Сверхлегкая ракета «Таймыр»

Ракета «Таймыр-7» в разрезе

Семейство модульных ракет сверхлегкого класса «Таймыр» с диапазоном полезных нагрузок от 10 кг до 180 кг на низкой околоземной орбите

«Таймыр» — основной проект «Лин Индастриал». Получил положительную оценку экспертов Кластера космических технологий и телекоммуникаций Фонда «Сколково».

Ракета «Таймыр» сделает космос доступным для каждого — будет выводить на орбиту в космос нано- и микроспутники (до 180 кг) по цене до $60 тыс./кг.

Зачем нужна маленькая ракета?

Последнее десятилетие наблюдается тенденция к переходу от тяжелых спутников массой несколько тонн к аппаратам микро- и наноклассов. Развитие мини- (100-500 кг), микро- (10-100кг) и наноспутниковых (1-10 кг) платформ наблюдаются по всему миру. В создании аппаратов подобных классов участвуют как частные и государственные компании, так и учебные заведения.

Российские частные фирмы Dauria Aerospace и «Спутникс» также создают микро- и наноспутники. «Спутникс» запустил первый российский частный спутник «Таблетсат-Аврора» (26 кг), Dauria Aerospace запустила два аппарата серии Perseus-M (по 5 кг) и один DX-1 (15 кг). ОАО «Российские космические системы» для отработки технологий запустила ТНС-0 № 1 (5 кг).

Не отстают и вузы. Академия Можайского запустила несколько спутников. Например, последний «Можаец-5» весил 73 кг. МГУ запустило «Татьяну-1» (32 кг) и «Татьяну-2» (90 кг), Уфимский государственный авиационный технический университет — УГАТУ-САТ (40 кг). МАИ запустило спутники МАК-1 и МАК-2 (по 20 кг), а также вместе с ЮЗГУ участвовало в создании аппаратов серии «Радиоскаф» (до 100 кг).

Скорее всего, количество создаваемых в России нано- и микроспутников продолжит расти. Помимо продолжающихся работ в вузах (очередные «Радиоскафы», «Бауманец-2» и т.д.) вот некоторые проекты частных компаний:

  • научный эксперимент «Кластер-Т» для регистрации гамма-всплесков космического и земного происхождения (Dauria Aerospace + ИКИ РАН) — 3-4 микроспутника;
  • микроспутниковая группировка мониторинга чрезвычайных ситуаций («Спутникс» и «Сканэкс» для МЧС РФ) — 18 микроспутников;
  • всепланетный дешевый интернет Yaliny — 135 микроспутников + 9 резервных.

Россия двигается в русле общемировых тенденций.

Например, на следующих графиках показано, как растет количество малых спутников в разных массовых сегментах.

График 1. Количество запущенных в космос космических аппаратов массой 1–50 кг, штук (исторические данные и прогноз)

Источник: SpaceWorks
График 2. Количество запущенных в космос спутников-кубсатов (1-10 кг), штук

Источник: Saint Louis University (включая кубсаты, потерянные при старте)

При этом и в России, и в мире полностью отсутствуют сверхлегкие ракеты под такие спутники. Грузоподъемность ракет легкого класса («Союз-2-1В», «Рокот» и т.д.) и тем более средних и тяжелых ракет избыточна для выведения на орбиту единичных микро- и наноспутников. Так, самая легкая из действующих ракет сегодня — это Pegasus XL, которая выводит 443 кг на низкую околоземную орбиту. Поэтому малые космические аппараты запускают на этих ракетах совместно с большими (попутный запуск) или крупными партиями (кластерный пуск).

При попутном запуске часто возникает ситуация, когда задержка с созданием основной полезной нагрузки приводит к тому, что сроки запуска попутных нагрузок сдвигаются. Соблюдение графика выведения особенно критично при развертывании орбитальных группировок, состоящих из нескольких аппаратов. Например, срыв графика по запуску технологических малых космических аппаратов приводит к прямым финансовым потерям, так как задержка в проверке технологий тормозит создание коммерческих аппаратов на ее базе.

