Межорбитальный буксир с дистанционной запиткой (мысли вслух)

Кстати, Андрей, могу пояснить, почему вибраторы были с двух сторон поликора... Если интересно.

pokos> Андрей, форма ДН и Ку железно связаны.

Это не так. Мало того, что между коэффициентом направленного действия антенны и её коэффициентом усиления есть ещё к.п.д., так ещё и две антенны с одинаковым главным лепестком могут иметь разный уровень боковых лепестков. КУ при этом не меняется, а вот отношение излучений вперёд-назад может быть сильно разным. И именно задний лепесток у малоэлементного ВК обычно неприемлемо велик. И его борют самыми разными методами.

Кстати, думается, что на ПЕРЕДАЮЩУЮ часть необходимо и эффективно будет просто забить
Пока должна интересовать именно ПРИЕМНАЯ часть - даст ли она выигрыш в массе по сравнению с бортовой энергоустановкой?

Ник

А.С.> ...так ещё и две антенны с одинаковым главным лепестком могут иметь разный уровень боковых лепестков.
Могут. Но это будут антенны РАЗНОГО типа.

Две правильно расчитанные антенны одного типа, в частности, ВК никогда не будут иметь разную Дн при одинаковом Ку.
А.С.> И именно задний лепесток у малоэлементного ВК обычно неприемлемо велик.
1000 вибраторов - это "малоэлементный"????
Вот малоэлементный:

А.С.>> ...так ещё и две антенны с одинаковым главным лепестком могут иметь разный уровень боковых лепестков.
pokos> Могут. Но это будут антенны РАЗНОГО типа.
pokos> Две правильно расчитанные антенны одного типа, в частности, ВК никогда не будут иметь разную Дн при одинаковом Ку.

Две одинаковые антенны, действительно, будут иметь одинаковую диаграмму направленности Но говорить, что ДН и КУ связаны "железно", я не стал бы ни за что.

Мало того, можно построить реально малогабаритную антенну с высоким КНД за счёт сознательного жертвования КПД. такая антенна не будет обладать серьёзным усилением, возможно, чувствительность с ней будет даже хуже, чем с полуволновым вибратором, но зато можно будет отстроиться от мешающих передатчиков, или, наоборот, передавать сигнал, не опасаясь засечки, так что такие антенны (хоть и не "чудо") имеют смысл и реально существуют.


А.С.>> И именно задний лепесток у малоэлементного ВК обычно неприемлемо велик.
pokos> 1000 вибраторов - это "малоэлементный"????

Да я разве говорил, что 1000 вибраторов - это малоэлементный? но даже у 24-элементного ВК излучение "вбок" дб на ~12 меньше, чем "назад". А лечится это добавлением дополнительного рефлектора с резистивным элементом, но к.п.д. антенны при этом несколько падает, зато КНД растёт.

Когда речь идёт о защите окрестностей от паразитного облучения (если мы собираемся в антенну мегаватт вкачивать в непрерыве), то уровень боковых лепестков важен не менее, чем размер и форма основного, и, если это можно сделать дёшево, это обязательно нужно.

Возвращаясь к исходному. Возможно, это был не ВК - я эту штуку видел в 1987 или 1988 году, точно не помню, в НИИ Радиофизики, который был у меня базовой кафедрой - но это была директорная антенна миллиметрового диапазона, и точность изготовления, равно как и экранирование элементами друг друга - не главные препятствия.

Но ограничения по углам сканирования у ФАР носят совсем не такой характер. У густрых решёток поражённые углы уходят в мнимую область, вспомнил наконец, для решётки с точно лямбда пополам поражённый угол действительно равен 90 градусов, но, если мы берём более густую, хотя был на 20% более густую, то при изотропном излучателе можно сканировать действительно на все пи на четыре стерадиан, теряя в к.у. не более чем 6 дБ в самом худшем случае. Если в качестве элементарного излучателя использовать диполь, то, в одной плоскости сканировать можно на все 360, а в другой - только на 90

Wyvern-2> Пока должна интересовать именно ПРИЕМНАЯ часть - даст ли она выигрыш в массе по сравнению с бортовой энергоустановкой?
Именно поэтому я за лазер или зеркала. СБ и без лазера - энергоустановка. А уж с лазером ещё лучше. А ректенну придётся выбросить после разгона.

