Our short story
ISI was created to implement projects of Ukrainian scientists abroad. The institute offers projects on the development of space. The rocket-space complexes designed by scientists of the institute contain reusable structures: launch vehicles, engines, orbital machines. The main idea of the institute is the development of Ukrainian projects abroad and the subsequent retransmission of advanced technologies to Ukraine.
Founders of the Institute:
- Alexander Levenko, Director of Ukrainian office
orcid.org/0000-0002-1894-8372
- Oleg Pauk, Co-Director
orcid.org/0000-0002-7399-1146
Our partners:
- National Center Of Space Facilities Control And Test (NSFCTC), Kiev (Ukraine)
- Aerospace Agency "Magellan", Kiev (Ukraine)
- Science and Technology Park of Harbin Institute of Technology in Qingdao (China)
- The National Aerospace Educational Center of Youth, Dnepr (Ukraine)
- ATC Yuzmashavia, Dnepr (Ukraine)
- Bluejet Aviation S., Khartoum (Sudan)
- Space Environment Simulation Research Infrastructure (SESRI) of Aerospace Institute Harbin Institute of Technology (China)
- Dnipro Space Cluster, Dnepr (Ukraine)
- Science & Space LLC, Kiev (Ukraine)
- 黑龙江华跃东方企业管理咨询有限公司 - 哈尔滨•中国乌克兰联合创新合作平台, Harbin, Heilongjiang province (China)
- SkyEnergy LLC, Dnepr (Ukraine)
ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА – INDUSTRIAL SPACE
1. «НОВЫЙ КОСМОС» В КОММЕРЦИАЛИЗАЦИИ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
В настоящее время в США (мировой лидер ракетно-космической отрасли) существуют два понятия: Old Space и New Space. Под «старым космосом» (его еще называют Heritage Space) подразумевается все созданное НАСА, с практически неограниченным финансированием из бюджета, под «новым» - достижения частного освоения космоса за счет привлечения как государственных инвестиций (компания Space-X, Rocket Lab и некоторые другие), так и венчурных инвестиционных компаний.
Венчурные компании привлекаются под лозунгами полетов туристов на орбиту, созданием мини- и микро- ракет-носителей под все уменьшающиеся в размерах спутники. «Новым» такие компании считают возможность сделать космос доступным за счет большого числа таким ракет. Обычно, практических результатов нет, рождаются новые и новые проекты, без конца. Причина отчасти в том, что есть избыток ракет носителей легкого, среднего и тяжелого классов, массовых запусков спутников мини- и микро- ракетами-носителями не намечается – удельная стоимость запуска 1 кг ракетой массой порядка 10-30 тонн может в сотни раз превышать стоимость существующих ракет-носителей. Поэтом «новый» космос пока не окупает даже вложенных в него средств.
Практически, основной доход в миллиарды долларов в год дает наземное обслуживание абонентов связи, позиционирования в пространстве, совсем небольшая доля услуг дистанционного зондирования Земли, 2-3 % от общего дохода составляет стоимость самих ракет-носителей. Основной же доход получается от военных заказов.
Придуманный для венчурных инвестиционных компаний термин New Space ничем не отличается, по сути, от прежнего: освоение космоса неупорядоченное, около 20000 обломком и «мертвых» спутников, последних ступеней ракет, представляют угрозу для орбитальных станций и действующих спутников. Добавление тысяч одноразовых спутников (есть такие планы) только усложнит ситуацию: околоземный космос становится опасным, разговоры о вылавливание обломков и направлении их для сжигания при падении в атмосфере экономически нецелесообразно и никогда не будет осуществлено.
Сейчас только спутников дистанционного зондирование Земли известно около 630. В последние 10 лет начали падать спутники, запущенные в 60-70-е годы прошлого века. Их тысячи. И не все они сгорают, на Землю падают опасные обломки, несущие с собой неубиваемую космическую плесень (грибы), конкурирующие с человеком, и просто гигантскую кинетическую энергию разрушения.
Космос милитаризируется, орбитальное пространство остается недоступным для промышленного освоения: одна из причин в опасности орбитального пространстве из-за техногенной нагрузки (космический мусор), вторая – отсутствие обслуживаемых на орбите и возвращаемых для повторного использования аппаратов. Единственное исключение – полеты мини-шаттла Х-37В Boeing, но это пока проект Пентагона.
В отличие от США, где за венчурный капитал частная мини-компания может тратить на создание ракеты-носителя 1 млн долларов в неделю, весь остальной мир находится в режиме жесткой экономии средств на создание ракетно-космической техники. Хотя, по-прежнему в космос оправляются одноразовые недолговременной эксплуатации различные спутники.
Ситуация абсурдная: создается дорогой аппарат, а потом бросается через 1-5 лет в космосе. Спутники могут и должны обслуживаться на орбитах: эксперименты по замене аккумуляторов, заправке топливом давно проведены в США и КНР, техническое обслуживание на орбите возможно – это может продлить срок эксплуатации спутника до 30-50 лет. Но он будет неизбежно устаревать технически.
