Американский писатель Ральф Уолдо Эмерсон однажды патетично заметил: «Изобретения питают изобретения». Справедливость этой формулы подтверждалась уже тысячи раз — как только светлые умы собираются вместе, их наработки приходят во взаимодействие. Не нарушил такого правила и космический хакатон Space Valley в Днепре. Несмотря на скромное количество участников, ивенту, прошедшему в начале октября в стенах Национального центра аэрокосмического образования молодежи, удалось раскрыть несколько перспективных идей. Об их коммерческой жизнеспособности говорить рано, но присмотреться к задумкам точно стоит.
В космос — на воздушном шаре
Первая презентация космохакатона была от команды Space Cossacks. Они делают ставку на индустрию малых космических спутников. Из-за отсутствия места на больших и дорогостоящих пусках, эта область переживает непростой экономический вызов — спрос многократно превышает предложение.
Согласно их оценкам, в 2015 году простои в очереди на пуски обошлись в $7 млрд недополученной прибыли. Очевидно, что со временем сумма будет только возрастать — количество организаций и пригодных для старта площадок жестко ограничено. Ситуацию усложняет и длительный переговорный процесс (от 6 до 22 месяцев), а также высокая стоимость на 1 кг полезного груза.
Участники Space Cossacks намерены решить эту проблему, пойдя по пути миниатюризации не только спутников, но и ракеты-носителя. Для вывода так называемых фемто- (10-100 г.), пико- (0,1-1 кг.) и наноспутников (1-10 кг.) на низкую орбиту Земли планируется использовать систему воздушного старта, состоящую из аэростата с закрепленной на нем пусковой платформой и коптером. Наполненный гелием шар должен преодолеть высоту в 30 км, после чего состоится запуск ракеты, реактивная струя которой будет бить в специально подготовленную площадку.
Александр Лозин, участник Space cossacks
Пока что тестовые прототипы создавались с учетом вывода до 5 кг полезного груза — но при наличии финансирования Space Cossacks говорят о возможности создавать комплексы со 100 кг на борту. При этом, в духе последних разработок Илона Маска, их система сможет использоваться повторно — именно для этого в конструкции предусмотрен квадрокоптер. По задумке изобретателей, дрон сможет корректировать полет при подъеме на высоту. После того, как гелиевый шар лопнет из-за высокого давления, коптер вновь запустится и доставит платформу к месту запуска в целости и сохранности.
У такого подхода к выводу малогабаритных спутников несколько преимуществ перед обычными стартами. Во-первых, требуется несоизмеримо меньшее количество ресурсов — в планах довести цену на вывод до смехотворных $999/кг. Для сравнения, сейчас рыночный показатель закреплен на отметке в $21 000/кг. Во-вторых, безопасность и миниатюрность позволяют проводить пуски практически из любой точки мира, и в любое время. Гораздо меньшие требования установлены и к погодным условиям.
Как говорит участник Space Cossacks Александр Лозин, сейчас у проекта есть несколько вызовов. Главный — поиск надежных источников финансирования, а также партнеров для изготовления опытных прототипов. Все вложенные на данный момент средства (около 300,000 грн) — это деньги самих участников проекта. Их недостаточно для закупки дорогостоящих материалов.
Ключевая позиция расходной части: обшивка гелиевого аэростата. Этот газ, несмотря на относительную дороговизну, используется из соображений безопасности — он не взрывоопасен, в отличие от более доступного водорода. Однако у гелия есть проблема — он легко диффузирует и проникает через молекулярную структуру обычной обшивки. Требуется покрывать её специальными металлическими компонентами, а также использовать дорогостоящую технологию сварки. В Украине ресурсы и оборудование для подобной работы найти практически невозможно. Кроме того, отечественные предприятия неохотно идут на кооперацию — при попытке договориться с Южмашем о сотрудничестве Space Cossacks получили отказ.
На пути реализации стоят и другие преграды. Проект уже выходил в финал Vernadsky Challenge 2017 — но идею назвали непригодной для коммерческого воплощения. Причина кроется якобы в том, что при возможности таких частых запусков, на низкой орбите появится слишком много космического мусора. По мнению участников Space Cossacks, это надуманное опасение. Сейчас они рассчитывают на поддержку польского правительства, общаются с заинтересованными лицами из военной промышленности и продолжают поиск инвесторов. По словам Space Cossacks, для запуска полноценных прототипов и доработки технологий им требуется около $50 000 на год.
