Две сотни долларов за килограмм - цена доставки сырья в ОКВП «Орбитрон»
Предварительная оценка параметров суборбитальной части системы доставки топливных и конструкционных материалов на орбитальный КА (ОКВП «Орбитрон»)
Суборбитальные ракеты (СР) - часть системы ОКВП «Орбитрон». СР - это ракеты многоразового применения. Расчитаны на запуски до восьми раз в сутки. Корпус имеет теплозащитное покрытие, обеспечивающее защиту конструкции ракеты при ее вхождении в плотные слои атмосферы с суборбитальной скоростью на нисходящей ветви траектории полета (температура внешней оболочки ракеты в полете 1000 К). Как вариант используется корпус СР, изготовленный из жаростойких сплавов для авиационных двигателей (например, аналогов сплава "Инконель 718", который применялся как обшивочный материал для сверхзвуковых самолётов). Имеется (при необходимости) термоизоляция баков топлива, в вариантах использования топлива с криогенными компонентами.
Система подачи топлива вытеснительная. Давление в камере сгорания 21 бар, в топливных баках до 25 бар. Таким образом, устраняется турбонасосная система подачи топлива - главный источник отказов и высокой стоимости ракетных двигателей.
Двигатели с радиационным охлаждением, дополненным завесным охлаждением стенок камеры, с температурой конструкции в пределах 1100-1300 К (так называемые «холодные двигатели»). В указанных температурных пределах срок службы камеры сгорания и сопла повышается до 10 тыс. часов, как у авиационных двигателей.
Ракета имеет деление на ступени (две или три) для уменьшения скорости возвращения основной массы конструкции в виде первой ступени. Посадка ступеней: предпочтительно с использованием собственных ракетных двигателей и/или с применением парашютов при управляемом спуске.
Высота подъема СР - 380 и 310 км. Ресурс двигателей - 1 тыс. часов (60 тыс. минут) при времени работы 1 минута во время старта. Ресурс СР - минимум 1000 пусков. Топливо: монотопливо типа пероксида водорода и гидразина или бинарное топливо, например, кислород и метан, с таким избытком метана, который обеспечивает понижение температуры двигателя до температуры ниже 1300 К. Предполагаемый удельный импульс 1900 м/с в атмосфере и 2300 м/с в вакууме.
Грузоподъемность СР первого поколения - 10 кг, второго поколения - 100 кг. Цена доставки груза на ОКВП «Орбитрон» - 200 долл./кг на первом этапе, 20-30 долл./кг на втором этапе (см. расчеты ниже).
Заправочно-пусковой комплекс ракеты мобильный, что связано с её малой стартовой массой - 1000 кг. Ракета приспособлена к транспортировке в стандартном 40-футовом контейнере. В стартовый комплекс входит установка по выделению кислорода из воздуха. Цистерна с горючим содержит запас на 80 пусков - 36 тонн. Компоненты топлива - кислород и метан (с избытком). Выгода метана определяется массой его молекулы СН4, которая легче молекул воды и аммиака в альтернативных разбавителях горючего.
На третьей ступени может использоваться монотопливо (гидразин) с удельным импульсом 2300 м/с или бинарное топливо на основе аммиака и высококипящего окислителя с таким же у.и. Система подачи - вытеснительная, рабочий газ - водород для метана и гелий для кислорода. Как вариант в качестве газа наддува используются газовые фазы кислорода и метана, возгоняемые пиропатронами из основной массы жидкого топлива и передающие давление жидкой фазе через поршни с термоизоляцией.
СР второго поколения в качестве горючего вместо метана будет использовать пропан и/или бутан в стехиометрической пропорции с кислородом. Здесь разбавителем топлива станет не избыток горючего, а вода. Жидкий кислород будет заменен пероскидом водорода низкой концентрации. Дополнительно используется выпрыск воды в камеру сгорания для создания завесного охлаждения стенок и прогон воды через рубашку охлаждения. Стартовый комплекс будет оснащен мобильной установкой по производству пероксида водорода. Применение керосина по экологическим и технологическим причинам не предусматривается. Ресурс по запускам - 6000 запусков.
Стоимость СР - 0,5 млн. долл. Стоимость мобильного заправочно-пускового комплекса - 0,5 млн. долл. Итого 1 млн. долл. за комплекс. Количество запусков - 1000.
