文摘
介绍了艺术的状态微波火箭发展和相关研究在一束高功率毫米波大气放电。其运行机制、推进器设计发展的历史,介绍了飞行路径和成本分析以及毫米波放电观测和数值模拟。126克重的推进器模型没有推出车载燃料使用1 MW类回旋振荡管1.2米的高度。飞行分析显示77%降低成本是可能的使用微波火箭H-IIB沉重的第一阶段。毫米波与独特的等离子体放电结构如旧村四分之一波长微观结构和单纤维的结构是由一个二维数值模型。观察和复制
1。介绍
许多最近的研究一直致力于无线电力传输系统的飞行物体使用激光和微波等电磁波辐射(1- - - - - -3]。电力的使用带来了很多好处,因为它效率,无毒性,不爆炸的特性。光束能源推进4- - - - - -15)作为空间运输系统收益的推进能源以外的无线车辆使用传送能源。各种推进机制已经被提议作为替代传统化学火箭推进。
太空发射系统是由一束电磁波辐射从地面,如图1。2000年,Myrabo演示启动使用10千瓦类脉冲推进器模型有限公司2激光海拔71米的飞行持续12.7秒(9]。的车辆,Lightcraft,重约50克,是由laser-supported爆炸(LSD)。帕金和村上提出了微波热推进器;的概念,这是加速车载燃料加热通过热交换器由毫米波辐照束从地面(10]。氢燃料达到液态氧/ LH2火箭推进剂消耗速率的两倍。
在detonation-type推进器、激光或毫米波引发大气放电。一个电离面前以超音速的速度传播向激波附带的能量来源。这种波是指定为LSD或millimeter-wave-supported爆炸(MSD),电磁波的能量转换与推力直接和有效。
如本文所述,推进器由大气毫米波放电,微波火箭介绍了。微波火箭特点是三个特性。首先,它可以实现高负载率,因为车辆不需要装载燃料和氧化剂机上。相反,它使用大气作为推进剂在飞行在密集的气氛中。第二,一旦一个电磁波发生器设施,如振动陀螺仪,是建在地面上,在多个发射可重用。第三,高压气体通过millimeter-wave-supported爆炸产生抽插。因此,不需要涡轮泵系统。由于这些理由,微波火箭预计将实现大幅启动成本降低。
回旋振荡管是一种高功率毫米波振荡器使用回旋共振微波激射器能量转换的电能的现象。回旋振荡管发展的最初目的是核聚变等离子体加热使用电子回旋加热和电流驱动。在日本国家量子与放射科学技术研究所(QST,以前日本原子能机构),一个回旋振荡管振荡170 GHz发达国际热核实验反应堆(ITER)项目(16- - - - - -18]。振动效率的改进使用的集合抑郁电能使输出功率大于1 MW。ITER项目的详细特征QST回旋振荡管展示在表1。毫米波光束不如一束激光的方向性,但毫米波段是有吸引力的因为回旋振荡管的成本制造成本低于激光振荡器由2 - 4数量级。
2。推进器的结构和发动机循环
微波火箭由一个圆柱管的MSD波传播和封闭式,称为推力壁,高压条件持续。吸气式的,里德阀门安装在管壁上。它的发动机循环与一个典型的脉冲爆轰发动机循环,呈现在图2。(1)毫米波光束由锥形line-focused集中器。推力壁附近大气击穿发生。(2)一个MSD波传播向推进器出口,吸收入射毫米波功率。(3)时MSD波是通过管出口,筋疲力尽的毫米波脉冲悬浮。同时,扩张浪潮开始传播的上游管从退出到推力墙。(4)当膨胀波到达推力墙,墙上反射,产生消极的规管内部的压力。由于这种负压,簧片阀打开。新鲜空气是被动的。脉冲推力产生间歇性地重复这种循环。
