Версия для печати
Вернуться к списку

МЕЖДУНАРОДНЫЙ ИНВЕСТИЦИОННЫЙ МЕГАПРОЕКТ «КОСМОС 2100» («SPACE XXI») ДЛЯ ПОДДЕРЖКИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОСВОЕНИЮ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

Отечественное академическое сообщество совместно с ведущими российскими вузами и научно-промышленными предприятиями реализуют множество масштабных инвестиционных проектов по развитию научных исследований по освоению космического пространства. Например, в старейшем отечественном университете – МГУ им. М.В.Ломоносова, прославленном множеством великих отечественных ученых–выпускников, среди которых – главный теоретик советской космической программы – академик АН СССР, Президент АН СССР (19.05.1961-19.05.1975) М.В.Келдыш, проводятся разработки орбитальной транспортно-заправочной станции с турбогенераторной электростанцией большой мощности. Ключевым компонентом системы является энергетический блок на базе параболическо–цилиндрического концентратора. Полтора десятка энергоблоков мощностью 167 кВт каждый генерируют суммарно 2,5 МВт энергии.

В Балтийском государственном техническом университете «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова создается термоэмиссионная тепловая защита для научно-исследовательских спускаемых аппаратов. Проблемным при спуске может стать не только аэродинамический нагрев, но и неравномерно распределенные нестационарные тепловые потоки, которые инициируют глобальные и локальные температурные напряжения в обшивке. Разрабатываемая в Университете «ВОЕНМЕХ» термоэмиссионная тепловая защита обеспечивает отвод излишней тепловой энергии аэродинамического нагрева с получением дополнительной электроэнергии на борту. Похожая на экспоненциальную зависимость электронного теплоотвода от температуры обеспечивает компенсацию возникающих при спуске в атмосфере неравномерное распределение нестационарных тепловых потоков аэродинамического нагрева. Генерируемая дополнительная электроэнергия обеспечит работ наукоемкого оборудования при проведении энергоемких экспериментов.

Широкий спектр научных исследований по проектам проводится в МГТУ им. Н.Э.Баумана – альма-матер одного из основоположников советской космонавтики, первого Главного конструктора, академика АН СССР С.П.Королева. Проведенный проектный анализ аэродинамических схем спускаемых аппаратов капсульной формы по ньютонианской теории численным методом обеспечивает выбор оптимальной формы капсульного спускаемого аппарата на ранних стадиях инвестиционного проектирования. Разработанная методика определения аэродинамических характеристик спускаемых аппаратов в гиперзвуковом диапазоне скоростей учитывает технико-экономические и инвестиционно-финансовые параметры моделей. Развитием методики является предпроектный и инвестиционно-проектный термобаллистический и аэродинамический анализ спускаемых аппаратов повышенной маневренности класса «несущий корпус». Для балансировки аппаратов на заданное аэродинамическое качество, улучшения компоновочных возможностей и сокращения массы балансировочного груза предусмотрено применение дополнительных щитков. Обоснована оценка весовой эффективности тепловой защиты перспективного многоразового спускаемого аппарата капсульного типа. Исследовано применение высокотемпературной многослойной тепловой защиты на базе углерод–керамических материалов: его внешний слой обеспечивает герметичность и защиту от эрозионного воздействия внешнего потока, а ряд других слоев с различным уровнем теплопроводности и пористости препятствуют подводу к силовой конструкции тепла. Другой инвестиционный проект МГТУ связан с решением ряда задач по динамике космических конструкций с вытекающим из сферических емкостей топливом. В частности, сформулированы задачи колебаний вытекающего жидкого топлива в близких к невесомости условиям и вытекающей тяжелой жидкости из баков сферической формы с различными внутрибаковыми элементами. Получены результаты изучения и моделирования траектории движения космического аппарата с частично заполненным вытекающим топливом баком сферической формы.

