?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

Существует такой американский стартап Escape Dynamics, который разрабатывает ракету-носитель довольно необычного типа. Их детище летает не на внутреннем химическом источнике (например горении керосина или водорода в кислороде) а на внешнем - микроволновом. Реактивная сила получается путем выбрасывания нагретого водорода, а нагревается он микроволновым лучом от наземного источника. Создатели этого стартапа верят, что на таком базисе можно разработать легкий, дешевый многоразовый корабль для вывода (пока небольших) серийных нагрузок в космос. Действительно, эта концепция как бы строит мост между одноразовыми носителями, подразумевающими уничтожение при каждом запуске высокотехнологичного "железа" на десятки миллионов долларов и астроинженерными проектами (типа пусковой петли или космического лифта), которые подразумевают дешевый вывод но и запредельную величину капиталовложений.

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 мегаватт - 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.

Comments

( 44 comments — Leave a comment )
equidamoid
Aug. 21st, 2015 08:38 pm (UTC)
Можно попробовать подсчитать, на какой высоте над установкой должна лететь птичка, чтобы как раз поджариться при падении
tnenergy
Aug. 21st, 2015 09:46 pm (UTC)
Думаю, что с таким лучиком эта установка будет не только птичек на любой высоте испарять, она и спутники на LEO способна будет сжигать как спички.
(no subject) - equidamoid - Aug. 22nd, 2015 11:48 am (UTC) - Expand
(no subject) - jr0 - Aug. 22nd, 2015 11:53 am (UTC) - Expand
thrasymedes
Aug. 21st, 2015 09:30 pm (UTC)
Из ракеты будет вылетать 8.5 кг водорода в секунду, да еще со скоростью 7 км/с. При взаимодействии с атмосферой получится огромный факел. Как через него будут проникать к ракете микроволны ?
tnenergy
Aug. 21st, 2015 09:45 pm (UTC)
Посмотрите ролик - микроволны приходят в "пузо" этого шаттла, а факел у него типа сзади. Интереснее другое - по моей прикидке что бы уложить 200 мегаватт в такой теплообменник "микроволны-водород" нужна плотность энергии где-то 20 мегаватт/м^2. Что-то мне подсказывает, что сделать материал, который будет при температуре 2500 градусов стоять в водороде и в таком теплопотоке (еще и в атмосфере) - нереально. Хотя может быть какой-то SiC...
(no subject) - kv_85c - Aug. 22nd, 2015 05:44 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Aug. 22nd, 2015 08:07 am (UTC) - Expand
__diogen__
Aug. 21st, 2015 10:34 pm (UTC)
Идея-то сама по себе не очень новая: у Левантовского в первой главе среди прочих "неортодоксальных схем" присутствует.
tnenergy
Aug. 21st, 2015 10:47 pm (UTC)
Ну тут инженерных вопросов очень много, а во времена Левантовского было столько, что в принципе переводило эту идею в фантазии, как космический лифт сегодня.
(no subject) - __diogen__ - Aug. 21st, 2015 10:50 pm (UTC) - Expand
kaguti
Aug. 21st, 2015 10:58 pm (UTC)
Теплопроводность газов невелика. Как они собираются обеспечить эффективный теплосъём с теплообменника для требуемых мощностей?!
tnenergy
Aug. 22nd, 2015 08:15 am (UTC)
Ну, в ЖРД как-то обеспечивают. Вопрос в другом - из какого материала они собираются сделать этот теплообменник, что бы он выдерживал водород с одной стороны, кислород с другой, 150 атмосфер внутри себя, температуру 2500К и еще аэродинамический износ при посадке?
(no subject) - kaguti - Aug. 22nd, 2015 11:33 am (UTC) - Expand
ardelfi
Aug. 22nd, 2015 02:24 am (UTC)
Фазированная решётка на 92.3ГГц и 400МВт из десятков отдельных поворотных антенн для нагрева водорода до импульса 800с -- это похоже худшая из идей по дешёвому выводу на орбиту. Одна лишь волшебная ФАР -- гарантированная могила для проекта, даже если есть бесконечное финансирование, которого нет и не будет. Волшебные материалы для корабля -- ещё одна гарантированная могила, более глубокая чем ФАР. Ну и самая глубокая могила -- это бюджет. Если бы такой проект затеял Raytheon/Boeing с финансированием из военного бюджета штатов, ещё можно было бы усомниться в его неизбежном провале. Эти парни похоже даже не понимают что хотят -- более скромные проекты на основе более реальных технологий заканчивались ничем из-за непредвиденных технологических проблем и перерасхода бюджета, например DC-X и X-30.

Edited at 2015-08-22 06:36 am (UTC)
tnenergy
Aug. 22nd, 2015 08:10 am (UTC)
>это похоже худшая из идей по дешёвому выводу на орбиту.

А какая лучшая? В принципе я согласен с проблематикой, но на фоне других вариантов все не так и плохо, имхо.

>Эти парни похоже даже не понимают что хотят -- более скромные проекты на основе более реальных технологий заканчивались ничем из-за непредвиденных технологических проблем и перерасхода бюджета, например DC-X и X-30.

