На микроволнах в космос и немного матана.

[tnenergy.livejournal.com]

Оригинал взят у tnenergy в На микроволнах в космос и немного матана.

Существует такой американский стартап Escape Dynamics, который разрабатывает ракету-носитель довольно необычного типа. Их детище летает не на внутреннем химическом источнике (например горении керосина или водорода в кислороде) а на внешнем - микроволновом. Реактивная сила получается путем выбрасывания нагретого водорода, а нагревается он микроволновым лучом от наземного источника. Создатели этого стартапа верят, что на таком базисе можно разработать легкий, дешевый многоразовый корабль для вывода (пока небольших) серийных нагрузок в космос. Действительно, эта концепция как бы строит мост между одноразовыми носителями, подразумевающими уничтожение при каждом запуске высокотехнологичного "железа" на десятки миллионов долларов и астроинженерными проектами (типа пусковой петли или космического лифта), которые подразумевают дешевый вывод но и запредельную величину капиталовложений.

Самое интересно то, что микроволновый источник, работающий на частоте 92,3 гигагерца - хорошо знакомый моим читателям гиротрон, которые используются для ECRH нагрева плазмы в ИТЭР и других термоядерных машинах. Почему именно он? Только гиратроны способны генерировать мегаватты микроволновой мощности на таких высоких частотах. А почему мегаватты и такие высокие частоты?


100-киловаттный гиротрон Escape Dynamics

И мегаваттный от ОАО "Гиком".

С частотой все просто. Даже самые быстро ускоряющиеся ракеты заканчивают активный участок в удалении 1000-1500 километрах от точки старта. Даже если поставить несколько станций, очевидно, что меньше, чем 500 километрами дальности до корабля мы не обойдемся. Если мы не хотим терять излучение, то желательно иметь размер пятна микроволн на цели не больше 10 метров. Это соответствует ширине луча в 4 угловые секунды. Что бы создать такой узкий луч, произведение частоты (в ГГц) на диаметр антенны (в метрах) должно равняться 18900! Т.е. для частоты 10 гигагерц диаметр антенны будет 1,9 км. Слава богу, можно поднять частоту ... например до известного микроволнового окна прозрачности в 92,3 гигагерца, и получить диаметр эквивалентной антенны в 205 метров.

Таким образом становится понятен первый момент - откуда взялось поле поворотных антенн (работающих, как единая фазированная решетка) и частота в 92,3 ГГц.

Теперь про мощность. Escape Dynamics говорит, что удельный импульс их конструкции при работе на водороде составит 700-850 секунд. Это не рекордно много, но зато не требует нагревать водород до 3200 С. Эта цифра и вес выводимой полезной нагрузки (200 кг) позволяет сразу определить некоторые важные параметры их шаттла. Как это сделать? Из формулы Циалковского и некоторых предположений. Известно, что для вывода на орбиту с учетом всех потерь необходимо набрать 9300 м/с. При удельном импульсе 700 секунд по этой формуле можно узнать соотношение веса топлива (реактивной массы) и корабля V = I * ln (Mn/Mk), где V - скорость, которую наберет ЛА, отбрасывая с удельным импульсом I массу топлива Mt = Mn (начальная) - Mk (конечная). У нас получится соотношение начальной массы к конечной - 3,87. Если считать, что у нас супер-шаттл, который весит 1/4 от массы вмещаемого топлива, то он получится весом в 500 кг, а водорода мы израсходуем 2 тонны. И выведем 200 кг на низкую орбиту.

Теперь давайте прикинем мощность нашей микроволновой грелки. Темп ускорения современных РН в среднем - около 2х G. Нам лучше быстрее, например в 3,5 G что бы не удаляться слишком от питающих станций. Для поддержания такого темпа нам понадобится тяга ((2,7 + 0,7)/2)*3.5  - 5,95 тонны. Каждый отбрасываемый килограмм в секунду дает 700 кг тяги (собственно это и есть физический смысл понятия Удельный Импульс), значит нам надо греть 8,5 кг в секунду. Сколько нужно на это энергии? Тут опять просто - водород улетает из сопла на скорости 6867 м/с (это 700 секунд УИ * 9,81), и по формуле кинетической энергии каждый килограмм несет 23,6 мегаджоуля, а всего нам понадобится 200 мегаватт. Ничего себе. На самом деле не очень удивляет, ведь ракетные двигатели имеют запредельные мощности - например РД-171 - 27 гигаватт (при массе 10 тонн), а двигатель шаттла SSME - порядка 8 гигаватт.

