Двигатели сверхмалых космических аппаратов- Импульс

Описание проекта

Предлагается создание двигателей с внешними источниками энергии для одноимпульсных межорбитальных маневров сверхмалых космических аппаратов фемто-класса и семейства смежных технических решений. Планируется в перспективе освоение возможности экономически эффективного использования в двигателях космического мусора и отходов технологических процессов, и других внешних источников энергии. Разработано и изготовлено экспериментальное оборудование. Выбраны материалы с высокой скоростью газификации для активных мишеней двигателей. Подтверждена работоспособность выбранных технических решений в условиях, идентичных условиям открытого космоса. Успешно выполнена серия наземных испытаний на реальных режимах и планируется серия летных испытаний в 2021-2022 г. г. в рамках НИОКР за счет гранта Фонда содействия инновациям.

Освоение проектирования и производства нижней части линейки сверхмалых космических аппаратов (КА) [1] единичной массой от 100 г и менее – пико- и фемто-классов, в т.ч. бескорпусных КА «на плате» (типа ChipSat), при стоимости изготовления КА и его запуска, пропорциональной его массе, открывает возможности значительно более экономически эффективного решения большинства задач исследования, освоения и использования космоса, чем использование традиционных средств, и перспективы решения новых задач, в дополнение к существующим КА типа CubeSat и суб-CubeSat.

Крайне низкая стоимость подобных сверхмалых КА (от нескольких тысяч рублей за единичный КА и от нескольких десятков тысяч рублей за запуск, или от десятков до сотен долларов США) открывает возможность участия в космической деятельности новых участников с ограниченным бюджетом – юридических и физических лиц.

Основной проблемой, ограничивающей область применения таких КА, является отсутствие двигательных установок, позволяющих им осуществлять самостоятельные маневры. Для КА типа CubeSat существует ряд двигательных установок, но они дороги, массивны, энергозатратны, развивают малую тягу и в силу этого не получили широкого распространения.

ООО "Д-Старт" решается задача создания достаточно простых и эффективных двигателей для сверхмалых КА с внешними источниками энергии, обеспечивающих в перспективе возможность использования космического мусора в качестве источника энергии, а также иных внешних источников энергии [4, 5].

Предлагается семейство технических решений на базе технологии и конструктивных элементов ракетных двигателей с внешними источниками энергии для одноимпульсных маневров КА.

В качестве базового технического решения рассматриваются двигатели с использованием космического мусора в качестве источника энергии. Концепция впервые представлена автором в ИКИ РАН в 2019 г.

Теория рабочего процесса при встречном столкновении с кинетическим ударником изложена автором в докладе в ИКИ РАН 2019 г. [2] и заявке на изобретение «Способ действия кинетического реактивного двигателя».

Во 2 половине 2021 г. - начале 2022 г. успешно проведена серия экспериментов на стенде МСИД ООО "Д-Старт" (как альтернатива ранее планировавшейся работе "Имапакт-ГПМ" в соответствии с программой и методикой и ТЗ ООО «Д-Старт» на базе АО «ЦНИИмаш» с использованием метательной установки ГПМ, с метанием ударников из алюминиевых сплавов, имитирующих мелкие фрагменты космического мусора, в мишень из материала типа «Транелит», со скоростью до 4…7 км/с). В результате созданы прототипы линейки солнечных термосублимационных и термокаталитических двигателей "Импульс-С" и "Импульс-ТС", и одноимпульсных двигателей большой тяги "Импульс-А" (а также их упрощенной версии для образовательных КА "Импульс-У") [3]. Результаты отмечены, в частности, статусом финалиста VI Национального конкурса инновационных проектов аэрокосмической отрасли Sky.tech 2021 г.
В декабре 2021 г. при содействии компании "Успешные ракеты" на прототипе метеоракеты осуществлены пусковые испытания массо-габаритных макетов фемто-КА с установленными двигателями "Импульс-С".