А.С.> ...но даже у 24-элементного ВК излучение "вбок" дб на ~12 меньше,
Не надо вот этого.... Посмотри лучше на картинку. Там 12-ти элементный всего-то.

А.С.> А лечится это добавлением дополнительного рефлектора с резистивным элементом,
Спасибо, это худший путь. Гораздо эффективнее плоский рефлектор.

А.С.> Когда речь идёт о защите окрестностей от паразитного облучения...
Это я уже упоминал, Fakir не проникся, лечится в АФАР учётом краевых эффектов. Но это накладывает ещё более жёсткие ограничения на фазовращатели.

А.С.> ...равно как и экранирование элементами друг друга - не главные препятствия.
Ещё раз поясняю. В ВК - это основной фактор, ограничивающий практическую длину. 6 лямбдов. Запомни и передай товарищу.

А.С.> ...для решётки с точно лямбда пополам ...если мы берём более густую,
Беда в том, что мы хотим иметь КПД всё же больше 30%, поэтому шаг нам придётся делать в районе 0,7 лямбда.

Wyvern-2>> Пока должна интересовать именно ПРИЕМНАЯ часть - даст ли она выигрыш в массе по сравнению с бортовой энергоустановкой?
pokos> Именно поэтому я за лазер или зеркала. СБ и без лазера - энергоустановка. А уж с лазером ещё лучше. А ректенну придётся выбросить после разгона.

кстати, оптимальные траетории получаются при возможности манипулировать параметрами тяга-импульс - т.е. на траектории потихоньку, но с высоким импульсом, в перелигеии - разок мощно, с большой тягой.
Почем бы НЕ СКОМБИНИРОВАТЬ так, что бы тонкопленочное зеркало работало и от солнышка (малая тяга) и от лазерочка (большая тяга кратковременно)?

Ник

Да потому, что тяга от солнышка будет - тьфу. И работа на солнечной энергетике по всей траектории, кроме перигея, будет, скорее всего, просто тратой рабочего тела. Оправдано в единственном случае - если нужно потом выдавать апогейный импульс, и с помощью СБ это удаётся сделать лучше, чем любым другим образом.

Fakir>> А вы никогда не слышали что в библиотеках эти, как их, книги, что ли - тоже бывают с названиями?
pokos> Често говоря, слышал. Только вот те книги, по которым я учился, есть только в одной библиотеке и у меня дома. Названия других книг, которые есть в других библиотеках, мне неизвестны. А найти гуглом их названия Вы сможете не хуже меня.

Может быть, лучше было бы всё же указать названия? А там уж видно будет - найдётся-не найдётся.
И что искать гуглом? Дедушкину деревню? Какие ключевые слова, помимо АФАР?

pokos> Апертура всяко лучше, чем у ФАР.

Апертура лучше?! "Не верю!"

>Накачивать селективным концентратором.

Так кто-то где-то делал?

>Охлаждать водородом.

В смысле? Расходовать водород, что ли? Неприемлимо.
А если не расходовать - нужны большие запасы водорода, большие радиаторы. Масса.

>Сколько весит, не скажу - не знаю.

Ото ж... Я тоже не знаю, но чуйка такая, что лазер окажется штукой очень и очень тяжёлой.
Хотя, конечно, надо считать.

pokos> Именно поэтому я за лазер или зеркала. СБ и без лазера - энергоустановка.

Только такая, что особо ни уму, ни сердцу...

>А уж с лазером ещё лучше. А ректенну придётся выбросить после разгона.

Зачем выбрасывать? В идеале буксир должен быть многоразовым. Впрочем, так ли важно, что будет с приёмником потом?

А.С.>> Когда речь идёт о защите окрестностей от паразитного облучения...
pokos> Это я уже упоминал, Fakir не проникся, лечится в АФАР учётом краевых эффектов. Но это накладывает ещё более жёсткие ограничения на фазовращатели.

А почему вы считаете, что паразитное облучение - сильная помеха, и важно от него избавиться?

А.С.>> ...для решётки с точно лямбда пополам ...если мы берём более густую,
pokos> Беда в том, что мы хотим иметь КПД всё же больше 30%, поэтому шаг нам придётся делать в районе 0,7 лямбда.

Да в принципе можно и 30% - если это упростит антенны (особенно приёмную) и упростит управление лучом.