Не сказал бы, что ГПВРД проще вот этой ФАР, скорее наоборот.
(no subject) - ardelfi - Aug. 22nd, 2015 08:27 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Aug. 22nd, 2015 11:12 am (UTC) - Expand
(no subject) - ardelfi - Aug. 22nd, 2015 11:38 am (UTC) - Expand
(no subject) - __diogen__ - Aug. 22nd, 2015 02:25 pm (UTC) - Expand
(no subject) - ardelfi - Aug. 22nd, 2015 03:02 pm (UTC) - Expand
gans2
Aug. 22nd, 2015 04:51 am (UTC)
Чего только не выдумают лишь бы не строить авторепликатор на Луне.
tnenergy
Aug. 22nd, 2015 08:13 am (UTC)
А его туда на "Союзах" вести? Кажется насовский в несколько тысяч начальных тонн оценивался?
(no subject) - gans2 - Aug. 22nd, 2015 09:22 am (UTC) - Expand
(no subject) - yazyazev - Aug. 22nd, 2015 03:08 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Aug. 22nd, 2015 06:57 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Aug. 23rd, 2015 10:28 am (UTC) - Expand
dimmcompany
Aug. 22nd, 2015 06:25 am (UTC)
ЦиОлковского

простите)
tnenergy
Aug. 22nd, 2015 08:11 am (UTC)
Да, поправил.
nicka_startcev
Aug. 22nd, 2015 08:02 am (UTC)
>Напомню, что рекордная установка ИТЭР, будет выдавать 20 мегаватта

опечатка. надо не мегаваттА.

а по теме -- уж лучше сравнивать с имеющимися АЭС, ГЭС, итп. выйдет как раз примерно "одна электростанция".

иищо мысля. а ведь в нижних слоях можно применить прямоточник (после достижения этак полутора махов) или обычный реактивный с внешним нагревом. будет экономия рабочего тела, снижение массы и/или увеличение массы выводимого и прочие плюшки ценой усложнения-удорожания носителя.
tnenergy
Aug. 22nd, 2015 08:12 am (UTC)
>Напомню, что рекордная установка ИТЭР, будет выдавать 20 мегаватта
>опечатка. надо не мегаваттА.

Изначально написал честные 22 мегаватта, а потом поправил на 20, что бы доли круглее были :)
screwdriver78
Aug. 22nd, 2015 09:07 am (UTC)
Ничего не выйдет.

При частоте под 100 гиг длина волны будет 3 мм. Значит, сфазировать дискретные излучатели надо будет с точностью не хуже 0,1 мм во всем диапазоне углов поворота, непрерывно, в активном режиме, то есть калибровка не поможет. Это нереализуемо технически при таком уровне мощности. Набежавшее облачко, подувший ветер развалят луч вдребезги из-за тепловых расширений элементов антенного поля.

jr0
Aug. 22nd, 2015 11:40 am (UTC)
Если ваши расчеты принять, а не проверять, то много надежд. Потому что некоторые или многие параметры, прямо влияющие на итог, легко улучшаются.

1. Эту штуку можно доставить на высоту в 12-15 км легко. Пойдет лайнер. Кстати, его удельный импульс измеряется тысячами секунд, но важнее, что это отдельная ступень с низкой тяговооруженностью. Излучатель можно разместить на высоте хотя бы 3 км, а можно и 5, если стараться. Таким образом половина вещества атмосферы убирается с пути луча и обеспечивается постоянство погодных явлений.

2. На высотах 10-40 км можно собирать рабочее тело - прямоточник без горения. Да еще с охлаждением воздуха на входе жидким водородом.

3. Тяга больше единицы вообще не нужна даже на высоте 12 км. Есть еще подъемная сила. А доставив 10 т на высоту в 200 км можно подумать об ионном орбитальном буксире на солнечных панелях.

Раз навскидку можно предложиь кратные улучшения параметров модели, то подумав можно обсуждать порядок улучшений.

Edited at 2015-08-22 11:47 am (UTC)
tnenergy
Aug. 22nd, 2015 06:55 pm (UTC)
>Тяга больше единицы вообще не нужна даже на высоте 12 км.

Если, конечно, понаставить излучающих станций, то да. Проблема еще в том, что желательно иметь все же больше одной трассы выведения.
(no subject) - jr0 - Aug. 22nd, 2015 07:09 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Aug. 22nd, 2015 07:17 pm (UTC) - Expand
(no subject) - jr0 - Aug. 22nd, 2015 08:02 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Aug. 22nd, 2015 08:14 pm (UTC) - Expand
yazyazev
Aug. 22nd, 2015 03:04 pm (UTC)
Ге-ге.
Я такое в 10м классе конструировал. Только у меня водород грел солазер на 150км орбите.
В общем остановился на улучшенном МАКСе.
shaitan_bashka
Aug. 22nd, 2015 06:07 pm (UTC)
Лазером греть лучше. Для микроволн уж очень большая антенна нужна, и, как выше было сказано, на практике это не реализовать. Теплообменник не реализуем в принципе, не таких материалов.
Намного реальнее двухступенчатая система, где первая ступень работает от внешнего источника энергии. Рабочее тело водород+сажа, двигатель напоминает обычный ЖРД с полированным соплом. Лазер светит непосредственно в сопло.
Осталось только непрерывный лазер на 200 МВт сделать)
tnenergy
Aug. 22nd, 2015 06:53 pm (UTC)
>Осталось только непрерывный лазер на 200 МВт сделать)

и желательно с КПД 50%. Дело за малым в общем-то.
(no subject) - shaitan_bashka - Aug. 23rd, 2015 05:40 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Aug. 23rd, 2015 08:22 am (UTC) - Expand
(no subject) - fom fom - Aug. 26th, 2015 07:38 pm (UTC) - Expand
( 44 comments — Leave a comment )

Profile

tnenergy
Ядерная энергия

Latest Month

November 2017
S M T W T F S
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
2627282930  
Powered by LiveJournal.com