化学爆炸定居到稳态称为查普曼儒盖(C-J)引爆,赋予一定的最高压力增加热输入(19]。另一方面,众所周知,默沙东-波的传播速度超过C-J速度,我们称之为over-driven爆炸。为了预测冲击波背后的条件,更重要的是检查梁强度和传播速度之间的关系。
3所示。推进器的发展和推出示威
2001年,等离子体点燃了聚焦光束发射QST振动陀螺仪在大气条件下使用抛物面反射器。在2003年第一次发射试验使用了930千瓦毫米波梁在单脉冲操作。微型火箭模型重10 g被抬到2米高度(图3)[20.]。在实验中,395 N /兆瓦的最大动量耦合系数,定义为一个总额的比例获得脉冲推力脉冲输入能量,是实现。这个系数相媲美,使用固态激光器的激光爆炸推进器实现2013年2.0 J脉冲能量(21]。
优化操作参数后重复脉冲模式和开发扩束后,126 g推进器模型于2009年推出了1.2米的高度(图4)[22]。连续代脉冲推力是证实。在重复的脉冲模式下,脉冲后第一个冲动被发现与推力器内残留空气密度降低,因为加热,空气密度降低。然而,实验使用强制吸气式的系统,压缩空气罐证明脉冲可以恢复与空气点心脉冲间隔期间内管(22]。
2011年,推力增强增加振动陀螺仪的输出功率和推力的责任周期,定义为一个毫米波脉冲持续时间和脉冲重复频率的产物,如表所示2(23]。这个实验是由QST回旋振荡管,有高压IGBT开关的开关速度高于早期版本。因为实现推力高达30 N,定一个MW-class振动陀螺仪可以启动一个公斤级车。因此,1公斤推进器模型发射计划下一步。
簧片阀的进气室正在开发高效的吸气式的在亚音速和超音速飞行在高海拔地区。簧片阀打开的被动压力管的内部和外部之间的区别。tapered-shape簧片阀,能够打开广泛向里面塞,设计和测试(24]。的阀塞旨在防止塑性变形是不习惯,因为它与强烈的电磁波在管。吸气式的性能评估的部分填充率(再生)作为代表
根据CFD分析(25),预计10-15-fold推力增大使用簧片阀在地上。在10公里的高度和飞行马赫数为2.0,进气室停滞流和推进器呼吸压缩空气。压缩空气的呼吸量随着进气室直径的增加而增加,改善其吸气式的性能。最佳进气室直径是由空气动力阻力之间的平衡和吸气式的性能(26]。
车辆的高度继续加速在理论上是成正比的光束直径的平方:一束约40厘米直径必须达到10米的高度;6米的光束直径达到100公里高度是必要的。管内部的梁强度可调实现爆轰速度最优使用光束集中器(27]。2012年,发射试验长光束传输进行了使用光束扩展器和集中器。一个ϕ240毫米毫米波梁被领进了一个推进器,如图5,204 N /兆瓦的动量耦合系数是获得在一个单脉冲操作,这是一半高达2003年短期定向传输实验(20.]。在多脉冲操作,观察异常空气击穿后第二个脉冲推力器的出口,导致减少推力(28]。因为这种现象是由于电子剩余推进器,脉冲重复频率是有限的,这样的脉冲时间间隔足够长剩下的电子精疲力竭的推进器。
4所示。可行性研究和发射成本估算
4.1。更换H-IIB运载火箭的第一阶段微波火箭
可行性研究的低地球轨道和发射成本分析微波火箭进行分析从亚音速到超音速飞行。Fukunari等人显示的启动成本H-IIB重,能够围绕19-ton载荷狮子座,将减少77%取代它的第一阶段包括四个出生微波火箭。车辆明显加速在浓密的大气和切断海拔20.7公里2公里/秒的速度。使用传统的第二阶段,有效载荷比提高到0.155是4.5倍的一个H-IIB沉重。第一阶段的制造成本大约在3 M美元,远远低于传统H-IIB第一阶段的成本约85美元。对于这个航班,大约94000回旋振荡管是必要的输出功率产生188瓦。回旋振荡管的施工成本占主要的新发射系统的一部分。虽然这最初的成本可能高达3350美元)包括一个储能设备,它将平摊推出数和每发射成本却降低了相同级别的传统发射成本约为42发射,最后77%的预计成本降低,如图6(14]。
