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 Циолковского 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.

Источник: geektimes.ru/post/260674/