Решение задачи по выбору сверхлегкого рефлектора для зеркальной космической антенны выполнено в рамках инвестиционного проекта МГТУ им. Н.Э.Баумана, в ходе которого проведен анализ конструктивных особенностей и компоновочных решений для надувных рефлекторов разных типов, обладающих высокой прочностью, жесткостью конструкции и наличием систем защиты от опасных факторов. В исследовании, профинансированном в рамках работ по Соглашению о предоставлении субсидии № 14.577.21.0129 с Министерством образования и науки РФ c уникальным идентификатором прикладных научных исследований (инвестиционного проекта) RFMEFI57714X0129, рассмотрена состоящая из полиамидных пленок и тонкого слоя алюминия надувная антенна, наддув мягкой оболочки которой происходит после вывода конструкции на опорную орбиту. Многослойная мультифункциональная оболочка защищает от корпускулярной радиации и микрометеоритов, обеспечивает герметичность и определенный тепловой режим. По результатам математического моделирования напряженно-деформированного состояния разных типов конструкций зеркальных космических антенн со сравнением технико-экономических характеристик и финансовых параметров соответствующих инвестиционных проектов трехслойная структура конструкции рефлектора является оптимальной.

Также финансово поддержан в рамках работ по Соглашению о предоставлении субсидии № 14.577.21.0114 инвестиционный проект МГТУ им. Н.Э.Баумана по разработке конструктивной схемы тонкостенного рефлектора зеркальной космической антенны из углепластика. В работе с уникальным идентификатором прикладных научных исследований (инвестпроекта) – RFMEFI57714X0114 изучены разные типы конструктивно-компоновочных схем рефлекторов, разработанных на базе эпоксидного связующего и высокомодульного углеродного волокна. На основании результатов проведенных параметрических расчетов для тонкостенных рефлекторов с изучением их напряженно-деформированного и теплового состояния обоснована оптимальная конструкция зеркальной космической антенны.

В МГТУ им. Н.Э.Баумана в рамках серии инвестиционных проектов проведен цикл исследований, в частности, по тепловому проектированию крыла из композиционных материалов для многоразового космического аппарата туристического класса. Данный проект имеет инвестиционную привлекательность для зарубежных частных космических компаний, специализирующихся в сфере космического туризма. Высокая стоимость инвестиционного проекта по запуску космического туриста компенсируется низким сроком окупаемости (согласно действующей международной практике, оплата производится заранее, часто частями, по мере прохождения космическим туристом программы подготовки к полету и определения степени его годности по медицинским показаниям). Одной из технических проблем, решаемых в рамках инвестиционного проекта, является конвективный нагрев вследствие перехода кинетической энергии набегающего потока воздуха в тепловую при торможении у поверхности суборбитального многоразового космического аппарата. Поскольку наибольший нагрев до температур 300 град. С может происходить на высотах 40-90 км в плотных слоях атмосферы, в рамках исследования по инвестиционному проекту предлагается конструкция крыла аппарата с состоящим целиком из углепластика лонжероном, скрепленным с трехслойными обшивками – панелью с сотовым заполнителем из алюминия и армированного углеродными и стеклянными волокнами гибридным полимерным композиционным материалом. В ходе работ по инвестиционному проекту установлена степень влияния температуры на теплофизические и прочностные параметры материала, проведено математическое моделирование тепловых потоков у поверхности крыла при спуске с суборбиты и прогреве конструкции аппарата.