Еще одно неудобство — при попутном пуске орбиту выбирает не заказчик, а владелец основного груза. Некоторым аппаратам орбита критически важна. Так, для фотосъемки Земли обычно выбирают солнечно-синхронную орбиту (ССО). В 2013 году на ССО не было ни одного запуска, так что попутно туда улететь было просто невозможно.

И, наконец, третье ограничение попутных и кластерных пусков — нельзя применять высокоэнергетические устройства. Поэтому спутник не сможет использовать химические ракетные двигатели любого вида, пиросредства (из-за этого, например, ограничена возможность разворачивания больших по размеру конструкций, низкочастотных антенн) и баллоны высокого давления.

Все эти проблемы можно решить, создав ракету специально для запусков нано- (1-10 кг) и микроспутников (10-100 кг).

Конструкция ракеты

Мы предлагаем создать ракету, а точнее целое семейство модульных ракет сверхлегкого класса «Таймыр» с диапазоном полезных нагрузок от 10 кг до 180 кг на низкой околоземной орбите.

Они дадут возможность заказчикам оперативно запускать их микро- и наноспутники (в срок до 3 месяцев — против 9 месяцев у ближайшего конкурента) на любую низкую околоземную (в т.ч. полярную) или солнечно-синхронную орбиту без ограничений на конструкцию спутника.

Система подачи топлива — вытеснительная баллонная система, что позволяет предельно упростить конструкцию ракеты и ее пневмогидравлическую схему, отказаться от сравнительно дорогого турбонасосного агрегата (ТНА), увеличить надежность и снизить стоимость разработки. У использования простой вытеснительной схемы есть цена — она утяжеляет конструкцию. Использование более легких композитов вместо металла позволит решить и эту проблему.

В ракете будут использоваться передовые в технологическом плане композитные материалы — углепластик, углерод-углеродный композит, органопластик. Управление — с помощью газовых сопел и решетчатых воздушных рулей. Мы отказались от качания основных камер, что также упрощает и удешевляет проект.

Предполагается использовать малогабаритную систему управления собственной разработки на базе MEMS-датчиков угловых скоростей и микроконтроллеров с ядром ARM. Она сможет обеспечить необходимую точность выведения ракеты с использованием только коммерчески доступной и недорогой электроники.

В качестве горючего используется керосин, а окислителя — концентрированная перекись водорода. Данному топливу не нужно оборудование, выдерживающее сверхнизкие температуры (как при заправке жидким кислородом, например), и оно не ядовито (в отличие от азотной кислоты, тетраоксида азота и несиметричного диметилгидразина).

В основе проекта — оптимизация по критерию стоимости разработки и создания, а также по стоимости пуска и окупаемости ракеты-носителя, а не по увеличению доли полезной нагрузки, как это традиционно было принято в отрасли.

Конкуренты

Сейчас есть возможность запускать малые космические аппараты попутными и кластерными пусками. Их характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики космических запусков на низкую околоземную орбиту
Ракета (страна) Цена за 1 кг, $ тыс. Топливо Полезная нагрузка, кг
«Рокот» (РФ) 18-21 Несимметричный диметилгидразин + тетраоксид азота 2150
«Союз-2-1в» (РФ) 9 Керосин + жидкий кислород 2800
«Днепр» (РФ + Украина) 8 Несимметричный диметилгидразин + тетраоксид азота 3700
Minotaur I (США) 26 Смесевое твердое топливо 580
Minotaur IV (США) 12 Смесевое твердое топливо 1735
Epsilon (Япония) 41 Смесевое твердое топливо 1200
Vega (ЕС) 27 Смесевое твердое топливо, несимметричный диметилгидразин + тетраоксид азота 1500
Long March 2D (КНР) 7 Несимметричный диметилгидразин + тетраоксид азота 3500
Long March 2C (КНР) 6 Несимметричный диметилгидразин + тетраоксид азота 3850
Pegasus XL (США) 90 Смесевое твердое топливо 443
Falcon 9 (США) 7 Керосин + жидкий кислород 13150
«Протон» (РФ) 3 Несимметричный диметилгидразин + тетраоксид азота 22000

Примечание: жидкий кислород — криогенное топливо; несимметричный диметилгидразин, тетраоксид азота, смесевое твердое топливо — экологически опасны.

