将火箭送入太空通常需要燃料占火箭初始重量的90%。

筑波大学(University of Tsukuba)的研究人员希望通过探索一种不同的发射选择来减轻这种负担:一种高功率的微波辐射束。

在本月发表于《纽约时报》的一项研究中航天器与火箭学报在美国,研究小组使用一种28 ghz高频微波将一架自由飞行的无人机发射到空中30秒。这架重0.4公斤的飞机到达了微波波束源上方0.8米的高度。

由首席作者岛村航平教授领导的工程师们使用了一个复杂的波束跟踪器,以确保无人机接收尽可能多的能量。

“为了进一步提高传输效率,我们使用与GPS设备同步的模拟移相器小心地调整了微波的相位,”岛村在本月的一份新闻稿中说

这架飞行器的总功率传输效率达到了0.43%,这比研究人员之前的研究有所提高,之前的研究表明,固定位置的无人机的效率为0.1。为了得到0.43%的数字,岛村和他的团队计算了能量通过光束传输的效率(4%),无人机捕捉微波的效率(30%),以及微波转化为推进电力的效率(40%)。

该论文的主要作者说,尽管微波火箭推进仍处于早期阶段,但考虑到传统推进技术对机载燃料的高需求,它有一天可能成为将火箭送入轨道的一种更好的方式。

岛村说:“这些结果表明,还需要做更多的工作来提高传输效率,并彻底评估这种推进方法在飞机、航天器和火箭上的可行性。”

在一个简短的问答金宝搏官网下面,岛村向我们展示了微波发电的发展速度。

金宝搏官网:你如何控制微波功率?用什么技术来控制微波功率?

Shimamura教授:为了控制微波的方向,使用了一个相位比较器。相位比较器调节相位,使多个微波源产生的波以同一相位传播,以避免干扰。通过实时控制相位比较器和无人机的位置,波束可以指向无人机。

金宝搏官网:带我回顾一下无人机测试当天的情况。产生了多少能量,它对无人机的指挥效果如何?你对结果满意吗?

Shimamura教授:无人机获得的直流电源为几10mW。由于无人机的有效载荷和整流器的数量,我们没有期望得到那么多的功率。这个项目的目标是能够连续传输微波。在未来的研究中,我想让无人机只使用微波。另一方面,这将需要更多的微波源、更大的无人机、更大的场地和许多其他准备工作。

微波功率发射,振荡器振荡几兆瓦的微波。固态功率放大器(SSPA)将微波增加到5W,并将微波从地面的喇叭天线传输到无人机的天线。
振荡器振荡几兆瓦的微波。固态功率放大器(SSPA)将微波增加到5W,并将微波从地面的喇叭天线传输到无人机的天线。(图片来源:Shimamura)

金宝搏官网为什么微波发射火箭是一种更好的方式?

Shimamura教授首先,与化学火箭相比,火箭的有效载荷是非常不同的,这取决于燃料是在火箭内还是在火箭外;在化学火箭中,燃料占火箭总质量的90%以上。在化学火箭中,燃料占火箭总质量的90%以上,而在微波和激光火箭中,船上的燃料基本上为零。因此,火箭成为一个简单的结构,成本据说是1/100。

此外,当比较微波和激光时,微波在源发生器方面更便宜,微波据说更接近于实现火箭发射。

金宝搏官网:这种方法用于太空发射需要发生什么?你认为这种方法将来会用于太空发射吗?

Shimamura教授首先,我们需要改进尚未完成的火箭系统的技术。特别是,在跟踪技术方面的研究非常少,需要在100公里高空稳定微波指向的技术。”

对多波束源发射的微波进行相位校准也很重要。我们将从几米的高度开始,逐步增加高度,目的是将重物从轻的卫星带到小的卫星上。

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