Fakir> И что искать гуглом? Дедушкину деревню? Какие ключевые слова, помимо АФАР?
- СВЧ АФУ
- полупроводниковые СВЧ приборы
- вакуумные СВЧ приборы
- ферритовые СВЧ компоненты
- микроэлектронные СВЧ компоненты
- теория ФАР
- согласующие структуры ФАР
- распространение радиоволн
- Таблица распределения полос радиочастот и План перспективного использования радиочастотного спектра

Fakir> Так кто-то где-то делал?
Наверное. Светодиодами точно накачивают. А уж плёночное цветное зеркало сделать - ещё проще.

Fakir> А если не расходовать - нужны большие запасы водорода, большие радиаторы. Масса.
Филькин расчёт. Большие-маленькие сиречь относительно.

Fakir> А почему вы считаете, что паразитное облучение - сильная помеха, и важно от него избавиться?
Помеха в 1МВт очень сильная даже на расстоянии 300км, можете мне поверить на слово....

Fakir> Да в принципе можно и 30% - если это упростит антенны (особенно приёмную) и упростит управление лучом.
А охлаждать чем будем? Кстати, к приёмной антенне это не имеет ровно никакого отношения.

Сон разума полный, но интересная цифирь про японцев (если повар нам не врёт):
Передача на расстояние не менее 20 км мощности 350 кВт-1 МВт при диаметре ректенны 30-50 м. Судя по плохонькому фото, передатчик имеет размеры довольно скромные.

Fakir> http://electronics.ru/pdf/6_2002/06.pdf
Fakir> Сон разума полный, но интересная цифирь ....


Я конечно не претендую - но предоставившего ссылочку почему бы не указать?

Ник

Я просто не был уверен, что ты не стесняешься быть к этоиу причастным

Песец, какие матёрые журналюги-катастры.
Усилитель на магнетронах, "Легкая, недорогая, диаметром 500 м, со сроком службы 40 лет ФАР"....
Чуть не омочил подштаники прямо на рабочем месте.

Блин, забыл предупредить, чтоб затягивались помалу и аккуратно

К вопросу о реалистичных размерах космических антенн.



Пишут, что еще в 70-х американские спутники радиоразведки типа "Шале" несли развёртываемые параболические антенны размером аж 35-40 м! И это при массе всего спутника 1,2 тонны!
"В некоторых зарубежных изданиях встречаются утверждения о том, что бортовые антенны спутников типа <Шале> сравнимы по размерам с футбольным полем."

На подписи к картинке говорится о 100 м, но в тексте об этом ни слова - никакой конкретики.

Оттуда же:

Возможная последовательность раскрытия крупногабаритной (100 м) антенны в космосе: А - антенна в сложенном виде; Б - выдвижение телескопических штанг с блоком облучателей; В - начало раскрытия опорной конструкции рефлектора (мембрана удерживается с помощью системы тросов); Г - вид антенны в раскрытом состоянии (1 - блок облучателей; 2 - телескопические штанги; 3 - система тросов; 4 - мембрана, образующая отражающую поверхность рефлектора; 5 - опорная конструкция рефлектора; 6 - блок радиоэлектронной аппаратуры; 7 - панели солнечных батарей)

Картинка, конечно, вызывает множество вопросов и наводит на кучу сомнений - но уж за что куплено...

Американские военные чё-то там опять воду мутят про передачу энергии с орбиты. Очередной виток бредовой идеи орбитальных СЭС
Но нам интересна микроволновая передача энергии - а про неё ничего толкового не пишут, даже в 75-страничной pdf-ке...

Эта идея муссировалась ещё в совке. Даже предварительно было посчитано, во что оно обойдётся. Как щас помню, на 10МВт нужна была ректенна 100м диаметром и ещё 300м защитной зоны.

Хвала аллаху, у нас эту бредятину особо всерьёз не восприняли, видимо...

Но вот про ректенну и передатчик почитать бы, если насчитали чего по теме...

Всё это было на бумаге и довольно давно.

Fakir> Картинка, конечно, вызывает множество вопросов и наводит на кучу сомнений - но уж за что куплено...
Это по размерам еще фигня Вот "гигант":
EXPLORER-49 (RAE-B)

Космический аппарат Explorer-49 стал вторым спутником, запущенным в рамках проекта Radio Astronomy Explorer (RAE, Радиоастрономический исследовательский КА). Этим проектом предполагалось проведение радиоастрономических исследований планет Солнечной системы, Солнца и Вселенной в длинноволновом диапазоне (в диапазоне частот от 25 кГц до 13.1 МГц). Первый КА работал на околоземной орбите, а Explorer 49 был выведен на селеноцентрическую орбиту.

