En microondas al espacio y un poco de matan

Existe una startup estadounidense como Escape Dynamics, que está desarrollando un vehículo de lanzamiento de un tipo bastante inusual. Su descendencia no vuela en una fuente química interna (por ejemplo, quemar queroseno o hidrógeno en oxígeno), sino en un microondas externo. La fuerza reactiva se obtiene al expulsar hidrógeno calentado, y se calienta mediante un haz de microondas desde una fuente terrestre. Los creadores de esta startup creen que sobre esa base es posible desarrollar una nave espacial reutilizable fácil y barata para lanzar cargas en serie (hasta ahora pequeñas) al espacio. De hecho, este concepto, por así decirlo, construye un puente entre los medios desechables, lo que implica la destrucción de "hierro" de alta tecnología por valor de decenas de millones de dólares cada vez y los proyectos de astroingeniería (como un bucle de lanzamiento o un elevador espacial), que implican una producción barata pero también una cantidad prohibitiva de inversión.




Lo más interesante es que una fuente de microondas que funciona a una frecuencia de 92.3 gigahercios es un girotrón bien conocido por mis lectores , que se utiliza para el calentamiento por plasma ECRH en ITER y otras máquinas termonucleares. ¿Por qué exactamente él? Solo los gyratrones son capaces de generar megavatios de potencia de microondas a frecuencias tan altas. ¿Por qué megavatios y frecuencias tan altas?


Girotrón de 100 kilovatios Escape Dynamics


Y megavatios de JSC "Geek".

Con frecuencia, todo es simple. Incluso los misiles aceleradores más rápidos completan la sección activa a una distancia de 1000-1500 kilómetros desde el punto de partida. Incluso si coloca varias estaciones, es obvio que no lo haremos con menos de 500 kilómetros de alcance para el barco. Si no queremos perder radiación, es deseable tener un tamaño de punto de microondas en el objetivo de no más de 10 metros. Esto corresponde a un ancho de haz de 4 segundos de arco. Para crear un haz tan estrecho, ¡el producto de la frecuencia (en GHz) y el diámetro de la antena (en metros) debe ser 18900! Aquellos. Para una frecuencia de 10 gigahercios, el diámetro de la antena será de 1,9 km. Gracias a Dios, puede elevar la frecuencia ... por ejemplo, a la famosa ventana de transparencia de microondas de 92.3 gigahercios, y obtener un diámetro de antena equivalente de 205 metros.



Por lo tanto, el primer momento queda claro: ¿de dónde proviene el campo de antenas rotativas (que funciona como una matriz en fase única) y la frecuencia de 92.3 GHz.

Ahora sobre el poder. Escape Dynamics dice que el impulso específico de su diseño cuando se ejecuta en hidrógeno será de 700-850 segundos. Este no es un récord, pero no requiere calentar hasta 3200 C. Esta cifra y el peso de la carga útil (200 kg) nos permiten determinar de inmediato algunos parámetros importantes de su lanzadera. ¿Cómo hacerlo? De la fórmula Tsiolkovsky y algunos supuestos. Se sabe que para entrar en órbita, teniendo en cuenta todas las pérdidas, es necesario marcar 9300 m / s. Con un impulso específico de 700 segundos, utilizando esta fórmula, podemos encontrar la relación del peso del combustible (masa reactiva) y el barco V = I * ln (Mn / Mk), donde V es la velocidad que recogerá la aeronave, cayendo con el impulso específico I la masa de combustible Mt = Mn ( inicial) - Mk (final). Obtenemos la razón de la masa inicial a la final: 3.87. Asumiendo que tenemos un súper transbordador,que pesa 1/4 de la masa del combustible contenido, tendrá un peso de 500 kg y utilizaremos 2 toneladas de hidrógeno. Y poner 200 kg en órbita baja.



Ahora, calculemos la potencia de nuestra almohadilla térmica para microondas. La tasa de aceleración de los vehículos modernos de lanzamiento es, en promedio, aproximadamente 2x G. Estamos mejor más rápido, por ejemplo a 3.5 G, para no alejarnos demasiado de las estaciones de suministro. Para mantener este ritmo, necesitamos tracción ((2.7 + 0.7) / 2) * 3.5 - 5.95 toneladas. Cada kilogramo lanzado por segundo proporciona 700 kg de tracción (este es en realidad el significado físico del concepto de Impulso específico), lo que significa que necesitamos calentar 8.5 kg por segundo. ¿Cuánta energía se necesita para esto? Aquí nuevamente, es simple: el hidrógeno sale de la boquilla a una velocidad de 6867 m / s (esto es 700 segundos UI * 9.81), y de acuerdo con la fórmula de energía cinética, cada kilogramo lleva 23.6 megajulios, y en total necesitamos 200 megavatios. Guau. En realidad, no es muy sorprendente, porque los motores de cohete tienen poderes extraordinarios, por ejemplo, RD-171: 27 gigavatios (con una masa de 10 toneladas),y el motor de lanzadera SSME es de aproximadamente 8 gigavatios.



Pero volvamos al microondas de 200 megavatios. Desafortunadamente, incluso con la disposición más favorable del emisor en relación con el microsattle, al menos la mitad de la energía devorará la atmósfera. La absorción en la "ventana de transparencia" es de 0.4 dB / km en la atmósfera inferior y 0.1 dB / km en la superior. Por lo tanto, necesitamos 400 megavatios y dada la eficiencia de los girotrones: 800 megavatios de la red. Permítame recordarle que la instalación récord de ITER producirá 20 megavatios, 1/20 de lo que planeó Escape Dynamics. Y lo interesante es que si su proyecto en términos del vehículo de lanzamiento está "atado", entonces las inversiones a largo plazo de ITER en girotrones serán necesarias aquí, incluida la experiencia de uno de los líderes mundiales en esta industria, la empresa Nizhny Novgorod Gikom y el Instituto de Física Aplicada. Ellos son los dueños de la tecnología de megavatios gyrotrons,que puede usarse para crear campos emisores para la tecnología ED. Entonces, inesperadamente, las inversiones en ciencia en un lugar conducen a la aparición de otras completamente inusuales. Bueno, deseo que las startups estadounidenses tengan éxito en su idea bastante interesante.

Source: https://habr.com/ru/post/es383179/