Масса трехступенчатой СР - 1000 кг. Масса ПГ - 10 кг. Масса топлива «кислород+метан» (с большим избытком метана*) - 612 кг, в т.ч. метан 428 кг (70%), кислород 184 кг (30%). Распределение топлива по ступеням: 1-я ст. - 468 кг, 2-я ст. - 121 кг, 3-я ст. - 23 кг Масса топлива для посадки не учитывается. Сухая масса - 378 кг, в т.ч. 1-я ст. - 234 кг, 2-я ст. - 121 кг, 3-я ст. - 23 кг.
Удельные затраты топлива - 61 кг на 1 кг груза. Стоимость топлива, включая работу по заправке и обслуживанию СР - 600 долл./пуск. Амортизация комплекса на каждый пуск: 1 млн. долл./1000 пусков = 1000 долл./пуск. Прочие расходы - 400 долл./пуск. Всего стоимость пуска - 2000 долл. Удельная стоимость доставки полезной нагрузки массой 10 кг: 2000 долл./10 кг = 200 долл./кг.
Максимальная высота подъема РН - 380 км (апогейный участок полета ОКВП).
Минимальная высота подъема РН - 310 км (перигейный участок полета ОКВП).
При заданных апогее и перигее ОКВП захватывает 10 кг вещества в верхней точке и еще 10 кг в нижней точке, т.е. за один оборот поступление массы равно 20 кг. При расходе 10 кг полученного вещества в качестве рабочего тела ЭРД (у.и. равен 16000 м/с) для подъема по спирали с круговой орбиты высотой 310 км на круговую орбиту высотой 380 км, за один оборот, итоговое накопление вещества в среднем составляет 5 кг на один оборот ОКВП. За один год возможное количество рабочих оборотов составит 5000-5800, что даёт грузопоток в 25-29 тонн в год при собственной массе ОКВП равной 3,857 тонн.
При других параметрах орбиты масса меняется на большее или меньшее значение, например, при высотах равных 380 км и 345 км масса ОКВП должна быть равна 7,718 тоннам, а для орбит с высотами 380 км и 293 км масса ОКВП равна 3,091 тонне.
---------
*) - Стехиометрический состав горючей смеси «кислород-метан» имеет отношение 4:1, но здесь другая пропорция - 0,444:1.
На защиту проекта 20 декабря желательно предоставить макет прототипа. Может у кого есть в запасе выставочный макет суборбитальной РН?
UPD. Размещение стартовых установок.
Есть два предельных варианта размещения стартовых площадок: по экватору в плоскости экваториальной орбиты и в зонах близких к полюсам планеты, для обслуживания коллектора на солнечно-синхронной орбите. Предпочтительным является вариант экваториального размещения.
Вдоль линии экватора следует расположить две пусковые установки. Одна из них может быть размещена на суше в Южной Америке, а вторая в Малайзии или Индонезии, или скорее всего в океане на судне с небольшим водоизмещением (около 100 тонн). Одна установка обеспечивает подачу груза в коллектор на высоте равной апогейной, вторая на перигейной. Установки расположены на противоположных сторонах Земли, но не симметрично, а со смещением относительно оси симметрии приблизительно на 1300 км следствии смещения из-за вращения планеты относительно апогея и перигея. Для варианта с полуторачасовым периодом обращения коллектора, взятым для примера, интервал между захватами грузов от первой и второй пусковой установки равен 45 минутам, а интервал между нижней точкой и высшей спиральной траектории, после которой начинается новый цикл, равен 135 минутам. Всего 180 минут или 3 часа. За этот период, после возвращения коллектора в исходную точку, стартовая площадка сместилась приблизительно на 5000 км по ходу движения коллектора и ему нужно догнать её. Площадка движется со скорость 0,465 км/с, а коллектор около 7,75 км/с и в итоге минут через 12 коллектор оказывается над пусковой установкой и производится подача и захват груза. Потери времени на этот маневр за год составляют порядка 70 часов (0,008%), что не сказывается на эффективности работы системы.
Если изучение детальной карты океана не приведет к обнаружению удобных участков земли, подходящих для базирования второй пусковой установки (в том числе по налоговым и политическим аспектам), то подойдут водные участки, при наличии близких островов, которые могут использоваться как база, а пусковая установка тогда может периодически выдвигаться на позицию при помощи небольшой летающей лодки. При небольших расстояниях может подойти обычное судно, а при средних - скоростное судно на подводных крыльях..