Коптер и аэростат в качестве опоры космического туризма
Брейншторм концепции “Zeppidrone”
В рамках хакатона Space Cossacks получили шанс запустить побочный продукт. Концептуальную разработку, придуманную в ходе анализа существующих идей, назвали “Zeppidrone”. По задумке создателей, это аэростат в форме тороида (или проще говоря — бублика). Его планируют закрепить на раму восьмимоторного коптера, грузоподъемность которого должна составлять до 200 кг.
Конструкция призвана подниматься на высоту до 30 км, а среди ориентировочных задач называются туристические и научно-исследовательские цели. По предварительным оценкам, создание дебютного прототипа обойдется в $75 000.
Как считает сооснователь космического инкубатора Space hub Макс Ткаченко, такой проект имеет реальные коммерческие перспективы и полагается на широкий спрос в данной отрасли. Space Cossacks уже приступили к визуализации и первоначальным расчетам.
Максим Ткаченко, основатель инкубатора Space Hub, организатор хакатона Space Valley Hackathon
Долой гелий!
Вторым резидентом хакатона Space Valley стала команда, разрабатывающая упрощенную систему подачи газа для ракетных установок.
Вместо применения баллонов с гелием, использование и хранение которых существенно снижает эффективность пусков, изобретатель Константин Корячко предлагает заменить их газогенератором. Причины для подобных конструкторских решений есть. Гелиевые баллоны давно стали стандартным способом наддува баков с жидким водородом, но их безопасность сомнительна.
За последнее время сразу несколько пусков были отменены из-за неполадок в системе подачи или хранения этого газа. Например, 17 апреля 2014 года корабль Dragon не полетел на МКС из-за утечки гелия в первой ступени ракеты-носителя Falcon 9. Двумя месяцами позже из-за резкого падения давления в баллоне наддува газового демпфера отменили дебютный пуск ракеты «Ангара», на разработку которой ушло 18 лет. Наконец, в сентябре 2016-го SpaceX потеряла Falcon 9 и закрепленный на ней спутник из-за ошибки в конструировании гелиевых систем.
Расходы на обслуживание жидкостных ракетных двигателей с вытеснительной системой на основе гелия тоже неоправданно высоки. Для примера Константин приводит ситуацию с космодромами для ракеты-носителя «Зенит». Под землей находятся специальная система для доставки газа, состоящая из 1266 баллонов высокого давления, каждый объемом 500 л. Конструкция также приводится в работу 3000 единиц пневмоаппаратуры, а общая протяженность трубопроводов составляет десятки километров. Помимо дороговизны установки, подобная система требует постоянного контроля и проверки ответственными лицами, что сказывается на стоимости запусков.
Константин Корячко, участник Space Valley Hackathon
По мнению Константина, в конструкции ракеты стоит заменить баллоны на газогенераторы. Тогда освободится полезное место, а также снизится масса аппарата — ключевой показатель при расчете итоговой цены. Реализация идеи позволит отказаться от хранения запасов гелия на борту. Достаточно будет сжигать топливо и приводить наддув в работу при помощи газовых выбросов. Константин уточняет, что с такой конструкцией незначительно возрастает риск возгорания — при попадании газа от сгоревшего топлива обратно в баки. Но по мнению изобретателя, расчеты показали минимальную вероятность возникновения экстренной ситуации. К плюсам он относит высокую экономическую рентабельность системы с применением газогенераторов: общая стоимость пуска может сократиться на треть вне зависимости от массы ракеты-носителя.
Команда Констатина на хакатоне состояла из четырех человек, в нее также входили Павел Алимов, Владислав Ширтанов и Михаил Васин. Итоговое название их проекта — Engine Mover. Удалось обсудить и примерные затраты на тестирование идеи. Испытания газовозвратной система давления в топливных баках на стенде для проверки двигателей обойдется примерно в $50 000. Сейчас участники коллектива заняты расчетами и визуализацией разработки.
