Pada gelombang mikro ke ruang dan sedikit matan

Ada startup Amerika yang bernama Escape Dynamics, Yang mengembangkan kendaraan peluncuran dari jenis yang agak tidak biasa. Keturunan mereka tidak terbang dengan sumber kimia internal (misalnya, membakar minyak tanah atau hidrogen dalam oksigen), tetapi menggunakan microwave eksternal. Gaya reaktif diperoleh dengan mengeluarkan hidrogen yang dipanaskan, dan dipanaskan oleh sinar microwave dari sumber tanah. Pencipta startup ini percaya bahwa dengan dasar seperti itu dimungkinkan untuk mengembangkan pesawat ruang angkasa yang mudah dan murah dan dapat digunakan kembali untuk meluncurkan (sejauh ini kecil) muatan serial ke ruang angkasa. Memang, konsep ini, seolah-olah, membangun jembatan antara media sekali pakai, yang menyiratkan penghancuran "besi" berteknologi tinggi bernilai puluhan juta dolar setiap kali dan proyek-proyek astroengineering (seperti loop peluncuran atau elevator ruang angkasa), yang menyiratkan output yang murah tetapi juga jumlah investasi yang mahal.




Hal yang paling menarik adalah bahwa sumber gelombang mikro yang beroperasi pada frekuensi 92,3 gigahertz adalah gyrotron yang dikenal oleh pembaca saya , yang digunakan untuk pemanasan plasma ECRH di ITER dan mesin termonuklir lainnya. Kenapa tepatnya dia? Hanya gyratron yang mampu menghasilkan megawatt daya microwave pada frekuensi tinggi. Mengapa megawatt dan frekuensi tinggi seperti itu?


100-kilowatt gyrotron Escape Dynamics


AND megawatt dari JSC "Geek".

Dengan frekuensi, semuanya sederhana. Bahkan rudal yang berakselerasi tercepat menyelesaikan bagian aktif pada jarak 1000-1500 kilometer dari titik awal. Bahkan jika Anda menempatkan beberapa stasiun, jelas bahwa kami tidak akan melakukan kurang dari 500 kilometer jangkauan ke kapal. Jika kita tidak ingin kehilangan radiasi, maka diinginkan untuk memiliki ukuran gelombang mikro pada target tidak lebih dari 10 meter. Ini sesuai dengan lebar balok 4 detik busur. Untuk membuat berkas sekecil itu, produk dari frekuensi (dalam GHz) dan diameter antena (dalam meter) haruslah 18900! Itu untuk frekuensi 10 gigahertz, diameter antena akan menjadi 1,9 km. Terima kasih Tuhan, Anda dapat menaikkan frekuensi ... misalnya, ke jendela transparansi gelombang mikro terkenal 92,3 gigahertz, dan dapatkan diameter antena setara dengan 205 meter.



Dengan demikian, momen pertama menjadi jelas - darimana medan antena putar (bekerja sebagai array bertahap) berasal dan frekuensi 92,3 GHz.

Sekarang tentang kekuatan. Escape Dynamics mengatakan bahwa impuls spesifik desain mereka ketika berjalan pada hidrogen adalah 700-850 detik. Ini bukan rekor tinggi, tetapi tidak memerlukan pemanasan hingga 3200 C. Angka ini dan berat muatan (200 kg) memungkinkan kita untuk segera menentukan beberapa parameter penting dari antar-jemput mereka. Bagaimana cara melakukannya? Dari formula Tsiolkovsky dan beberapa asumsi. Diketahui bahwa untuk masuk ke orbit, dengan memperhitungkan semua kerugian, perlu untuk memutar 9300 m / s. Dengan impuls spesifik 700 detik, rumus ini dapat digunakan untuk mengetahui rasio berat bahan bakar (massa reaktif) dan kapal V = I * ln (Mn / Mk), di mana V adalah kecepatan yang akan diambil pesawat, menjatuhkan massa bahan bakar Mt = Mn dengan impuls spesifik I ( awal) - Mk (final). Kami mendapatkan rasio massa awal hingga akhir - 3.87. Dengan asumsi kami memiliki pesawat ulang-alik super,yang berbobot 1/4 dari massa bahan bakar yang terkandung, itu akan berubah dengan berat 500 kg, dan kita akan menggunakan 2 ton hidrogen. Dan masukkan 200 kg ke orbit rendah.



Sekarang mari kita perkirakan kekuatan alas pemanas microwave kami. Tingkat percepatan kendaraan peluncuran modern rata-rata sekitar 2x G. Kita lebih baik lebih cepat, misalnya pada 3,5 G, agar tidak terlalu jauh dari stasiun pasokan. Untuk mempertahankan kecepatan ini, kita perlu traksi ((2,7 + 0,7) / 2) * 3,5 - 5,95 ton. Setiap kilogram yang dilemparkan per detik menghasilkan traksi 700 kg (ini sebenarnya makna fisik dari konsep Impuls Khusus), yang berarti kita perlu memanaskan 8,5 kg per detik. Berapa banyak energi yang dibutuhkan untuk ini? Sekali lagi, ini sederhana - hidrogen terbang keluar dari nosel dengan kecepatan 6867 m / s (ini adalah 700 detik UI * 9,81), dan menurut rumus energi kinetik, setiap kilogram membawa 23,6 megajoule, dan totalnya kita membutuhkan 200 megawatt. Wow. Sebenarnya, itu tidak terlalu mengejutkan, karena mesin roket memiliki kekuatan luar biasa - misalnya, RD-171 - 27 gigawatt (dengan massa 10 ton),dan mesin antar-jemput SSME sekitar 8 gigawatt.



Tetapi kembali ke microwave 200 megawatt. Sayangnya, bahkan dengan pengaturan emitor yang paling baik dibandingkan dengan microsattle, setidaknya setengah dari energi akan memakan atmosfer. Penyerapan di "jendela transparansi" adalah 0,4 dB / km di atmosfer bawah dan 0,1 dB / km di atas. Jadi kita membutuhkan 400 megawatt dan diberi efisiensi gyrotron - 800 megawatt dari jaringan. Biarkan saya mengingatkan Anda bahwa instalasi rekaman ITER akan menghasilkan 20 megawatt - 1/20 dari apa yang direncanakan Escape Dynamics. Dan yang menarik adalah bahwa jika proyek mereka dalam hal kendaraan peluncuran "diikat", maka investasi jangka panjang ITER dalam gyrotron akan diperlukan di sini, termasuk pengalaman salah satu pemimpin dunia dalam industri ini, perusahaan Nizhny Novgorod Gikom dan Institut Fisika Terapan. Mereka adalah orang-orang yang memiliki teknologi gyrotron megawatt,yang dapat digunakan untuk membuat bidang pemancar untuk teknologi ED. Jadi, secara tak terduga, investasi dalam sains di satu tempat mengarah pada penampilan yang benar-benar tidak biasa. Saya berharap para startup Amerika sukses dalam ide mereka yang agak menarik.

Source: https://habr.com/ru/post/id383179/