Источники: сообщения СМИ, сайты производителей РН и пусковых операторов

Идея сверхлегкой ракеты состоит в том, что сейчас малые спутники можно запустить только большой ракетой попутно с большим спутником или с большим количеством таких же «малышей». Заказчикам приходится ждать, когда будет готов большой спутник или наберется малых спутников на целую ракету. Если заказчику малого аппарата нужна какая-то конкретная орбита, то это еще сильнее затягивает ожидание подходящей ракетной «попутки». В результате до запуска может пройти один-два года.

Такие запуски напоминают поездку на автобусе или маршрутке, но запуск спутника на «Таймыре» — это такси. Нано- или микроспутник индивидуально доставляется на нужную орбиту. Гарантируется высокая оперативность — не более 3 месяцев до старта.

Отдельной строкой надо отметить такого конкурента как компания Nanoracks. Она запускает спутники с Международной космической станции (МКС) с помощью специального пускового устройства. Спутники доставляются на МКС грузовыми кораблями вместе с водой и питанием для космонавтов. Цена за 1 кг для американских коммерческих заказчиков — $60 тыс. Орбита запуска тоже по большому счету совпадает с орбитой МКС, и ее никак не изменишь. Казалось бы, Nanoracks должна разориться. На самом же деле, за полтора года фирма запустила более полусотни кубсатов. Спрос настолько превышает их возможности, что они собираются устанавливать на МКС еще одно пусковое устройство.

Секрет Nanoracks в оперативности — срок от передачи спутника до его запуска составляет около 9 месяцев, что очень быстро по меркам космической отрасли.

Поэтому компания, которая сможет обеспечить лучшую оперативность запуска с помощью сверхлегкой ракеты (например, «Таймыр» — до 3 месяцев), может рассчитывать на то, что заказчики будут покупать у нее пуски по цене не меньшей, чем у Nanoracks. Многие бизнесмены на Западе считают сверхлегкие ракеты перспективным бизнесом и уже включились в их разработку, но пока ни одна из ракет не введена в строй. В таблице 2 приведено сравнение «Таймыра» с потенциальными конкурентами.

Таблица 2. Характеристики планируемых запусков на низкую околоземную орбиту сверхлегкими ракетами

Ракета (компания) Цена за 1 кг, $ тыс. Топливо Полезная нагрузка на НОО, кг
«Таймыр» («Лин Индастриал») 40–60 Керосин + перекись водорода 10–180
LauncherOne (Virgin Galactic) До 20 Керосин + жидкий кислород 500
Neptune (Interorbital Systems) До 13 Скипидар + азотная кислота 18–1000
Electron (Rocket Lab) 30–70 Керосин + жидкий кислород 165
Firefly α (Firefly Space Systems) 22 Керосин + жидкий кислород 360
Примечания:
  • жидкий кислород — криогенный компонент, а азотная кислота экологически опасна;
  • везде приведена цена для заказчика, при этом себестоимость 1 кг для ракет семейства «Таймыр» от $15 тыс. до $45 тыс.;
  • Rocket Lab приводит розничную цену не для 1 кг, а для одной штуки кубсата формата 1U — от $72 тыс., т.е. для наноспутников формата 1U реальная цена за 1 кг будет ближе к $72 тыс., чем к $30 тыс. (если купить весь запуск).

Источник: сайты компаний

Семейство ракет

Мы собираемся создать линейку ракет с различной грузоподъемностью — от 10 до 180 кг. Различные модификации ракеты собираются из стандартных блоков как из деталей конструктора. Таких деталей в «конструкторе» «Лин Индастриал» четыре — УРБ-1, УРБ-2, УРБ-3 и РБ-2.