Но возвращаясь к микроволновке мощностью 200 мегаватт. К сожалению даже при самом удачном расположении излучателя относительно микрошаттлика не менее половины энергии сожрет атмосфера. Поглощение в "окне прозрачности"  - 0,4 dB/km в нижних слоях атмосферы и 0,1 dB/km в верхних. Значит нам надо 400 мегаватт и учитывая кпд гиротронов - 800 мегаватт от сети. Напомню, что рекордная установка ИТЭР, будет выдавать 20 мегаватта - 1/20 от того, что запланировали Escape Dynamics. И интересно то, что если их проект в части средства выведения "завяжется", то здесь понадобятся многолетние вложения проекта ИТЭР в гиротроны, и в том числе опыт одного из мировых лидеров в этой отрасли - нижегородского предприятия "Гиком" и Института Прикладной Физики. Именно они владеют технологией мегаваттных гиротронов, которые можно использовать при создании излучающих полей для технологии ED. Вот так вот неожиданно вложения в науку одном месте приводят к появлению совершенно необычных Что ж, пожелаю успеха американским стартаперам в их довольно интересной идее.

Comments

[fan-d-or.livejournal.com]

>> поле поворотных антенн (работающих, как единая фазированная решетка)

Именно ФАР?

А за каким хреном она сдалась? И не являются ли проблемы фазовой синхронизации/точности сами по себе при таких размерах антенного поля куда более крутыми, чем фокусировка десятиметрового рабочего пятна за полтыщи км?

ХИНТ: ФАР - это прежде всего когерентное излучение! И значит, что механическая точность (включая тепловые и чисто прочностные проблемы) должна составлять десятые, а лучше сотые доли длины волны. Причём, как в конструкции зеркал (с учётом их подвижности), так и в конструкции синхронизирующих волноводов.
И про временнУю точность в ФАР-технологии забывать невозможно - увеличение рабочих частот, то есть уменьшение длины волны приводит к требованиям временнОй точности, такой же физической размерности, как и пространственной: то есть, временная точность должна быть не хуже всё той заданной пространственной, с учётом скорости света - и значит временнОе разрешение системы управления (задержки фазы) должно быть таким, что свет за это время пробежит не более десятой/сотой доли длины волны (!).

Вы себе представляете инженерную реализацию такой системы?
Я - нет...

ИМХО, в данной задаче имеет смысл только некогерентное антенное поле, смысл коего - только в увеличении потока энергии простым суммированием, без каких либо игрищ с когерентной фазой.

[igor-piterskiy.livejournal.com]

Вы плохо прочитали исходный текст. Надо получить очень узкий луч, какое, на хрен, "некогерентное поле"?

[iv-an-ru.livejournal.com]

> в данной задаче имеет смысл только некогерентное антенное поле

У меня более радикальное предложение: поставить мощный неподвижный излучатель, направленный в полусферу. При его включении разом греются и улетают все ракеты, не скрытые горизонтом :)

[son-of-anarchy.livejournal.com]

птичек жалко

[tnenergy.livejournal.com]

>А за каким хреном она сдалась?

Вы предлагаете вместо этого сделать полноповоротную антенну диаметром 200 метров и в ней еще поворотный узел передачи радиочастотной энергии на 400 мегаватт?

>И значит, что механическая точность (включая тепловые и чисто прочностные проблемы) должна составлять десятые, а лучше сотые доли длины волны. Причём, как в конструкции зеркал (с учётом их подвижности), так и в конструкции синхронизирующих волноводов.

На самом деле этот вопрос частично можно решить фазовращателями.

>И про временнУю точность в ФАР-технологии забывать невозможно

Это как раз не так сложно. Изначально это все калибруется, а потом можно будет настраиваемыми линиями задержки/фазовращателями при каждом включении быстро собирать.

>ИМХО, в данной задаче имеет смысл только некогерентное антенное поле, смысл коего - только в увеличении потока энергии простым суммированием, без каких либо игрищ с когерентной фазой.

Ну вот только на расстоянии в 400 км у вас пятно будет километр диаметром и никто никуда не полетит.

[fan-d-or.livejournal.com]

Фазовращатели - управляемые! - есть штатная часть ФАР!
Их в конструкции - по числу элементов массива.

