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.
Комментарии (12)
SPBNike
22.08.2015 16:56Кстати, был забавный попил у американцев с предложением поставить лазер на самолёт и сбивать взлетающие ракеты на большом удалении (в сотни километров). Когда рассказывали про рассеяние луча, совмещающее в себе ослабление в атмосфере и быстрый рост размера пятна, делающий такой вид оружия менее эффективным, чем обычный артиллерийский огонь — энтузиасты этого дела не верили и считали это происками пропаганды.
VIK52
22.08.2015 17:08Не столько рассеяние и ослабление, сколько рост всяких нелинейных эффектов типа плазмообразования в канале распространения. Чем больше исходная мощность, тем сильнее они проявляются. Замкнутый круг
macik_spb
23.08.2015 00:05А как такая микроволновка будет влиять на окружающую среду? Что-то мне подсказывает, что шутки с атмосферой не проходят даром.
rPman
23.08.2015 00:52Обычная гроза, сотни мегават
Total power: A moderate thunderstorm generates several hundred megawatts of electrical power.
Так что природа даже не заметит
undecim
23.08.2015 04:35+3Хорошая статья. Люблю такие, где через простые математические выкладки доказывается состоятельность или невыполнимость разных проектов. Заодно и базовую физику подтягивают.
И оффтоп: предлагаю нижегородскому предприятию взять себе такой слоган:
Если вы выросли гиком — Идите работать к нам в «Гиком».
rPman
p.s. водород выбран неслучайно?
tnenergy
>А в чем проблема, разве мощности не складываются?
Проблема в том, что никто даже близко ничего такого не делал, а значит сложности могут вылезать и вылезать — про них вам никто заранее не расскажет.
>т.е. проблема будет стоять в создании поля излучателей, работающих синхронно.
В т.ч. Для такой мегаФАР с такой высокой частотой контроль расстояний между антеннами, углов их наклона, фазировка генераторов может быть довольно серьезным челенджем. Типа знать взаимное расположение элементов двух антенн с точностью 0,3 мм на базе 200 м.
Водород выбран неслучайно. Удельным импульс такой системы (да и ЖРД тоже) зависит от молярной массы выхлопа как обратный корень. Т.е. воздух с молярной массой 29 будет показывать УИ в 3 раза меньше.