Орбитальный коллектор вещества
При указанной массе коллектора в диапазоне от 3 до 4 тонн, стоимость его изготовления и вывода на орбиту составит 40 млн. долл. Рабочий ресурс - 8 лет. Годовой грузопоток - 25 тонн, за все время работы - 200 тонн. Половину захваченного вещества используют в качестве рабочего тела бортовых ЭРД с удельным импульсом ~16000 м/с, а оставшиеся 100 тонн представляют собой груз в виде топливных и конструкционных материалов (для орбитальных заправочных станций и КА с 3D-принтерами). Соответственно, на борту цена груза удваивается и вместо 200 долл./кг поднимается до 400 долл./кг. Амортизация коллектора даёт ещё 400 долл./кг. Итоговая цена равна 800 долл./кг, без учета дисконтирования. Это результат для экспериментального варианта системы. Промышленный вариант даст суммы на уровне 100-300 долл./кг.
В составе оборудования коллектора есть автономная платформа с набором принтеров объемной печати, использующих как металлическое, так и пластмассовое сырьё. При умеренном энергопотреблении уже действующие образцы за год могут формировать изделия из металла с совокупной массой несколько тонн.
Предусмотрено использование этой группы 3D-принтеров для изготовления деталей корпуса и целых агрегатов орбитального коллектора. Предварительные расчеты показывают, что средняя цена формируемых изделий может быть около 1000 долл./кг. С учетом цены доставки сырья с Земли, стоимость основной группы комплектующих для коллектора будет 1800-2000 долл./кг. Таким образом, копия коллектора, созданная на орбите, будет в 5 раз дешевле оригинала. Считая, что первый год работы уходит на создание второго коллектора, который начинает работу во втором году, совместно с первым коллектором, получаем, что во втором году грузопоток поднимается до 50 тонн, причем цена у второго коллектора снижается до 480 долл./кг или до 640 долл./кг для обоих коллекторов.
Многие из действующих 3D-принтеров освоили процедуру создания своих копий для большей части комплектующих. Применение этого принципа к космическому принтеру при орбитальном коллекторе, обеспечивает удвоение системы каждый год или чаще. Таким образом, в первый год на орбите функционирует один коллектор с чистым грузопотоком 12,5 тонн, во второй года два коллектора с чистым грузопотоком 25 тонн, в третий год четыре коллектора с грузопотоком 50 тонн и так далее. К концу восьмого года на орбите находится 128 коллекторов с общим грузопотоком в 1600 тонн. К этому времени цена вывода грузов на орбиту упадет до 200 долл./кг, а при модернизации суборбитальной части снизится до 20-30 долл./кг.
Суборбитальные ракеты (СР) - часть системы ОКВП «Орбитрон». СР - это ракеты многоразового применения. Расчитаны на запуски до восьми раз в сутки. Корпус имеет теплозащитное покрытие, обеспечивающее защиту конструкции ракеты при ее вхождении в плотные слои атмосферы с суборбитальной скоростью на нисходящей ветви траектории полета (температура внешней оболочки ракеты в полете 1000 К). Как вариант используется корпус СР, изготовленный из жаростойких сплавов для авиационных двигателей (например, аналогов сплава "Инконель 718", который применялся как обшивочный материал для сверхзвуковых самолётов). Имеется (при необходимости) термоизоляция баков топлива, в вариантах использования топлива с криогенными компонентами.
Система подачи топлива вытеснительная. Давление в камере сгорания 21 бар, в топливных баках до 25 бар. Таким образом, устраняется турбонасосная система подачи топлива - главный источник отказов и высокой стоимости ракетных двигателей.
Двигатели с радиационным охлаждением, дополненным завесным охлаждением стенок камеры, с температурой конструкции в пределах 1100-1300 К (так называемые «холодные двигатели»). В указанных температурных пределах срок службы камеры сгорания и сопла повышается до 10 тыс. часов, как у авиационных двигателей.
Ракета имеет деление на ступени (две или три) для уменьшения скорости возвращения основной массы конструкции в виде первой ступени. Посадка ступеней: предпочтительно с использованием собственных ракетных двигателей и/или с применением парашютов при управляемом спуске.
Высота подъема СР - 380 и 310 км. Ресурс двигателей - 1 тыс. часов (60 тыс. минут) при времени работы 1 минута во время старта. Ресурс СР - минимум 1000 пусков. Топливо: монотопливо типа пероксида водорода и гидразина или бинарное топливо, например, кислород и метан, с таким избытком метана, который обеспечивает понижение температуры двигателя до температуры ниже 1300 К. Предполагаемый удельный импульс 1900 м/с в атмосфере и 2300 м/с в вакууме.
