Em microondas para o espaço e um pouco de matan

Existe uma startup americana Escape Dynamics, que está desenvolvendo um veículo de lançamento de um tipo bastante incomum. Seus filhos não voam em uma fonte química interna (por exemplo, queimando querosene ou hidrogênio em oxigênio), mas em um externo - micro-ondas. A força reativa é obtida pela ejeção de hidrogênio aquecido e é aquecida por um feixe de microondas de uma fonte terrestre. Os criadores desta startup acreditam que, com base nisso, é possível desenvolver uma espaçonave reutilizável fácil e barata para lançar (até agora pequenas) cargas seriais no espaço. De fato, esse conceito, por assim dizer, constrói uma ponte entre a mídia descartável, o que implica a destruição de "ferro" de alta tecnologia no valor de dezenas de milhões de dólares por vez e projetos de astroengenharia (como um loop de lançamento ou elevador espacial), que implicam uma produção barata, mas também uma quantidade proibida de investimento.




O mais interessante é que uma fonte de microondas que opera com uma frequência de 92,3 gigahertz é um girotron bem conhecido dos meus leitores , que é usado para aquecimento por plasma ECRH no ITER e em outras máquinas termonucleares. Por que exatamente ele? Somente os giratrons são capazes de gerar megawatts de potência de microondas em frequências tão altas. Por que megawatts e frequências tão altas?


Dinâmica de Escape de 100 quilowatts de giroscópio


e megawatt de JSC "Geek".

Com frequência, tudo é simples. Até os mísseis de aceleração mais rápida completam a seção ativa a uma distância de 1.000 a 1.500 quilômetros do ponto de partida. Mesmo se você colocar várias estações, é óbvio que não faremos menos de 500 quilômetros de alcance para o navio. Se não queremos perder radiação, é desejável ter um tamanho de ponto de microondas no alvo não superior a 10 metros. Isso corresponde a uma largura de feixe de 4 segundos de arco. Para criar um feixe tão estreito, o produto da frequência (em GHz) pelo diâmetro da antena (em metros) deve ser 18900! Essa. para uma frequência de 10 gigahertz, o diâmetro da antena será de 1,9 km. Graças a Deus, você pode aumentar a frequência ... por exemplo, para a famosa janela de transparência de microondas de 92,3 gigahertz e obter um diâmetro de antena equivalente a 205 metros.



Assim, o primeiro momento fica claro - de onde veio o campo das antenas rotativas (trabalhando como um único arranjo em fases) e a frequência de 92,3 GHz.

Agora sobre poder. A Escape Dynamics diz que o impulso específico de seu design ao rodar com hidrogênio será de 700 a 850 segundos. Não é um recorde, mas não requer aquecimento de até 3200 C. Esse valor e o peso da carga útil (200 kg) permitem determinar imediatamente alguns parâmetros importantes de seu vaivém. Como fazer isso? Da fórmula de Tsiolkovsky e algumas suposições. Sabe-se que para entrar em órbita, levando em consideração todas as perdas, é necessário discar 9300 m / s. Com um impulso específico de 700 segundos, usando esta fórmula, podemos descobrir a razão entre o peso do combustível (massa reativa) e o navio V = I * ln (Mn / Mk), em que V é a velocidade que a aeronave irá atingir, diminuindo com o impulso específico I a massa de combustível Mt = Mn ( inicial) - Mk (final). Nós obtemos a razão da massa inicial para a final - 3,87. Supondo que temos um super shuttle,que pesa 1/4 da massa do combustível contido, ele pesa 500 kg e usaremos 2 toneladas de hidrogênio. E coloque 200 kg em órbita baixa.



Agora vamos estimar a potência da nossa almofada de aquecimento por microondas. A taxa de aceleração dos veículos lançadores modernos é, em média, de cerca de 2x G. Estamos melhor com mais rapidez, por exemplo, com 3,5 G, para não ficar muito longe das estações de abastecimento. Para manter esse ritmo, precisamos de tração ((2,7 + 0,7) / 2) * 3,5 - 5,95 toneladas. Cada quilograma jogado por segundo fornece 700 kg de tração (esse é realmente o significado físico do conceito de Impulso Específico), o que significa que precisamos aquecer 8,5 kg por segundo. Quanta energia é necessária para isso? Aqui, novamente, é simples - o hidrogênio voa para fora do bico a uma velocidade de 6867 m / s (isto é 700 segundos UI * 9,81) e, de acordo com a fórmula da energia cinética, cada quilograma carrega 23,6 megajoules e, no total, precisamos de 200 megawatts. Uau. Na verdade, não é muito surpreendente, porque os motores de foguete têm poderes extraordinários - por exemplo, RD-171 - 27 gigawatts (com uma massa de 10 toneladas),e o mecanismo de transporte SSME tem cerca de 8 gigawatts.



Mas voltando ao microondas de 200 megawatts. Infelizmente, mesmo com o arranjo mais favorável do emissor em relação ao microssattle, pelo menos metade da energia consome a atmosfera. A absorção na "janela de transparência" é de 0,4 dB / km na atmosfera mais baixa e 0,1 dB / km na parte superior. Portanto, precisamos de 400 megawatts e, dada a eficiência dos girotrons - 800 megawatts da rede. Deixe-me lembrá-lo de que a instalação recorde do ITER produzirá 20 megawatts - 1/20 do que o Escape Dynamics planejou. E o interessante é que, se o projeto deles em termos de veículo de lançamento estiver "empatado", serão necessários investimentos de longo prazo do ITER em girotrons aqui, incluindo a experiência de um dos líderes mundiais nesse setor, a empresa de Nizhny Novgorod, Gikom e o Institute of Applied Physics. Eles são os donos da tecnologia dos megotrat gyrotrons,que pode ser usado para criar campos emissores para a tecnologia ED. Assim, inesperadamente, os investimentos em ciência em um só lugar levam ao aparecimento de completamente incomuns: Bem, desejo às startups americanas sucesso em sua idéia bastante interessante.

Source: https://habr.com/ru/post/pt383179/