4.2。小载荷发射系统结合微波火箭和美国国家航空航天局微波热推进器
另一个可行性研究介绍的组合微波火箭第一阶段和微波热火箭研究由美国宇航局第二阶段针对小载荷发射到低地球轨道。最初的美国国家航空航天局的概念推出车辆由无人机(UAV),然后启动微波炉热火箭组成的热交换器和一个氢燃料罐10]。替代的无人机微波火箭使第二阶段开始在高海拔和大的初始速度,导致低槽体重和较低的总成本。发布单位成本有效载荷质量将5.8 k美元/公斤UAV-assisted发射的四分之一。光束发射8公斤卫星设施成本估计:必要的输出功率约为100兆瓦,振动陀螺仪和供电成本22 M美元,而发射机天线直径180米的成本466美元(15]。
4.3。梁地面设施配置和所需的技术在未来
梁设施由回旋振荡管和一个发射机天线。如果一个相控阵天线系统是用于波束形成降低输出功率,输出功率控制系统合成和分阶段控制是必需的。梁设施配置如图7。
在ITER项目24振动陀螺仪结合总共有20 MW供热(18]。会有一些限制,如相邻回旋振荡管之间的距离,例如,避免漏磁场的干扰从超导磁体29日]。一个发射的回旋振荡管操作时间约为200秒。即使每天十进行发射,每年总操作时间是200小时,比预期要短的多典型的振动陀螺仪系统的寿命可以达到5000小时(5]。飞轮用于核聚变(30.)和更高级的系统,超导磁储能(SMES)系统,是能量储存设施的候选人。
相控阵系统需要控制输出功率,频率,相位会使所需的输出功率更小(31日]。它将有效利用锁相技术稳定振动陀螺仪插入外部信号的频率和相位振动陀螺仪(32]。当一个相控阵系统不工作,一个巨大的抛物面天线将被用作天线。天线的直径50米~ 100米可以由数亿美元。平流层飞艇平台项目由JAXA为了传输1兆瓦电力的飞艇,使用抛物面天线(33]。选择的最优波束频率必须考虑天线的最终大小和运载火箭和光束的大气衰减。由高斯光束传输概要文件时,传输距离从理论上确定光束直径的传播。尽管高斯光束的方向性与更大的频率提高,大气衰减率增加。应用频率将从传输选择windows的100 GHz逐行计算的方法(6]。为微波火箭启动未来,有必要修改当前电台法律限制使用电磁波。
5。传播的电离和细丝的毫米波放电等离子体结构
大气微波放电实验研究自1940年代以来一直在进行。然而,研究使用毫米波乐队已经开始,因为振动陀螺仪的扩大使用。根据过去的研究,传播速度的毫米波放电电离面前是显示有一个非常不同的倾向,在激光放电,呈现在图8,在毫米波传播速度测量放电使用170 GHz(波长,λ= 1.76毫米)振动陀螺仪(34,35)和110 GHz (λ= 2.73毫米)振动陀螺仪(36)所示与激光放电获得使用有限公司2激光(λ= 10.6μ与足够大的光束光斑尺寸(米)37- - - - - -39]。电离面前的传播速度在毫米波在激光放电的放电大于一个数量级。
除了高传播速度、毫米波放电等离子体是已知独特和细结构如图9。Oda观察到等离子体结构等。34,35170 GHz), 1.5千瓦/ m2毫米波梁是描绘在图9(一个)。分支结构被称为一个旧村的结构。结构称为鱼骨图描述了形状9 (b)。这是观察到Vikharev et al。4035 GHz), 0.14千瓦/ m2毫米波梁在氦气减压。
(一)
(b)