УРБ-1 — универсальный ракетный блок первой и второй ступеней (слева версия с 9 двигателями тягой ~400 кгс, справа — с одним ЖРД тягой ~4 тс)

Базовая конструкция УРБ-1 состоит из переходного отсека, приборного отсека, бака сжатого гелия, межбакового отсека с блоком управляющих двигателей на холодном газе, бака окислителя, межбакового отсека, бака горючего и хвостового отсека, в котором размещена маршевая двигательная установка (в ее состав входит один двигатель на ~4 тс тяги или девять двигателей тягой по ~400 кгс — в зависимости от варианта ракеты) и могут быть установлены аэродинамические рули.

Бак сжатого гелия — цилиндрический со сферическими днищами. Бак горючего и окислителя — цилиндрические с днищами в виде сегмента сферы. Выполнены из композиционных материалов.

Управление при использовании в качестве блока первой ступени, осуществляется с помощью одного или нескольких аэродинамических рулей, выполненных по схеме решетчатого крыла, при полете в верхних слоях атмосферы — с помощью двигателей на холодном газе, использующих газ наддува — гелий. При использовании в качестве блока второй ступени — только с помощью двигателей на холодном газе.

УРБ-2 — универсальный ракетный блок второй и третьей ступени

УРБ-2 состоит из приборного отсека, бака горючего, межбакового отсека, в котором установлены два бака сжатого гелия, бака окислителя и хвостового отсека с маршевым двигателем и блоком управляющих двигателей на холодном газе.

Бак сжатого гелия и горючего — сферические, выполнены из композиционных материалов. Бак окислителя — цилиндрический с сегментально-сферическими днищами, композитный.

Управление осуществляется с помощью двигателей на холодном газе, работающих на газе наддува — гелии.

УРБ-3 — ракетный блок третьей ступени

УРБ-3 состоит из приборного отсека, бака сжатого гелия, межбакового отсека, бака горючего, межбакового отсека, бака окислителя и хвостового отсека с маршевым двигателем и блоком управляющих двигателей на холодном газе.

Маршевый двигатель тягой ~400 кгс оснащен высотным соплом.

Бак сжатого гелия, горючего и окислителя — сферические, выполнены из композиционных материалов.

Управление осуществляется с помощью двигателей на холодном газе, работающих на газе наддува — гелии.


РБ-2 — ракетный блок третьей ступени

РБ-2 состоит из приборного отсека, бака сжатого гелия, межбакового отсека, бака горючего, межбакового отсека, бака окислителя и хвостового отсека с маршевым двигателем и блоком управляющих двигателей на холодном газе.

РБ-2 в целом аналогичен УРБ-3, однако бак окислителя выполнен цилиндрическим с короткой обечайкой и двумя полусферическими днищами.

Управление осуществляется с помощью двигателей на холодном газе, работающих на газе наддува — гелии.

Рассматривается возможность создания твердотопливной третьей ступени.

Ракеты семейства «Таймыр» и их основные характеристики:
  • «Таймыр-1А» — трехступенчатая ракета-носитель. Первая ступень — УРБ-1 с девятью ЖРД тягой по ~400 кгс, вторая ступень — УРБ-2 с ЖРД тягой ~400 кгс, третья ступень — УРБ-3. Стартовая масса — 2,6 т, длина — 16 м, масса полезной нагрузки на низкой околоземной орбите — 12 кг.
  • «Таймыр-1» — трехступенчатая ракета-носитель. Первая ступень — УРБ-1 с одним ЖРД тягой ~4 тс, вторая ступень — УРБ-2 с ЖРД тягой ~400 кгс, третья ступень — УРБ-3. Стартовая масса — 2,6 т, длина — 16 м, масса полезной нагрузки на низкой околоземной орбите — 14 кг.
  • «Таймыр-5» — трехступенчатая ракета-носитель. Первая ступень — 4 УРБ-1 с одним ЖРД тягой ~4 тс, вторая ступень — один УРБ-1 с ЖРД тягой ~4 тс, третья ступень — УРБ-2 с ЖРД тягой ~100 кгс. Стартовая масса — 11,2 т, длина — 16 м, масса полезной нагрузки на низкой околоземной орбите — 108 кг.
  • «Таймыр-7» — трехступенчатая ракета-носитель. Первая ступень — 6 УРБ-1 с одним ЖРД тягой ~4 тс, вторая ступень — один УРБ-1 с одним ЖРД тягой ~4 тс, третья ступень — УРБ-2 с ЖРД тягой ~100 кгс. Стартовая масса — 15,6 т, длина — 16 м, масса полезной нагрузки на низкой околоземной орбите — до 180 кг, на солнечно-синхронной орбите — 85 кг.