Корпус КА представлял собой усечённый цилиндр диаметром 92 см и высотой около 79 см. По бокам корпуса установлены четыре панели неподвижных солнечных батарей. В систему орбитального маневрирования КА входили: работающий на гидразине двигатель для корректировки скорости, система управления положением с использованием холодного газа и твердотопливный двигатель для перехода на окололунную орбиту. В состав научного оборудования КА входили два девятиканальных радиометра Ryle-Vonberg и три 32-канальных приемника радиоимпульсов с качающейся частотой. На аппарате были установлены: верхняя V-образная (уголковая) антенна длиной 229 метров , направленная в сторону от Луны; нижняя V-образная антенна длиной 183 метра , направленная к поверхности Луны; и 37-метровая вибраторная антенна , параллельная лунной поверхности. При запуске все антенны находились в свернутом состоянии и разворачивались только на рабочей орбите. Полученные данные передавались на Землю в режиме реального времени через передатчик УВЧ диапазона (400 МГц) малой мощности, или записывались на бортовой ленточный самописец, и затем передавались на Землю через передатчик УВЧ большой мощности. Вес станции при запуске составлял 328 кг, вес КА на лунной орбите - около 200 кг.

Космический аппарат Explorer-49, известный также как RAE-B или RAE-2, был запущен 10 июня 1973 года с помощью РН Delta-1913 с космодрома на мысе Канаверал. 15 июля был включен твердотопливный двигатель, и КА перешел на селеноцентрическую орбиту с параметрами: переселений - 1053 км, апоселений - 1064 км, наклонение - 55.7°, период обращения - 217 мин. После проведения тестирования оборудования 20 июня аппарат приступил к выполнению программы научных исследований. Вначале была развернута только 37-метровая дипольная антенна, во время работы которой аппарат был ориентирован на Солнце. Через три недели дипольная антенна была убрана, ориентация КА изменена, после чего были развернуты как дипольная, так и обе V-образные антенны. Нижняя V-образная антенна была развернута вначале только на 183 м (на длину верхней), и лишь в ноябре 1974 года была развернута на всю длину - 229 м. После завершения программы исследований аппарат, предположительно упал на Луну, однако дата и координаты точки падения в настоящее время не известны.

Ник

Вот в старой статье о СКЭС в УФН (сон разума про СКЭС скипаем, интересна передача энергии):


мужики рисовали антенну диаметром 1 км на геостационаре, диаметр пятна от которой на Земле - около 7 км.

Если принять те же оптимистические предположения, можно ожидать, что при апертуре 100 м (против 1 км у авторов) угол расходимости луча будет порядка 0,003 рад.
Т.е. на 1000 км мощность будет размазана по пятну радиусом около 3 км, на 100 км - радиусом порядка 300 м.

Для приёмной антенны диаметром порядка 10-20 м - она получит около 0,001 излученной мощности (т.е. 0,1%) даже всего на 100 км... мда... не говоря о 1000...
Как-то сильно грустно.
Потому как чтобы получить на 20-метровую антенну хотя бы мегаватт-другой - излучать придётся ГИГАВАТТЫ. Такой реактор повесить на орбите - уже перебор.

Надо сильно увеличивать размеры либо излучающей антенны, либо приёмной, либо обеих.
Причём если увеличивать излучающую - то расходимость-то упадёт, но возрастёт радиус пятна из-за радиуса самой антенны, так что много не выиграешь...
А увеличивать приёмную до сотни метров (тогда на неё будет приходиться около 3% излученной мощности на 100 км) - это масса и сложность, вся затея стремительно будет терять смысл...
Если при этом антенна принимает порядка мегаватта - то мощность излучателя еще в пределах разумного (30 МВт), но массовая эффективность приёмника мала.

Не выходит каменный цветок...


Разве что закладываться на расстояния не в 100-1000 км, а 10-100.
Но это уже совсем другие требования к "резонансности" орбит, шут его знает, насколько там с точки зрения баллистики получится... Не говоря о малой суммарной энергии, передаваемой буксиру за пролёт.

