Des micro-ondes à l'espace et un peu de matan

Il y a une telle startup américaine Escape Dynamics, qui développe un lanceur d'un type assez inhabituel. Leur progéniture ne vole pas sur une source chimique interne (par exemple, la combustion de kérosène ou d'hydrogène dans l'oxygène), mais sur un micro-ondes externe. La force réactive est obtenue en éjectant de l'hydrogène chauffé, et elle est chauffée par un faisceau de micro-ondes à partir d'une source au sol. Les créateurs de cette startup pensent que sur une telle base, il est possible de développer un navire réutilisable facile et bon marché pour la sortie de charges série (jusqu'ici petites) dans l'espace. En effet, ce concept établit en quelque sorte un pont entre les médias jetables, ce qui implique la destruction de «fer» de haute technologie valant à chaque fois des dizaines de millions de dollars et des projets d'ingénierie (comme une boucle de lancement ou un ascenseur spatial), qui impliquent une production bon marché mais aussi un investissement prohibitif.




Plus intéressant encore, une source micro-ondes fonctionnant à une fréquence de 92,3 gigahertz est un gyrotron bien connu de mes lecteurs , qui sont utilisés pour le chauffage au plasma ECRH dans ITER et d'autres machines thermonucléaires. Pourquoi exactement lui? Seuls les gyratrons sont capables de générer des mégawatts de puissance micro-ondes à des fréquences aussi élevées. Pourquoi mégawatts et si hautes fréquences?


Gyrotron Escape Dynamics de 100 kilowatts


ET mégawatt de JSC "Geek".

Avec la fréquence, tout est simple. Même les missiles à accélération la plus rapide complètent la section active à une distance de 1 000 à 1 500 kilomètres du point de lancement. Même si vous mettez plusieurs stations, il est évident que nous ne ferons pas moins de 500 kilomètres de portée au navire. Si nous ne voulons pas perdre de rayonnement, il est souhaitable d'avoir une taille de spot de micro-ondes sur la cible ne dépassant pas 10 mètres. Cela correspond à une largeur de faisceau de 4 secondes d'arc. Pour créer un faisceau aussi étroit, le produit de la fréquence (en GHz) par le diamètre de l'antenne (en mètres) doit être de 18900! Ceux. pour une fréquence de 10 gigahertz, le diamètre de l'antenne sera de 1,9 km. Dieu merci, vous pouvez augmenter la fréquence ... par exemple, jusqu'à la célèbre fenêtre de transparence micro-ondes de 92,3 gigahertz, et obtenir un diamètre d'antenne équivalent de 205 mètres.



Ainsi, le premier moment devient clair - d'où vient le domaine des antennes rotatives (fonctionnant comme un réseau monophasé) et la fréquence de 92,3 GHz.

Maintenant sur le pouvoir. Escape Dynamics dit que l'impulsion spécifique de leur conception lors du fonctionnement à l'hydrogène sera de 700 à 850 secondes. Ce n'est pas un record, mais il ne nécessite pas de chauffer de l'hydrogène à 3200 C. Ce chiffre et le poids de la charge utile (200 kg) vous permettent de déterminer immédiatement certains paramètres importants de leur navette. Comment faire? D'après la formule de Tsiolkovsky et certaines hypothèses. On sait que pour se lancer en orbite, compte tenu de toutes les pertes, il faut composer 9300 m / s. Avec une impulsion spécifique de 700 secondes, en utilisant cette formule, nous pouvons trouver le rapport entre le poids du carburant (masse réactive) et le navire V = I * ln (Mn / Mk), où V est la vitesse que l'avion prendra, en laissant tomber avec l'impulsion spécifique I la masse de carburant Mt = Mn ( initial) - Mk (final). Nous obtenons le rapport de la masse initiale à la finale - 3,87. En supposant que nous ayons une super navette,qui pèse 1/4 de la masse du carburant contenu, il pèsera 500 kg et nous utiliserons 2 tonnes d'hydrogène. Et mettez 200 kg en orbite basse.



Maintenant, estimons la puissance de notre coussin chauffant micro-ondes. Le taux d'accélération des lanceurs modernes est en moyenne d'environ 2x G. Il vaut mieux être plus rapide, par exemple à 3,5 G, afin de ne pas trop s'éloigner des stations d'approvisionnement. Pour maintenir ce rythme, nous avons besoin de traction ((2,7 + 0,7) / 2) * 3,5 - 5,95 tonnes. Chaque kilogramme lancé par seconde donne 700 kg de traction (c'est en fait la signification physique du concept d'Impulsion Spécifique), ce qui signifie que nous devons chauffer 8,5 kg par seconde. Combien d'énergie est nécessaire pour cela? Là encore, c'est simple - l'hydrogène sort de la buse à une vitesse de 6867 m / s (c'est 700 secondes UI * 9.81), et selon la formule de l'énergie cinétique, chaque kilogramme transporte 23,6 mégajoules, et au total nous avons besoin de 200 mégawatts. Sensationnel. En fait, ce n'est pas très surprenant, car les moteurs-fusées ont des pouvoirs extraordinaires - par exemple, RD-171 - 27 gigawatts (avec une masse de 10 tonnes),et le moteur de navette SSME est d'environ 8 gigawatts.



Mais revenons au micro-ondes de 200 mégawatts. Malheureusement, même avec la disposition la plus favorable de l'émetteur par rapport au microvaisseau, au moins la moitié de l'énergie dévorera l'atmosphère. L'absorption dans la «fenêtre de transparence» est de 0,4 dB / km dans la basse atmosphère et de 0,1 dB / km dans la partie supérieure. Nous avons donc besoin de 400 mégawatts et compte tenu de l'efficacité des gyrotrons - 800 mégawatts du réseau. Permettez-moi de vous rappeler que l'installation record d'ITER produira 20 mégawatts - 1/20 de ce que Escape Dynamics a prévu. Et ce qui est intéressant, c'est que si leur projet en termes de véhicule de lancement est «immobilisé», les investissements à long terme d'ITER dans les gyrotrons seront nécessaires ici, y compris l'expérience de l'un des leaders mondiaux de cette industrie, l'entreprise Gijom de Nijni Novgorod et l'Institut de physique appliquée. Ce sont eux qui possèdent la technologie des gyrotrons mégawatts,qui peut être utilisé pour créer des champs émetteurs pour la technologie ED. Donc, de manière inattendue, les investissements dans la science en un seul endroit conduisent à l'apparition de tout à fait inhabituels.Eh bien, je souhaite aux startups américaines de réussir dans leur idée plutôt intéressante.

Source: https://habr.com/ru/post/fr383179/