Разработка конструктивно-компоновочной схемы рабочей зоны стенда тепловых испытаний углеродных материалов с рабочими температурами свыше 2000 К проведена по инвестиционному проекту, реализованному в МГТУ им. Н.Э.Баумана. Для эффективной тепловой защиты космических систем от высокоэнтальпийных газовых потоков применяются углеродно-керамические материалы с рабочими температурами до 2000 К. Поскольку на применимых для тепловых испытаний стендов радиационного нагрева на основе галогенных ламп накаливания рабочие температуры компонентов и образцов материалов не превышают 1500 К, расширение диапазона рабочих температур стенда предлагается с помощью обдува колб ламп газовым (воздушным) потоком. При разделении газовых потоков в зонах колб и образцов допустима оптимизация скорости газа и направления его движения. В ходе выполнения работ по инвестиционному проекту получены математические и конечно-элементные модели разных схем рабочих зон стенда радиационного нагрева. Необходимо отметить, что построенные с помощью пакета программ ANSYS Fluent математические модели обеспечили выбор оптимальной конструктивно-компоновочной схемы стенда с достижением температуры для испытаний на уровне 2000 К. Развитием темы стало инициирование внутривузовского инвестиционного проекта по моделированию термомеханических и теплофизических параметров пористых углеродно-керамических материалов, пригодных для создания многократно применяемого теплозащитного покрытия для пилотируемых космических кораблей. Поскольку стандартные углеродно-керамические материалы, выдерживающие температуру до 2000 К, имеют плотность порядка 2т/кв.м, исследована возможность создания пористых материалов с плотностью, не превышающей 1т/кв.м и значительно меньшей теплопроводностью. В рамках инвестиционного проекта проведены исследования структур углеродно-керамических материалов с разной степенью пористости (от 50% до 0%), имеющих хаотическую и плоско-параллельную ориентацию волокон. Для них с применением пакета программ MSD.Digimat проведено математическое моделирование основных элементов структуры, а с помощью программ ANSYS Mechanical исследованы процессы теплового обмена и деформирования представительных элементов. В ходе моделирования были получены поля напряжений и температур, обеспечившие идентификацию термомеханических (в т.ч., анизотропный коэффициент теплового расширения) и теплофизических (в частности, анизотропный коэффициент теплопроводности) параметров материалов и их зависимость от прочностных характеристик.

В РКК ««Энергия» имени С.П.Королева» разработана концепция мягкой посадки на планеты с атмосферой при помощи парашютной системы с упругим звеном. Инвестиционный проект предусматривает проведение НИОКР по исследованию закономерностей движения парашютной системы, что предполагает построение математической модели взаимодействия N материальных точек с невесомыми (пренебрежимо «маловесомыми») упругими связями (детально рассматривается частный случай с N=3).

Инвестиционный проект по анализу функционирования космических тросовых систем при комбинированном управлении связкой подготовлен в ФГУП ЦНИИмаш. Для трех классов подвижных плоскостей (каждый из которых – бесконечная совокупность проходящих через ось орбитальной системы координат) относительного движения изучено управляемой некомпланарное движение комплекса связанных объектов. В рамках проекта проведено математическое моделирование управляемого движения с идентификацией возможных дополнительных режимов. В частности, оценена эффективность предлагаемого в рамках инвестпроекта комбинированного метода по сравнению с традиционными подходами.

В Национальном исследовательском университете (НИУ) «Московский авиационный институт» (МАИ) в рамках инвестпроекта изучено применение космических тросовых комплексов в структуре наноспутниковых систем, позволяющих решить проблемы функционирования группировки электродинамических космических аппаратов малой массы (класс наноспутников) для систем энергообеспечения космических объектов. Проведено математическое моделирование динамики орбитальных тросовых систем, получен их «проектный облик» (эскиз) применительно к малым космическим аппаратам класса наноспутников, построены классы математических моделей их развертывания и функционирования применительно к стадиям этапам реализации инвестиционного проекта по созданию наноспутниковых систем. Примером является компоновка двухмодульного тросового наноспутника для отработки процессов развертывания системы. Развитием данного инвестиционного проекта служит моделирование динамики космической тросовой системы класса «наноспутник» для сведения космических аппаратов с орбиты. Математическое моделирование ориентировано на создание орбитальной связки на «наноспутниковой» базе и анализ движения орбитальной тросовой системы в режиме тормозного устройства. Исследование динамики развертывания механических тросовых систем и построения математических моделей космических аппаратов с тросово-кабельными связями обеспечат отработку технологий возврата на земную поверхность малоразмерных спускаемых аппаратов и тросовых стыковок космических аппаратов с применением специальных стыковочных узлов для наноспутников. Инвестиционный проект позволит создать малоразмерные электродинамические космические буксиры для поэтапного монтажа на орбите Земли и Луны сложных конструкций. В рамках другого инвестпроекта НИУ «МАИ» по моделированию теплового режима солнечного зонда с учетом столкновений с высокоскоростными частицами пыли изучено их ударное воздействие, снижающее степень тепловой защиты экрана, ухудшению его теплоизоляционных свойств, снижению работоспособности и нарушению структурной целостности. Установлено, что диаметры кратеров на экране, возникающие при столкновении с частицами, составляют не более 2 мм.