Поэтому спутники следует периодически возвращать на Землю, модернизировать и снова запускать на орбиту.
В этом варианте действий, которое можно назвать «Industrial Space», уже возможно использование космоса для производства продукции. То есть возможна индустриализация космоса, начиная с околоземного орбитального пространства и продолжая в освоении Луны, планет, добыче полезных ископаемых на астероидах.
2. ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
Аббревиатура «Industrial Space» может означать понятие «Индустриализация космического пространства с обеспечением безопасности производств», так как создание ракет и спутников не является конечной целью ракетно-космической индустрии: конечной целью является оказание услуг и производство продукции в экономическо й сфере деятельности.
Космос имеет нижнюю границу, которая в настоящее время определена высотой 90-100 км (до этой высоты простираются государственные границы и действуют правила, разработанные для авиации). Сейчас два государства на законодательном уровне имеют право на добычу полезных ископаемых в космосе: США и Люксембург. Ни одно государство не имеет права владеть территориями в космосе, на Луне, планетах, астероидах. Эти ограничения мы должны учитывать, развивая тезис индустриализации космического пространства.
Границу космоса Международная Авиационная Федерация определила высотой 100 км (линия Кармана), влияние атмосферных ветров заканчивается на высоте 118 км, НАСА определила границу космоса на высоте 122 км (на этой высоте практически шаттлы переходят на аэродинамическую опору в атмосфере). Обычная атмосфера на высотах 6-20 км называется тропосферой, до 50 км простирается стратосфера, до 85 км мезосфера, до 690 км термосфера, до 10000 км экзосфера.
Нужно также учитывать, что существует практика запуска спутников и других космических аппаратов, низкоорбитальные запускаются обычно на высоты:
- 200-250 км;
- 300-350 км, зона полетов обитаемых космических станций (эта зона располагается ниже радиационных поясов Ван Аллена, где частично захватывается космическое излучение);
- 400-1000 км.
Эти высоты являются привлекательными для орбитальных промышленных предприятий: вывод аппаратов на такие высоты доступен, возможно обеспечить их возвращение на Землю для доставки произведенной продукции, с этих высот обеспечивается низкоорбитальная связь и навигация, ведется наблюдение спутниками дистанционного зондирования Земли и космоса.
То есть практически - это орбитальное пространство земной атмосферы, но плотность воздуха здесь минимальная для долговременного нахождения космического аппарата, летящего с первой космической скоростью (ее максимум на высоте 100 км составляет 7 844 м/с, с набором высоты скорость, необходимая для нахождения космического аппарата на орбите, уменьшается).
На высотах около 36000 км располагаются спутники связи на геостационарных орбитах с определенными точками стояния в пространстве. Далее располагаются Луна, планеты, астероиды – источник ресурсов полезных ископаемых.
Нужно учитывать, что даже здесь космический вакуум не является идеальным: в нем присутствуют атомы и молекулы, космические лучи с содержанием ионизированных ядер атомов и субатомарные частицы, пыль – поэтому для чистого производства на космическом аппарате необходимо устанавливать экраны, которые будут защищать идеальное производство от загрязнений.
Человек в космическом пространстве может пробыть до 2 минут без скафандра – без необратимых процессов, далее скажется недостаток кислорода (граница приспособляемости к дыханию для человека составляет высота 9 км), декомпрессия, влияние вакуума, солнечного излучения и т.д. Поэтому безопаснее использовать в космической промышленности автоматические устройства.
Работая в без¬воздушном пространстве на высотах до 35800 км в условиях полной невесомости, космические предприятия смогут в будущем производить новые материалы, стоимость которых на Земле исчисляется десятками тысяч долларов за килограмм. Электростанции со сложной системой солнечных батарей смогут превращать энергию Солнца в электрическую и передавать ее на Землю.
Уже применяется термин Material Processing in Space (MPS). На низких орбитах возможно применение технологий для производства следующей продукции (помимо низкоорбитальной связи, навигации и оказания услуг дистанционного зондирования Земли, производства электроэнергии):
- производство чистых металлов и сплавов, новых сплавов, в т.ч. бесконтейнерным методом (вне космического аппарата);
- производство медикаментов, белковых кристаллов для медицины;
- изготовление органов на 3-D биопринтерах;
- выращивание кристаллов для излучающих светодиодов, лазеров, микроволновых устройств и другой технической аппаратуры;
- выращивание пленок графена;
- выращивание кремниевых пленок для солнечных батарей;
- добыча гелия-3 из пространства.
Для развития производств необходимо решить две связанные между собой задачи:
- обеспечить техногенную безопасность нахождения в космическом пространстве и регулировать полеты космических аппаратов;
- создать технические устройства (ракеты-носители, космопланы, орбитеры), которые не оставляют в космосе обломков и способны возвращаться на Землю для повторного использования в среде эффективной экономики космической индустрии.
3. КОСМИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ.
Мы рассматриваем техногенную составляющую космической безопасности – природные факторы известны, и их воздействие предсказуемо.
Опасность представляют действующие космические аппараты и обломки спутников, ракет, разгонных блоков в их неуправляемом движении на орбитах. Уже сейчас приходится принимать меры по защите международной космической станции, уже сейчас есть случаю сталкивания спутников между собой (на скоростях 7 – 15 км/с). При тенденции увеличения количества аппаратов на орбитах необходимо:
- отслеживать нахождение объектов на орбитах Земли и регулировать полеты (предупреждать столкновения) – этим уже сейчас занимается Национальный центр управления и испытаний космических средств (НЦУИКС) Государственного космического агентства Украины, ведется каталог орбитальных объектов, более точный, чем предлагает США (там искажаются данные по спутникам-шпионам), сайт http://spacecenter.gov.ua;
- предложить возвращаемые многоразовые космические системы, способные маневрировать в космосе и возвращаться на Землю – это орбитеры, возвращаемые ступени ракет-носителей – такие технические предложения уже представлены Научно-исследовательским институтом индустриализации космического пространства (ISI), Украина, на этом сайт.
ISI и НЦУИКС представили программу космической безопасности UKRAINE – OPEN WORLD в Geneva Centre for Security Policy (GCSP).
Вторая составляющая безопасности – создание новых технических средств.
4. ОРБИТЕР – ОСНОВА КОСМИЧЕСКОЙ ИНДУСТРИИ.
ORBITER – международный термин, определяющий аппарат, способный маневрировать на орбитах Земли и в дальнем космическим пространстве, способный возвращаться на Землю и использоваться многоразово.
В настоящее время единственный практически эксплуатируемый аппарат такого класса X-37B Boeing (США). Представляет собой военные аппараты различной конструкции, время полета на орбитах Земли с маневрированием уже составляет годы, приземление по авиационной схеме. Использовать опыт создания Space Shuttle, в том числе в части теплозащиты и приземления. Очень сложный аппарат, вобравший в себя весь опыт авиации и недостатки программы Space Shuttle – ненадежная теплозащита с применением отдельных плиток, посадка на одноразовые шасси. Запускается ракетами-носителями – наиболее доступный экономически вариант современности.
Орбитер USC-1000-X – техническое предложение ISI, отличается по применению теплозащиты и способу посадки на Землю.
Теплозащита выполнена в виде цельного аэродинамического корпуса-обтекателя, не связанного с внутренними узлами. Аэродинамические корпус используется при выходе в космос и возвращении в атмосферу Земли – в космическом пространстве сдвигается и открывает доступ аппаратуре орбитера к космическому пространству.
По сути орбитер в таком виде является традиционным спутником (в том числе сравнимый по стоимости) с обтекателем, который может маневрировать в космосе, выполнять различные задачи, возвращаться на Землю и приземляться на парашюте. Предполагаемый срок многоразового использования каждого составляет 10 лет.
Представляет собой основной инструмент индустриализации космического пространства.
С целью снижения замусоревания космоса при выведении орбитера ракетой-носителем, разработаны технические предложения по ракетам-носителям с возвращением их ступеней на парашютах.
Основа многоразового использования технических средств: применение уникального сочетания экологически безопасных компонентов топлива: водных растворов спирта этилового концентрации 99,9 % и водорода пероксида концентрации 98 %.
После сгорания топлива образуется водяной пар и незначительное количество газообразных окислов углерода.
Опыт использования спирта показывает, что он лучше горит в среде воды, эту воду ему дает разложение водорода пероксида (продукты разложения: водяной пар и атомарный кислород) – которое не требует подвода энергии, наоборот – энергия выделяется, температура продуктов разложения на уровне 1000 оС. Атомарный кислород активно реагирует со спиртом. Недостаток ранних проектов – там использовался 70 %-й спирт, что снижало энергетику двигателя.
Такое ракетное топливо позволяет изготовить жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) с относительно низкой температурой в камере сгорания при высоких технических характеристиках ЖРД: температура ниже 3000 оС (при использовании керосина температура на уровне 3500 оС, керосин коксуется в магистралях при температуре выше 300 оС, засоряя внутренние полости, что препятствует повторной эксплуатации), при которой можно использовать современную металлокерамику, покрытия, сплавы. Низкотемпературный ЖРД может эксплуатироваться бесконечно долго.
Технические предложения для осуществления индустриализации космического пространства представлены на этом сайте.
Institute of Space Industrialization (ISI) - новая инициатива неформальной самоорганизации ученых и специалистов вокруг перспективных научно-технических идей, определяющих прогресс в ракетно-космической сфере деятельности на благо цивилизации.