В апреле 2022 г. выделен локальный субпроект освоения линейки двигателей "Импульс-А" с зарубежными партнерами (Индия) для внешних и внутреннего рынков, и в мае 2022 г. - локальный субпроект освоения линейки учебных двигателей "Импульс-У" для образовательных КА.

В рамках всероссийского конкурса "Линия Кармана" силами студенческих команд планируется создание оборудования и проведение экспериментов с прототипами двигателей на МКС в 2023 г. и на стратостате в 2022 г.

Для массового применения предлагается техническое решение для КА от фемто-класса до CubeSat, интегрированного с отражателем двигателя с внешним источником энергии, допускающее возможность использования существующих пусковых устройств стандарта CubeSat
– проект «Блок». Согласовано использование пусковых устройств ООО "КосмоЛаб" или аналогов.

Основные направления коммерциализации:
B2B, B2G: Частные
(коммерческие) и государственные разработчики, покупатели и пользователи сверхмалых КА, научные и образовательные организации.
B2C: Частные разработчики, покупатели и пользователи сверхмалых КА – физические лица.
Продажа комплектных двигателей для сверхмалых КА, их узлов и комплектующих для самостоятельной сборки (в т.ч. разработка и изготовление по ТЗ заказчика).
Услуги по проектированию и организации маневров сверхмалых КА с использованием предлагаемых двигателей.
Продажа лицензий на использование технологии и специальных материалов для самостоятельной разработки и производства двигателей заказчиками.

Общая емкость мирового рынка (TAM) - более $ 5 млрд. CAGR - 5% (по оценке экспресс-экспертизы РВК от 19.07.2019).

1. Hein A., Burkhardt Z., Eubanks T.M. AttoSats: ChipSats, other Gram-Scale Spacecraft, and Beyond. 2019. URL: https://arxiv.org/abs/1910.12559.

2. Новосельцев Д.А. О возможности рациональной утилизации фрагментов околоземного космического мусора. Всероссийская научная конференция «Космический мусор: фундаментальные и практические аспекты угрозы»: Сборник трудов. / Серия «Механика, управление и информатика». М.: ИКИ РАН, 2019. C. 217-229.

3. Новосельцев Д.А. Разработка и испытания семейства двигателей «Д-Старт» с внешними источниками энергии для сверхмалых космических аппаратов и возможности их применения в целях космического образования // Дорога в космос: Первая международная конференция по космическому образованию: сб. тр. М.: ИКИ РАН, 2022. 232 с. С.147-159.

4. Новосельцев Д. А. Разработка и испытания прототипов импульсных двигателей с внешними источниками энергии для космических аппаратов фемтокласса на базе концепции кинетических реактивных двигателей с возможностью использования космического мусора // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической техники и подготовки инженерных кадров для авиакосмической отрасли: Материалы 15-й Всероссийской научно-техн. конф., посвященной памяти гл. конструктора ПО «Полёт» А. С. Клинышкова. Омск, 2021. С. 22–25.

5. Novoseltsev Dmitry. Development and prospects of the D-Start simplest pulse engines for single-pulse maneuvers of ultralight femto-class spacecrafts with external energy sources (including the possibility of using space debris). «The Civilian Space Development». Space Renaissance International 3rd World Congress 2021 – Congress Theses, Final Resolution and Papers, edited by Adriano V. Autino. Space Renaissance International , 2021. Pp. 336-340.

Потребности:
Оперативные потребности - от 1-3 млн. руб. в середине 2022 г.
До 11 млн. руб. на 2022-2023 г.г. на завершение создания MVP, организацию опытной эксплуатации и опытные поставки.
Преимущественно привлекаются в форме грантов, но требуется частное софинансирование более 50%.
Общая стоимость проекта до 75 млн. руб.

При финансовой поддержке ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (Фонд содействия инновациям), грант по программе «Старт-1», Договор (Соглашение) № 3626ГС1/60541 от 24.07.2020 г.

http://d-start.tilda.ws/