(c)
(d)
所观察到的微观结构称为四分之一波长结构Hidaka et al。41在集中110 GHz, 35兆瓦/ m2梁,如图9 (c)。库克等人也观察到在110 GHz毫米波单纤维的结构42]。在此结构中,相邻的单纤维的等离子体之间的时间间隔延长电场的方向是,四分之一λ。
在一束微波大气排放,streamer-like结构被观察到在亚临界条件和数值再现Khodataev [43]。发现故障发生在一场激烈的电场在稀薄等离子体细丝表面附近。类似的结构获得了28个GHz毫米波梁如图9 (d)(44]。
大气毫米波放电物理仍不清楚。特别是毫米波放电在光束的传播机制强度远低于击穿阈值正在调查中。
6。数值模拟毫米波放电等离子体
数值模拟是有效的澄清这些独特结构的形成机制和最后一个最佳推进器设计。许多研究人员一直在研究模拟。毫米波排放可分类的两个条件,亚临界或亚临界电场强度的入射光,分别接近或远低于击穿阈值。
第二季度,λ结构得到当辐照毫米波在亚临界强度。牛et al。45本季度)复制-λ结构在一个E- - - - - -k飞机。他们用一个电子耦合的麦克斯韦方程和有效扩散系数和扩散方程使用Bolsig +电离频率计算。由于入射波在等离子体的反射,在季度生成一个驻波的波腹λ本季度的等离子体产生的-λ等离子体结构。
旧村的纤维结构形成强度远低于击穿阈值。高桥et al。46,47)提出了一个数值模型考虑周围气体的压缩性。结果表明,扩张背后的前驱冲击波提高有效场强阈值附近的等离子体的前面。
在冲击预计不会扩张,我们假设假设电离频率高于使用Bolsig +获得。我们复制comb-shape细丝的等离子体结构(48]。图10描绘了数值计算等离子体结构与实验观察到的结构,在这两种等离子粒团节大约是0.9λ。这种结构是由离散的波反射等离子粒团。球场是不变的等离子体密度、毫米波波长和电场强度。第二季度,λ微观结构是明显的在每个等离子粒团电离频率高时,扩散系数很低。
(一)
(b)
毫米波放电发生在光束强度远低于击穿阈值(44]。这个放电不能被解释为字段或周围气体浓度扩张背后的冲击波(45,46),需要其他放电维持机制。在亚临界强度理论推导出电离频率,一个电离模型考虑中性的气体激发未来必须检查工作。
7所示。总结
微波火箭定向能推进系统之一,正在开发中。Millimeter-wave-supported爆轰驱动的大气毫米波推进器管放电产生高压,传授脉冲推力推力壁。重复脉冲爆轰发动机循环产生连续推力。重量是126克的推进器模型推出了1.2米的高度使用QST振动陀螺仪。
分析表明,航班微波火箭可以取代传统化学火箭有效载荷比显著提高,带来激烈的发射成本降低。通过利用微波火箭的第一阶段H-IIB重,汽车的总质量将五分之一的传统,可以直接提高五倍的有效载荷比。回旋振荡管的制造成本的实质部分微波火箭可以恢复到2000年发射,因此,启动成本可以比传统的发射成本低77%。关于梁设施在地面上,传统技术领域的利用可以使用核聚变研究。
大气的物理毫米波放电,尤其是等离子体的传播速度方面,感兴趣的是推力性能直接相关。电离的传播速度远远高于那些在前面激光放电时显示为梁强度的函数。然而,梁的放电强度远低于击穿阈值仍澄清。一个新的电离模型将是一个不可或缺的工具。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是首届亚太地区会议上等离子体物理、18 - 23 2017年9月,成都,中国,是由jsp KAKENHI格兰特JP15H05770数量。