И речь идёт о точности управления каждым из таких фазовращателей/линий задержки - и точность эта (разрешающая способность во временнОй области) должна составлять доли миллиметра хода светового луча!
Это при условии, что жёсткость конструкции тоже не превышает этой величины.

Очень интересно почитать про системы настройки и калибровки такой системы...

ХИНТ: нельзя быть слегка беременной - если это ФАР, то элементы неподвижны, а если элементы крутятся - забудь про ФАР...

[kincajou.livejournal.com]

вообще-то можно.

[fan-d-or.livejournal.com]

Можно.
Но будь любезен обеспечить указанные точности механического позиционирования.

[kincajou.livejournal.com]

заодно появляется достойное оружие против "Звезды смерти". Когда Император пришлёт свою военную станцию к Земле, его встретит очень неприятный сюрприз!

[vugi.livejournal.com]

Что-то на этом комментарии поперхнулся.. )))

[kincajou.livejournal.com]

ещё можно сжигать космический мусор и спутники от конкурентов

[tnenergy.livejournal.com]

Превращать их в мусор и сжигать.

[iv-an-ru.livejournal.com]

> Когда Император пришлёт свою военную станцию к Земле, его встретит очень неприятный сюрприз!
...неприятный, но только один раз в сутки. Земля-то вертится, вместе с сюрпризом на ней :)

[kincajou.livejournal.com]

Луч можно крутить, насколько я понимаю. Так что система видит почти что половину неба, за вычетом неизбежных проблем ближе к горизонту.

[ping-ving.livejournal.com]

Антенны же поворотные, так что часов восемь в сутки, наверное, открыто.

[iv-an-ru.livejournal.com]

Есть ньюанс. Вот лежит решетка на плоском поле, светит в зенит, всё в порядке. Хочется обеспечить ту же расходимость пучка для любой цели у горизонта, с углом места не 90 градусов, а некое фи --- изволь увеличить площадь решетки в 1 / (квадрат косинуса фи) раз. Так что практичнее 12 сюрпризов --- 4 по экватору и по 4 на каждой из широт 45.

[kincajou.livejournal.com]

и на полюса

[iv-an-ru.livejournal.com]

На полюса в такой раскладке уже не надо. Скажем, в северном полюсе будут сходиться верхние углы четырёх "северных" квадратов обстрела (южные углы "северных" квадратов разместятся на экваторе, совпав с северными углами "южных" квадратов). Если решётки строить не квадратными, а из концентрических кругов, то сгодятся 12 сюрпризов в центрах граней описанного додэкаэдра.

[igor-piterskiy.livejournal.com]

"И интересно то, что если их проект в части средства выведения "завяжется", то здесь понадобятся многолетние вложения проекта ИТЭР в гиротроны, и в том числе опыт одного из мировых лидеров в этой отрасли - нижегородского предприятия "Гиком" и Института Прикладной Физики. Именно они владеют технологией мегаваттных гиротронов, которые можно использовать при создании излучающих полей для технологии ED."

У этих ребят на сайте максимум 1МВт гиротрон значится, а у американской Communications & Power Industries - 1.4 МВт...

[tnenergy.livejournal.com]

1.4 у CPI импульсный. Впрочем 1,5 мегаватта из ИТЭРовских на 200-300 секунд выжать видимо можно, потом он перегревается. Но это и предел на сегодня - THALES пытался сделать 2-х мегаваттный постоянной мощности с некой новой конструкцией, но у них не получилось.

[cat-miaow.livejournal.com]

Какие-то аццкие агрегаты ради вывода 200кг на орбиту.

Ребята не там ищут финансирование, имхо. Надо переименовать проект в "луч смерти" и предложить военным - дело сразу пойдёт бодрее  :)

[e-maksimov.livejournal.com]

"Не взлетит!"

[ivanoff1999.livejournal.com]

Читал как НФ рассказ с обоснованием из школьного учебника физики.

[dkfl.livejournal.com]

вот что значит творчески развить идею батута!

[jambojet.livejournal.com]

И все это ради вывода 200кг на низкую орбиту?

Даже OTRAG тут выглядит перспективней.
Капиталовложения - низкие, риски - около нуля, проблем с законом - намного меньше.

[kincajou.livejournal.com]

и, кстати, много вкусной пищи для конспирологов, любящих потрындеть за HAARP