Грузоподъемность СР первого поколения - 10 кг, второго поколения - 100 кг. Цена доставки груза на ОКВП «Орбитрон» - 200 долл./кг на первом этапе, 20-30 долл./кг на втором этапе (см. расчеты ниже).
Заправочно-пусковой комплекс ракеты мобильный, что связано с её малой стартовой массой - 1000 кг. Ракета приспособлена к транспортировке в стандартном 40-футовом контейнере. В стартовый комплекс входит установка по выделению кислорода из воздуха. Цистерна с горючим содержит запас на 80 пусков - 36 тонн. Компоненты топлива - кислород и метан (с избытком). Выгода метана определяется массой его молекулы СН4, которая легче молекул воды и аммиака в альтернативных разбавителях горючего.
На третьей ступени может использоваться монотопливо (гидразин) с удельным импульсом 2300 м/с или бинарное топливо на основе аммиака и высококипящего окислителя с таким же у.и. Система подачи - вытеснительная, рабочий газ - водород для метана и гелий для кислорода. Как вариант в качестве газа наддува используются газовые фазы кислорода и метана, возгоняемые пиропатронами из основной массы жидкого топлива и передающие давление жидкой фазе через поршни с термоизоляцией.
СР второго поколения в качестве горючего вместо метана будет использовать пропан и/или бутан в стехиометрической пропорции с кислородом. Здесь разбавителем топлива станет не избыток горючего, а вода. Жидкий кислород будет заменен пероскидом водорода низкой концентрации. Дополнительно используется выпрыск воды в камеру сгорания для создания завесного охлаждения стенок и прогон воды через рубашку охлаждения. Стартовый комплекс будет оснащен мобильной установкой по производству пероксида водорода. Применение керосина по экологическим и технологическим причинам не предусматривается. Ресурс по запускам - 6000 запусков.
Стоимость СР - 0,5 млн. долл. Стоимость мобильного заправочно-пускового комплекса - 0,5 млн. долл. Итого 1 млн. долл. за комплекс. Количество запусков - 1000.
Масса трехступенчатой СР - 1000 кг. Масса ПГ - 10 кг. Масса топлива «кислород+метан» (с большим избытком метана*) - 612 кг, в т.ч. метан 428 кг (70%), кислород 184 кг (30%). Распределение топлива по ступеням: 1-я ст. - 468 кг, 2-я ст. - 121 кг, 3-я ст. - 23 кг Масса топлива для посадки не учитывается. Сухая масса - 378 кг, в т.ч. 1-я ст. - 234 кг, 2-я ст. - 121 кг, 3-я ст. - 23 кг.
Удельные затраты топлива - 61 кг на 1 кг груза. Стоимость топлива, включая работу по заправке и обслуживанию СР - 600 долл./пуск. Амортизация комплекса на каждый пуск: 1 млн. долл./1000 пусков = 1000 долл./пуск. Прочие расходы - 400 долл./пуск. Всего стоимость пуска - 2000 долл. Удельная стоимость доставки полезной нагрузки массой 10 кг: 2000 долл./10 кг = 200 долл./кг.
Максимальная высота подъема РН - 380 км (апогейный участок полета ОКВП).
Минимальная высота подъема РН - 310 км (перигейный участок полета ОКВП).
При заданных апогее и перигее ОКВП захватывает 10 кг вещества в верхней точке и еще 10 кг в нижней точке, т.е. за один оборот поступление массы равно 20 кг. При расходе 10 кг полученного вещества в качестве рабочего тела ЭРД (у.и. равен 16000 м/с) для подъема по спирали с круговой орбиты высотой 310 км на круговую орбиту высотой 380 км, за один оборот, итоговое накопление вещества в среднем составляет 5 кг на один оборот ОКВП. За один год возможное количество рабочих оборотов составит 5000-5800, что даёт грузопоток в 25-29 тонн в год при собственной массе ОКВП равной 3,857 тонн.
При других параметрах орбиты масса меняется на большее или меньшее значение, например, при высотах равных 380 км и 345 км масса ОКВП должна быть равна 7,718 тоннам, а для орбит с высотами 380 км и 293 км масса ОКВП равна 3,091 тонне.
---------
*) - Стехиометрический состав горючей смеси «кислород-метан» имеет отношение 4:1, но здесь другая пропорция - 0,444:1.
На защиту проекта 20 декабря желательно предоставить макет прототипа. Может у кого есть в запасе выставочный макет суборбитальной РН?
UPD. Размещение стартовых установок.