Затраты и прибыли

План реализации проекта по затратам:

1. Разработка аванпроекта космического носителя:
  • Выбор концепции орбитального носителя
  • Технико-экономическое обоснование
  • Бизнес-план
  • Анализ и выбор смежников
  • Патенты
  • Разработка наземного и транспортного оборудования
  • Обоснование выбора концепции системы управления
  • Отчеты по интеграции полезной нагрузки, процедуре заправки, телеметрическому обеспечению, наземным измерительным пунктам, частотам, электросистеме, пневмогидросхеме, динамике разделения
  • Изготовление 3D-графики и видеороликов
  • Участие в МАКС-2015 с макетом орбитального носителя
  • Пробная намотка баков
  • Испытания ЖРД на 100 кгс тяги на стенде
  • Испытания прототипа системы управления на дозвуковом и сверхзвуковом летающих стендах

Итого — 10 млн руб.

2. Разработка высотного прототипа ракеты
  • Работы по созданию ЖРД на 400 кгс тяги — 5 млн руб.
  • Создание проекта ракеты-прототипа — 5 млн руб.
  • Изготовление прототипа — 10 млн руб.
  • Система управления — 5 млн руб.
  • Стендовые испытания — 10 млн руб.
  • Административные расходы — 5 млн руб.

Итого — 40 млн руб.

3. Разработка космического носителя «Таймыр-1» и первый пуск стендово-летной ракеты с полезной нагрузкой до 10 кг:
  • Работа по созданию двигательной установки из 9 ЖРД по 400 кгс тяги — 15 млн руб.
  • Работы по выпуску серийной двигательной установки — 60 млн руб.
  • 3D-моделирование конструкции ракеты — 7 млн руб.
  • Разработка моделирующего ПО — 15 млн руб.
  • Закупка оборудования — 17 млн руб.
  • Статические испытания — 5 млн руб.
  • Динамические испытания — 10 млн руб.
  • Макет наземного оборудования — 12 млн руб.
  • Тепловые расчеты — 2 млн руб.
  • Отработка системы электропитания — 3 млн руб.
  • Телеметрия — 5 млн руб.
  • Создание стенда для огневых испытаний двигательной установки первой ступени в сборе — 5 млн руб.
  • Создание мобильного стартового стола — 4 млн руб.
  • Разработка кабельной сети — 2 млн руб.
  • Огневые испытания — 5 млн руб.
  • Создание ЦУПа / подготовка расчета — 3 млн руб.
  • Модернизация / создание стартовой инфраструктуры — 10 млн руб.
  • Изготовление серии двигательных установок первой, второй и третьей ступени — 45 млн руб.
  • Конструкция ракеты-носителя — 25 млн руб.

Итого — 250 млн руб.

4. Разработка космического носителя «Таймыр-5» и первый пуск стендово-летной ракеты с полезной нагрузкой до 100 кг
  • Разработка ЖРД на ~4 тс тяги — 40 млн руб.
  • Разработка ракеты «Таймыр-5» с ПН 100 кг — 20 млн руб.
  • Изготовление и пуск ракеты «Таймыр-5» с ПН до 100 кг — 60 млн руб.

Итого — 120 млн руб.

