты

Маркетинг и продажи

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 Mitsubishi Corp. Shimizu Corp. ЦНИИмаш (орбитальный КА-накопитель воздуха и бескаркасные СБ)ЦНИИмаш (орбитальный КА-накопитель воздуха и бескаркасные СБ) ИКИ РАН (математические модели КТС)ИКИ РАН (математические модели КТС) ОИВТ РАН (математические модели ударных процессов)ОИВТ РАН (математические модели ударных процессов) ИФП СО РАН и РКК «Энергия» (технологический модуль ОКА-Т)ИФП СО РАН и РКК «Энергия» (технологический модуль ОКА-Т) МГТУ им. Н.Э.Баумана (тросовый электродвигатель ЭДТС)МГТУ им. Н.Э.Баумана (тросовый электродвигатель ЭДТС) ГКНПЦ имени Хруничева (суборбитальный демонстратор МРКС-1)ГКНПЦ имени Хруничева (суборбитальный демонстратор МРКС-1) КБХА (термо-химический имитатор ЯРД)КБХА (термо-химический имитатор ЯРД) ГНЦ ФГУП "Центр Келдыша" (теплообменная водородная ДУ СТРД)ГНЦ ФГУП "Центр Келдыша" (теплообменная водородная ДУ СТРД) Компания «Лин Индастриал» (суборбитальные мини-РН)Компания «Лин Индастриал» (суборбитальные мини-РН)

37 Команда Идеолог проекта: Александр Майборода Идеолог проекта: Александр Майборода Менеджер проекта: Владимир Мигель Менеджер проекта: Владимир Мигель Главные специалисты: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».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».

Команда

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= 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) ; +7 (863) Mail: Сайт: Спасибо за внимание! Вопросы?

Приложение