Разработка композитного крыла сверхзвукового летательного аппарата реализована в рамках внутрикорпоративного инвестиционного проекта АО «Корпорация «Тактическое ракетное вооружение»». При замене титановой консоли крыла на консоль, изготовленную из «углерод-углеродного» композиционного материала, потребовалось решение проблем флаттера, динамической прочности при раскрытии и статической прочности. Послойное моделирование «углерод-углеродной» конструкции выполнено с учетом межслоевой прочности материала. По результатам динамического моделирования крыльевого модуля отработано раскрытие титанового крыла, рассчитаны оптимальные параметры трения качения с учетом модели удара. Построение диаграмм раскрытия композитного и титанового крыльев позволило их сопоставить по критической скорости флаттера, что позволило снизить вес крыла на 44%. В рамках инвестиционного проектирования были применены программные продукты MSC.Adams (решение задачи определения степени динамической прочности при раскрытии) и MSC.Nastran (определение статической прочности крыла из углерод-углеродного композиционного материала). Например, пакет MSC.Nastran/Aeroelasticity применялся для математического моделирования системы и вычисления динамических аэроупругих консольных характеристик, балансировки и определения критичных участков конструкции для их последующего упрочения. Важно отметить, что согласно Распоряжению Правительства Российской Федерации № 475-р от 21.03.2016, в соответствии с Федеральным законом «О закупках товаров, работ, услуг отдельными видами юридических лиц» утвержден перечень конкретных юридических лиц, обязанных осуществлять закупки инновационной продукции и высокотехнологичной продукции, в т.ч., у субъектов малого и среднего предпринимательства. В прилагаемом к распоряжению Перечне под пунктом 71 присутствует и «Корпорация «Тактическое ракетное вооружение» (г. Королев). Данная мера призвана не только стимулировать участие малого и среднего бизнеса в Международных инвестиционных проектах, в т.ч., в космической сфере, но и повысить объем отечественной импортозамещающей продукции (например, в ИТ-индустрии) на стратегически важных производствах, что обеспечит повышение уровня национальной промышленной безопасности.

Выводы и рекомендации:

1. Подавляющее большинство представленных разработок уже прошли начальные стадии инвестиционного проектирования и готовы к совместной реализации как компоненты Международного мегапроекта «Космос 2100» («Space XXI»). Развитие ряда проектов возможно с участием иностранного капитала в соответствии с законодательством РФ, некоторые проекты предполагают целенаправленное государственное финансирование до получения конкретных результатов. Формирование стратегической инвестиционной программы поддержки научных исследований по освоению космического пространства с привлечением отечественных и зарубежных инвесторов обеспечит приток капиталовложений в российскую промышленность.

2. В рамках работ по проведению детальной проектной экспертизы и разработки рекомендаций по оптимизации выполнения инвестиционных программ целесообразно научно-методическое сопровождение Международного мегапроекта «Космос 2100» («Space XXI») под патронажем старейшей отечественной академии – Российской академии наук при активном участии Военно-промышленной комиссии РФ, профильных министерств (включая Министерство обороны РФ, Министерство промышленности и торговли РФ, Министерство экономического развития РФ, Министерство транспорта РФ) и крупнейших отраслевых корпораций, в т.ч. Государственной корпорации по космической деятельности «РОСКОСМОС».

3. Международный инвестиционный проект «Космос 2100» является долгосрочной многоуровневой инвестпрограммой, рассчитанной на реализацию в течение ближайших десятилетий, и ориентирован на развитие научно-образовательной инфраструктуры России и укрепление ее космической промышленности. Финансовое сопровождение проекта поэтапное и предусматривает создание сети отраслевых региональных центров в Центральном, Северо-Западном, Южном, Северо-Кавказском, Приволжском, Уральском, Сибирском, Дальневосточном и Крымском федеральных округах при институтах РАН, крупнейших университетах, ФНЦ и НИЦ. Предусматривается привлечение частных инвестиций в подпроекты программы под государственные гарантии возврата заемных средств.