5. Изготовление и пуск одного экземпляра ракеты «Таймыр-7» с полезной нагрузкой до 180 кг
  • Двигатель первой и второй ступени — 30 800 000 руб.
  • Двигатель третьей ступени — 500 000 руб.
  • Намотка баков — 6 300 000 руб.
  • Лейнер, арматура — 8 400 000 руб.
  • Система управления — 500 000 руб.
  • Рули и рулевые машинки — 1 500 000 руб.
  • Компоненты топлива — 14 000 000 руб.
  • Работа стартовых команд — 600 000 руб.
  • Различные электронные блоки — 300 000 руб.
  • Хранение ракеты — 150 000 руб.
  • Транспортировка — 600 000 руб.
  • Зарплаты и накладные расходы — 3 000 000 руб.
  • Страховка — 1 500 000 руб.
  • Полигон, поля падения — 4 000 000 руб.
  • Работа наземных измерительных пунктов — 200 000 руб.
  • Подитог — 72 150 000 руб.
  • Коэффициент удорожания из-за инфляции за время разработки — 1,2
  • Коэффициент удорожания из-за курсовых рисков за время разработки — 1,2
  • Итоговая себестоимость — 103 896 000 руб.
  • Себестоимость 1 кг на НОО — 742 114 руб.
  • Предполагаемая цена 1 кг на НОО — $40 000
  • Курс доллара на 20.05.2015 г. — 50 руб.
  • Предполагаемая рублевая цена 1 кг на НОО — 2 000 000 руб.
  • Предполагаемая прибыль с одного пуска — 176 104 000 руб.

Предполагаемая схема получения прибыли

Первый и второй год космических запусков
  • Количество коммерческих пусков c ПН 13 кг — 8 шт.
  • Цена одного коммерческого пуска — 0,6 млн $
  • Коммерческая стоимость кг на орбите — $60 тыс.
  • Прибыль от одного коммерческого пуска — $100 тыс.
Третий и последующий года космических запусков
  • Количество коммерческих пусков в год с ПН 100 кг и выше — 4 шт.
  • Цена одного коммерческого пуска — не менее $4 млн
  • Коммерческая стоимость кг на орбите — $40 тыс.
  • Прибыль от одного коммерческого пуска — не менее $2,7 млн
Таблица 3. Окупаемость проекта (затраты и прибыль в млн $ по кварталам)
Год 1 2 3 4 5
Пуск № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Затраты, $ 5 5 5 6,25 6,25 6,25 6,25 7,81 8,51 8,51 8,51 10,64 10,64 10,64 10,64 13,3 13,3 13,3 13,3 16,63
Прибыль, $ 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 3,5 6,2 8,9 11,6 14,3 17 19,7 22,4 25,1 27,8 30,5 33,2

Примечание: ставка дисконтирования = 25%

График 3.Таким образом, по истечении 2,5 лет и 11-ти запусков проект становится рентабельным и начинает приносить прибыль.

История проекта и текущее состояние

Компания «Лин Индастриал» приступила к разработке легкой ракеты «Адлер» в начале 2014 года. Весной того же года после встреч с потенциальными инвесторами и экспертами, которые признали проект слишком дорогим для маленького стартапа, и с российскими разработчиками нано- и микроспутников, которые выразили потребность в российском Nano Launch Vehicle, началась разработка сверхлегкого «Таймыра», которая в общих чертах была закончена осенью. Зимой этим проектом заинтересовались венчурные инвесторы, которые предоставили финансирование для дальнейших разработок. В апреле 2015 года проект одобрили эксперты космического кластера «Сколково».

Совместно с 202-й кафедрой МАИ идет разработка и подготовка к испытаниям прототипа жидкостного ракетного двигателя. Изготавливается двигатель в инжиниринговом центра «АртМех». Создана первая версия аванпроекта космического носителя, идет доработка. Заключены договоры о сотрудничестве с российскими производителями спутников «Спутникс» и Quazar Space — эти компании выразили заинтересованность в том, чтобы их аппараты полетели на «Таймыре».

В 2015 году компания успешно осуществила несколько полетов испытательных ракет для проверки работоспособности прототипа системы управления «Таймыра».

В августе 2015-го проект был представлен на авиасалоне МАКС.

Первые стендовые испытания двигателя запланированы на 2016 год.

Первый космический пуск планируется на I квартал 2020 года («Таймыр-1А»).

См. также: Часто задаваемые вопросы по ракете «Таймыр»

Отделение головного обтекателя от РН «Таймыр-1А»