Двигатель будущего в современном Днепре
Помимо хакатона, была на Space Valley и демонстрационная секция. Главным её экспонатом стал четвертый прототип вакуумно-реактивного двигателя (ВРД), представленный Артемом Мадатовым. Устройство призвано совершить прорыв в индустрии космических перевозок, однако пока находится на этапе разработки и тестирования.
Прототип вакуумно-роторного двигателя (ВРД)
Работа двигателя базируется на представлении о вакууме как о непрерывной, вязкой среде, обладающей распределенной массой. Благодаря специальным камерам, двигатель захватывает вакуум, придает ему ускорение и выбрасывает через сопло. Иначе говоря, у конструкции появляется тяга без использования какого-либо топлива. Электрическая энергия преобразуется в реактивную, однако вместо выброса газа аппарат выбрасывает вакуум.
По мнению Мадатова, пока что о реальном применении подобной системы на космических аппаратах говорить рано. Четвертому прототипу необходима серия испытаний в вакуумной трубе. На основе их результатов команда проекта приступит к модернизации системы и разработке следующей тестовой сборки. Мадатов уверен — после её «обкатки» можно будет всерьез говорить о развертывании коммерческого производства и продаже таких двигательных систем. На пути этих амбиций стоит только недостаточное техническое оснащение. К примеру, завод ЮМЗ отказался от предоставления своих мощностей для изготовления элементов.
Разработчики ВРД обращаются к частным производителям, которые зачастую не могут обеспечить нужного качества. Зато в отношении тестирования дело продвигается — о согласии на работу с командой заявили немецкие партнеры, готовые предоставить оборудование в обмен на результаты исследований.
Изобретатель вакуумно-роторного двигателя (ВРД) Артем Мадатов
Мадатов считает, что в коммерческом отношении у проекта большое будущее. Говорить о создании маршевого двигателя, способного поднять в воздух десятки тонн пока бессмысленно, перспективы открываются в менее масштабных направлениях. Например, ВРД могут применяться в качестве дополнительных двигателей, используемых на спутниках для корректировки орбиты.
Учитывая, что у них нет движущихся частей, а питание осуществляется с помощью электрических батарей, ресурс жизни ограничен лишь сроком эксплуатации самого спутника. ВРД могут заменить так называемые плазменные или электроракетные двигатели, применяемые сейчас. Они используют в качестве реактивной струи ионы, за разгон которых отвечает электрические ускорители. Главный недостаток их конструкции: время рабочей тяги ограничено запасом ксенона в баллоне.
Мадатов делает и более смелые предположения по использованию ВРД. По его мнению, это единственная система, способная обеспечить оперативную доставку человека на Марс — при должной разработке возможно создание двигателя, мощность которого позволит поддерживать ускорение в 1g (ускорение свободного падения) на пути к Красной планете.
На такой скорости полет займет около недели: три дня корабль будет разгоняться, один день менять направление и еще три — тормозить для захода на орбиту.
Воплощение такого проекта потребует не только невиданной доселе коллаборации ученых со всего мира, но и разработки соответствующего источника питания. По мнению изобретателя, лучшим вариантом может стать термоэлектрический генератор типа «токамак». При его применении космонавты смогут обходиться без запасов горючего (заправляться можно будет водой). Проблема возникнет лишь с отводом огромного количества тепла, но и эту задачу Мадатов не считает неразрешимой.
Промежуточные итоги на пути к большому будущему
Максим Ткаченко, основатель инкубатора Space Hub, организатор хакатона Space Valley Hackathon
Участие в Space Valley — лишь первый шаг для амбициозных проектов на пути в большой космический мир. Лучшие идеи и команды хакатона попадут в инкубатор Space Hub, которым руководит Максим Ткаченко. Он же готов профинансировать проекты, имеющие перспективы коммерческой реализации. По его словам, стартовый чек для работы составляет $10 000, однако бюджет может возрастать.
Как считает Ткаченко, реализовать подобные инициативы можно только в Днепре — потому что это город ракетостроения. Главным залогом развития он называет сотрудничество: «Космическая область Украины закрыта, а мы — открыты».
Автор: Михаил Сапитон