Есть два предельных варианта размещения стартовых площадок: по экватору в плоскости экваториальной орбиты и в зонах близких к полюсам планеты, для обслуживания коллектора на солнечно-синхронной орбите. Предпочтительным является вариант экваториального размещения.
Вдоль линии экватора следует расположить две пусковые установки. Одна из них может быть размещена на суше в Южной Америке, а вторая в Малайзии или Индонезии, или скорее всего в океане на судне с небольшим водоизмещением (около 100 тонн). Одна установка обеспечивает подачу груза в коллектор на высоте равной апогейной, вторая на перигейной. Установки расположены на противоположных сторонах Земли, но не симметрично, а со смещением относительно оси симметрии приблизительно на 1300 км следствии смещения из-за вращения планеты относительно апогея и перигея. Для варианта с полуторачасовым периодом обращения коллектора, взятым для примера, интервал между захватами грузов от первой и второй пусковой установки равен 45 минутам, а интервал между нижней точкой и высшей спиральной траектории, после которой начинается новый цикл, равен 135 минутам. Всего 180 минут или 3 часа. За этот период, после возвращения коллектора в исходную точку, стартовая площадка сместилась приблизительно на 5000 км по ходу движения коллектора и ему нужно догнать её. Площадка движется со скорость 0,465 км/с, а коллектор около 7,75 км/с и в итоге минут через 12 коллектор оказывается над пусковой установкой и производится подача и захват груза. Потери времени на этот маневр за год составляют порядка 70 часов (0,008%), что не сказывается на эффективности работы системы.
Если изучение детальной карты океана не приведет к обнаружению удобных участков земли, подходящих для базирования второй пусковой установки (в том числе по налоговым и политическим аспектам), то подойдут водные участки, при наличии близких островов, которые могут использоваться как база, а пусковая установка тогда может периодически выдвигаться на позицию при помощи небольшой летающей лодки. При небольших расстояниях может подойти обычное судно, а при средних - скоростное судно на подводных крыльях..
Орбитальный коллектор вещества
При указанной массе коллектора в диапазоне от 3 до 4 тонн, стоимость его изготовления и вывода на орбиту составит 40 млн. долл. Рабочий ресурс - 8 лет. Годовой грузопоток - 25 тонн, за все время работы - 200 тонн. Половину захваченного вещества используют в качестве рабочего тела бортовых ЭРД с удельным импульсом ~16000 м/с, а оставшиеся 100 тонн представляют собой груз в виде топливных и конструкционных материалов (для орбитальных заправочных станций и КА с 3D-принтерами). Соответственно, на борту цена груза удваивается и вместо 200 долл./кг поднимается до 400 долл./кг. Амортизация коллектора даёт ещё 400 долл./кг. Итоговая цена равна 800 долл./кг, без учета дисконтирования. Это результат для экспериментального варианта системы. Промышленный вариант даст суммы на уровне 100-300 долл./кг.
В составе оборудования коллектора есть автономная платформа с набором принтеров объемной печати, использующих как металлическое, так и пластмассовое сырьё. При умеренном энергопотреблении уже действующие образцы за год могут формировать изделия из металла с совокупной массой несколько тонн.
Предусмотрено использование этой группы 3D-принтеров для изготовления деталей корпуса и целых агрегатов орбитального коллектора. Предварительные расчеты показывают, что средняя цена формируемых изделий может быть около 1000 долл./кг. С учетом цены доставки сырья с Земли, стоимость основной группы комплектующих для коллектора будет 1800-2000 долл./кг. Таким образом, копия коллектора, созданная на орбите, будет в 5 раз дешевле оригинала. Считая, что первый год работы уходит на создание второго коллектора, который начинает работу во втором году, совместно с первым коллектором, получаем, что во втором году грузопоток поднимается до 50 тонн, причем цена у второго коллектора снижается до 480 долл./кг или до 640 долл./кг для обоих коллекторов.
Многие из действующих 3D-принтеров освоили процедуру создания своих копий для большей части комплектующих. Применение этого принципа к космическому принтеру при орбитальном коллекторе, обеспечивает удвоение системы каждый год или чаще. Таким образом, в первый год на орбите функционирует один коллектор с чистым грузопотоком 12,5 тонн, во второй года два коллектора с чистым грузопотоком 25 тонн, в третий год четыре коллектора с грузопотоком 50 тонн и так далее. К концу восьмого года на орбите находится 128 коллекторов с общим грузопотоком в 1600 тонн. К этому времени цена вывода грузов на орбиту упадет до 200 долл./кг, а при модернизации суборбитальной части снизится до 20-30 долл./кг.