Вопрос 1) Зачем располагать энергостанцию на орбите? Не вижу в этом никаких преимуществ.

Вопрос 2) Выбираем тип излучения.

Угол расхождения луча (заданого вида излучения) вследствие дифракции можно найти по формуле:

http://upload.wikimedia.org/math/6/f/b/6fb5f336dfd8a97aad65b92dbabe57bf.png [can't write '/u/p/upload.wikimedia.org/math/6/f/b/6fb5f336dfd8a97aad65b92dbabe57bf.png']
где λ = длина волны и d = диаметр луча.


Средняя длина волны видимого света - 5500 ангстрем, среднеквадратичная длина волны СВЧ (от 1 до 300 мм) - 17 мм. Разница в 3 тысячи раз. Соответственно, при аналогичных размерах передатчика диаметр приёмника должен быть в 3 тысячи раз больше.

С другой стороны, КПД передачи излучения по СВЧ - 70-80%, а лазером - всего 1% (это навскидку, лень искать точные цифры на интернете, но порядок чисел ясен).

Не слишком ли много энергии уйдет на питание лазера? Допустим, наш космический аппарат весит тонну и хочет перейти с LEO на GEO, то есть требует характеристической скорости 3.88 км/сек. Максимальный достигнутый КПД ЭРД - 80% (для двигателя на эффекте Холла с висмутом в качестве рабочего тела); возьмем 40% как консервативную оценку. Если я не наошибался в арифметике, на оплату счетов за электричество у нас уйдет 336 k$, что примерно в 30 дешевле, чем использовать химические движки и выводить требуемое им топливо.

Характеристическая скорость 3880 м/сек
Масса КА 1000 кг
Удельный импульс движка 30000 m/sek
Запас рабочего тела 129 kg
Кинетическая энергия рабочего тела 58200000000 дж
1 киловаттчас = 3600000 дж
Нам требуется 16167 квтч
КПД лазера 2%
КПД СБ 30%
КПД ионного двигателя 40%
Обший КПД передачи энергии 0.2400%
На Земле нам требуется 6736111 квтч
Цена 1 квтч $0.05
На оплату счетов за электричество уйдет $336,805.56

Я считаю это убедительным доказательством преимуществ лазера над СВЧ.

Итак, что мы на данный момент имеем? Наземная станция, расположеная вблизи экватора, с поворачивающимся на турели лазером подсвечивает спутник в перигее. Каждая новая орбита КА выбирается такой, чтобы ее период был кратен периоду обращения Земли вокруг своей оси. Соответственно, спутник каждый раз будет оказываться в перигее точно над передающей станцией.

Немножко мазков для полноты картины:
Высота перигея 600 км (минимальная высота, на которой будут работать нынешние ионники).
Диаметр лазера 30 см
Диаметр светового пятна на спутнике 1 метр.

Вывести спутник на GEO система не сможет, лишь на GTO (Geostationary Transfer Orbit). GEO слишком высоко. Чтоб до туда достать лучем и собрать его в пятно диаметром 1 м, фокусирующее зеркало лазера должно иметь размеры 200 на 200 метров.

Технически, такая система способна работать. IMHO. Теперь перейдем к основной части:

Вопрос 3) Нахрен это всё нужно?

Нетрудно подсчитать, что мощности весьма скромных по размеру штатных солнечных батарей спутника в запасом хватает для питания ионного двигателя.

Вывод: вышеописанная система спутнику нахрен не нужна.

Трудности с применением ионного двигателя в качестве мершевого не зациклились на питании. ЭРД дорог, сложен, ненадежен, требует чистого вакуума, не прошел проверку временем и т.д. и т.п.

К сожалению, масштаб этих сложностей я описать не могу, так как сам не очень понимаю. На картинке ионник выглядит просто. Однако я вижу практический результат: штатных СБ любого спутника с огромным запасом хватает для питания ионника. И тем не менее, за исключением считанных экпериментальных аппаратов, ионники в качестве главного маршевого двигателя на спутниках не применяются. Например, рассчетная мощность СБ МКС - 100 киловатт. Если только 1.31 кВт пустить на питание ионника, МКС могла бы самостоятельно поддерживать свою орбиту, что позволило бы сэкономить порядка 300 млн.$ ежегодно. А ионника там не стоит. Рассчеты я приводил здесь: