Что такое лазерный ракетный двигатель

Аэрокосмический лазерный реактивный двигатель

Лазерные реактивные двигатели (ЛРД) являются новым типом двигателей, которые могут быть использованы для разработки таких аппаратов, как сверхвысотные беспилотные самолеты, ракетоносители, космические аппараты (КА). ЛРД могут использоваться для перевода КА с околоземной орбиты на геостационарную, коррекции орбит КА и их ориентации.

Идея использования лазерной реактивной тяги для осуществления полета летательных аппаратов начала разрабатываться в начале 70-х годов. Главным отличием и одним из преимуществ лазерной тяги по сравнению с традиционными способами создания реактивной тяги является то, что она формируется за счет энергии удаленного источника. Это приводит к значительному уменьшению общей массы аппарата и увеличению доли полезной нагрузки в общей массе аппарата.

Лазерная тяга характеризуется высоким удельным импульcом по сравнению с традиционными ракетными двигателями при достаточно высоких значениях тяги.

В АО «НИИ ОЭП» разрабатывается аэрокосмический лазерный реактивный двигатель (АКЛРД). Получен патент Российской Федерации N2266420. Проведены успешные эксперименты по демонстрационному полету аппарата с макетом аэрокосмического лазерного реактивного двигателя.

Демонстрационные эксперименты с макетом c общей массой 150 г, движущейся по наклонной трассе, показали следующие характеристики:

  • максимальная тяга — 1,5 Н
  • максимальная скорость аппарата — 5 м/с
  • максимальное ускорение аппарата — 5 м/с 2
  • максимальный удельный импульс отдачи — 25 дин/Вт при средней мощности лазерного излучения 5 кВт

В АО «НИИ ОЭП» в настоящее время проводятся исследования:

  • по разработке оптических концентраторов лазерного излучения и реактивных сопел
  • физико-химических процессов взаимодействия лазерного излучения с различными веществами СНО-химического состава
  • газодинамических процессов формирования тяги в лазерно-химических реактивных двигателях

Источник

Что такое лазерный ракетный двигатель

вернёмся в библиотеку?
Желательно смотреть с разрешением 1024 Х 768 Сканировал Яков Разливинский.

Лазер — двигатель ракеты

Л. ГУДЗЕНКО, кандидат физико-математических наук

Современный космический корабль может добраться до Марса за 1000 дней. До Плутона ему придется лететь несравненно дольше — около четверти века! А сколько же уйдет на путешествие к ближайшим звездам? До них дорога в миллиарды раз длиннее. Нынешние ракеты тихоходны для дальних космических перелетов. Эти перелеты станут возможны только в том случае, если космический корабль сможет двигаться с околосветовой (субсветовой) скоростью.

Но как разогнать космическую ракету до субсветовой скорости?

Проведем небольшой расчет. Пусть нам требуется придать космическому кораблю с массой в 1 т скорость 0,99 С (С — скорость света). Скорость истечения продуктов сгорания-150 км в секунду.

Результат расчета оказывается весьма и весьма неутешительным: стартовый вес нашей ракеты должен составлять ни много ни мало. 101400 т! Это во много раз больше массы не только Земли или Солнца, но и всей нашей Галактики!

Придадим скорости истечения рабочего вещества значение, в 10 и даже в 100 раз большее, — стартовый вес ракеты вновь окажется чрезмерным. Так мы придем к естественному выводу: чтобы приблизить скорость космического корабля к скорости света, надо, прежде всего, увеличить скорость истечения рабочего вещества из сопла звездолета. Можно даже подобрать такое рабочее вещество, которое «течет» со скоростью, в точности равной С. Это «корпускулы света» — фотоны.

Снова проведем расчет, сохраняя прежние исходные данные: масса космического корабля — 1 т, его крейсерская скорость — 0,99 С. На этот раз вес нашей космической ракеты составит не так уж много — всего 14 т.

Итак, для разгона фотонной ракеты мы должны превратить в поток фотонов 13 т вещества. Сколько это будет в пересчете на энергию? Вспомним формулу Эйнштейна Е=mс 2 , проведем несложные вычисления и получим, что потребляемая нашей ракетой энергия в 15 раз превышает сегодняшние энергетические потребности человечества! А ведь ее источник должен уместиться в 14-тонной ракете! Надо ли говорить, что столь емких аккумуляторов еще не создано ни в одном конструкторском бюро мира.

Но опять-таки допустим, что нам удалось сконструировать и желанный аккумулятор и чудесную топку, где вещество превращается в свет. Новая проблема встает перед нами: как собрать в узкий пучок сноп лучей, вырывающийся в разные стороны из топки? Воспользоваться зеркалами? Но разве можно создать зеркала, полностью отражающие падающий на них свет? Ведь даже сравнительно небольшая доля энергии фотонов уничтожит их.

Несколько лет назад мною и Л. Шелепиным была предложена схема фотонной ракеты, в которой в качестве двигателя используется плазменный лазер. Вот его принципиальная схема. Первый блок — оптический генератор сравнительно небольшой мощности. Луч, выйдя из оптического генератора, попадает во второй блок — в усилитель.

Читайте также:  Волга 3110 двигатель 406 инжектор технические характеристики расход топлива

Его рабочая среда — сильно ионизированная плазма. Она, как известно, требует надежного хранилища. Для этой цели могла бы подойти магнитная «бутылка». Луч из первого блока входит в усилитель, и каждый новоприбывший фотон прихватывает с собой еще один, уже из плазмы. Каждый атом плазмы отдает по одному фотону. По нашим расчетам, активная среда усилителя может иметь длину всего 2,3 м. Но луч лазера, попавший в нее, она в состоянии усилить в миллиарды раз: каждый грамм плазмы может подать на магнитную «бутылку» усилие в 10 000 кг!

Идея лазерного двигателя позволяет решить важные проблемы фотонной ракеты. Но пройдут еще годы и годы, прежде чем лазерный двигатель займет свое место в корпусе ракеты.

Источник

Лазерный двигатель для космических кораблей

Сотрудники НИИ комплексных испытаний оптико-электронных приборов при участии коллег из Института лазерной физики РАН и ФТИ им. А.Ф. Иоффе, а также из Национальной аэрокосмической лаборатории Японии, создали небольшую модель космического корабля, — весом всего 200 г, — способного летать по лазерному лучу.

После анализа нескольких вариантов создания лазерного реактивного двигателя (ЛРД), инженеры выбрали систему лазерной абляции, т.е. удаления вещества с поверхности лазерным импульсом — при контакте лазера с рабочим веществом это последнее испаряется и образует плазму, а разогретая плазма на большой скорости вылетает через сопло двигателя, что создает реактивную тягу. В качестве рабочего тела наилучшим образом себя показал полиформальдегид (на втором месте был поливинилхлорид).

Сами лазерные установки будут располагаться на Земле или на орбите. В космосе лазеры будут получать энергию от солнечных батарей. Ученые полагают, что такая система будет достаточно надежной и долговечной. Впрочем, стоит помнить, что в космосе луч хотя и распространяется без поглощения, но с увеличением расстояния увеличивается его диаметр, что создает очевидную проблему, учитывая конструкцию двигателя.

Исследования показывают, что лазерный реактивный двигатель имеет гораздо больший КПД в сравнении с современными жидкостными и твердотопливными системами, кроме того существенно сокращаются затраты топлива.

Ведущий сотрудник проекта В. В. Степанов рассказал, каким образом он и его коллеги обошли эту проблему: «Мы придумали очень интересную конструкцию. В нашей модели не одно, а два зеркала. Они нужны для того, чтобы корабль мог лететь навстречу световому лучу. Это очень важно: лазерный луч в такой конструкции не рассеивается на продуктах испарения материала. Первое зеркало выглядит очень необычно: оно похоже на гладко отполированный острый шпиль. Луч лазера падает на него и, отражаясь, собирается на другом зеркале, которое надето на широкую часть шпиля как обод на ступицу колеса. Это зеркало концентрирует собранный свет в камере, в которой расположено испаряемое вещество».

Разработчики считают, что такая система позволит не только выводить летательные аппараты на околоземную орбиту, но и совершать полеты по маршруту Земля-Луна и обратно. Эту же технологию можно применить для дополнительного ускорения сверхзвуковых летательных аппаратов, что позволит достичь значения числа Маха до 10 и более. Вопрос остается за созданием достаточно мощного лазера с достаточно тонким лучом.

«Для того, чтобы с помощью лазера выводить в космос аппараты, он должен быть способен хотя бы полчаса давать стабильный луч мощностью более 1 МВт. Сейчас такие лазеры разрабатываются. Кто первым его сделает, тот и полетит в космос по лазерному лучу. Задача осложняется тем, что подобные лазеры, тем более, расположенные на околоземной орбите, представляют собой элемент системы противоракетной обороны и их разработка подпадает под действие соответствующих международных договоров», — сказал автор исследования и руководитель проекта Юрий Резников.

Источник

Лазерные двигатели

Лазерные двигатели — прорыв в области космических полетов. Лазерным двигателем называют разновидность двигателя на лучевой тяге, где источником энергии является лазерная система (обычно – наземного базирования), отделенная от массы, вступающей в реакцию. Эта разновидность двигателей отличается от традиционных ракетных двигателей на химическом топливе, где и источником энергии, и вступающей в реакцию массой является твердое или жидкое топливо, размещенное на борту корабля.

История

Основы концепции, скрытые в идее фотонного двигателя в виде «паруса», были разработаны Эйгеном Зенгером и венгерским физиком Георгом Марксом. Концепция двигателя, использовавшего ракеты с лазерной подпиткой, были развиты Артуром Кантровитцем и Вольфгангом Мёкелем в 1970-х годах. Изложение идей Кантровитца о лазерном двигателе было опубликовано в 1988 году.

Системы лазерных двигателей могут передавать импульс космическому кораблю двумя разными способами. Первый подразумевает использование давления фотонов для передачи импульса по принципу солнечных парусов, в том числе – работающих под давлением лазерного излучения. Второй метод использует лазер для того, чтобы помочь кораблю избавиться от массы, подобно обычной ракете. Этот метод предлагают куда чаще, но у него присутствует фундаментальное ограничение в виде конечной скорости полета корабля, связанной с формулой Циолковского.

Читайте также:  Опорно рамное подвешивание тягового двигателя неисправности

Солнечные паруса для перемещения под давлением излучения лазера

Солнечные паруса для перемещения под давлением излучения лазера являются образцами двигателей на лучевой тяге.

Солнечный парус для движения под давлением лазера

Солнечный парус для движения под давлением лазера – это парус, напоминающий солнечный, сделанный из тонкой ткани с отражательной способностью. В отличие от солнечного, он движется, скорее, за счет давления лазерного луча, чем солнечного света. Преимущество двигателей с применением солнечных парусов подобного типа состоит в том, что кораблю не нужно нести на борту какой бы то ни было источник энергии или вступающую в реакцию массу, из чего следует, что ограничений формулы Циолковского, связанных с набором высокой скорости, удается избежать. Использование парусов для движения под давлением лазера было впервые предложено Георгом Марксом в 1966 года в качестве метода для межзвездных путешествий, позволяющих избежать крайне высокого относительного расхода топлива. Идея была тщательно проанализирована физиком Робертом Форвардом в 1989 году. Дальнейший анализ концепции был выполнен Джеффри Лэндисом, Юджином Маловым и Норманном Матлоффым, Даной Эндрюс и другими.

Луч должен иметь достаточно большой диаметр, так как только некоторые частицы пройдут мимо паруса из-за дифракции, а лазер или антенна, принимающая микроволны, должна иметь достаточную устойчивость ориентации, так как корабль может достаточно быстро наклонять парус, чтобы следовать за центром луча. Это играет куда более важную роль, когда речь заходит о путешествии к другим планетам и звездам, полете по касательной, приземлении и возвращении. Лазер также может быть крупной фазированной решеткой для малых устройств, получающих энергию напрямую из солнечных лучей.

Солнечный парус для движения под давлением лазера был предложен в качестве двигателя для малого межзвездного корабля в рамках проекта «Breakthrough Project».

Солнечный парус для движения с использованием лазера и рециркуляции фотонов

Физики Метцгар и Лэндис предложили модификацию солнечного паруса, где фотоны будут отражаться от паруса и повторно использоваться, отражаясь обратно на парус посредством стационарного зеркала. Она получила название «Лазерный парус многократного отражения». Это увеличивает силу, производимую рециркуляцией фотонов, приводя к многократному росту силы излучения при той же мощности. Также существует конфигурация паруса с использованием многократно рециркулирующих фотонов, где применяется ступенчатая линза, установленная вокруг генератора лазера. Там лазер освещает парус корабля, увеличивая его скорость, затем свет отражается обратно через ступенчатую линзу и поступает на более крупный рефлектор, меняя направление корабля. Свет лазера многократно отражается туда и обратно, позволяя увеличить силу передачи. Линза становится гораздо более стабильной, так как практически исключено влияние импульса лазерного луча.

Лазерный фотонный двигатель малой тяги

Лазерный фотонный двигатель малой тяги (ЛФДМТ) – последнее изобретение, развившееся из лазерного паруса многократного отражения, где активный лазер является средством резонанса, необходимого для формирования оптической пустоту между двумя зеркалами. Предполагается, что ЛФДМТ будет способен обеспечить соотношение тяги к мощности, (единица, измеряющая эффективность вспомогательного двигателя по отношению к преобразованной в импульс мощности) приближенное к таким традиционным аналогам, как электрические двигатели малой тяги или двигатели малой тяги с лазерной абляцией.

Ракеты с лазерной подпиткой

Существует несколько разновидностей лазерных двигателей, где лазер используется, как источник энергии для импульса, необходимого расположенному на борту горючему. Применение лазера в качестве источника энергии означает, что подаваемая энергия не ограничена лишь химической энергией топлива.

Лазерная ракета с двигателем на основе теплообмена

Лазерная ракета с термическим двигателем – подвид ракет с термическим двигателем, где топливо нагревается с помощью энергии, создаваемой извне лазерным лучом. Луч нагревает твердый теплообменник, который, в свою очередь, нагревает жидкое топливо, превращая его в раскаленный газ, выпускаемый через обычные сопла. Это делает ее похожей на ракету с ядерным или солнечным термическим двигателем. Применение крупногабаритного теплообменника позволяет лазерному лучу светить прямо на него, минуя фокусировку при помощи оптики корабля. Двигатель с теплообменником в работе имеет преимущество, так как может работать одинаково качественно с лазером с любой длиной волны и типом (непрерывным или импульсным), а его КПД приближается к 100 %. Ограничением для данного двигателя является материал теплообменника и потери излучения при относительно низких (1 000 – 2 000 С°). Для данной температуры удельный импульс будет максимально увеличен при минимальной молекулярной массе вещества, вступающего в реакцию, а также – наличии водородного топлива, обеспечивающего достаточный импульс в течение 600-800 секунд, чего вполне достаточно даже для того, чтобы ракета с одной ступенью смогла обогнуть низкую орбиту Земли. Концепция лазерной ракеты с двигателем на основе теплообмена была разработана Джордином Кэром в 1991 году. Микроволновый тепловой двигатель с похожей концепцией был разработан независимо Кевином Паркином из Калифорнийского университета в 2001 году.

Читайте также:  Какой объем масла в двигателе ваз 21124

Вариацию этого проекта предложили профессор Джон Сайнко и доктор Клиффорд Шлехт в качестве резервной системы безопасности для аппаратов на орбите. Баки с ракетным топливом прикреплялись снаружи, и выхлопные сопла работали с каждым из них, не задевая астронавтов или инструменты. Лазерный луч с космической станции или шаттла испарял находящееся в баках топливо. Выхлопные газы выбрасывались позади экипажа или инструмента, притягивая цель ближе к источнику лазерного луча. Для остановки сближения второй лазер с другой длиной волны охлаждает внешнюю обшивку баков с горючим.

Абляционный лазерный двигатель

Абляционным лазерным двигателем называют разновидность двигателя на лучевой тяге, где внешний импульсный лазер применяется для воспламенения плазменного факела в металлическом топливе и последующего создания тяги. Измеряемый удельный импульс малых АЛД очень велик и доходит до 5 000 с (49 кН*с/кг). В отличие от аппарата с солнечным парусом, разработанного Ликом Майрэбо и использующего воздух в качестве топлива, АЛД можно использовать в космосе.

Вещество путем абляции импульсным лазером удаляется напрямую с твердой или жидкой поверхности. В зависимости от длительности импульса и плотности потока лазера, вещество может быть просто нагрето, испарено или превращено в плазму. Абляционный двигатель будет работать и в воздухе, и в вакууме. Удельный импульс составляет от 200 до нескольких тысяч секунд, что становится возможным за счет верного выбора топлива и характеристик лазера. Среди вариаций этой технологии – лазерный двигатель с двойным импульсом, где один импульсный лазер подвергает абляции вещество, а другой – нагревает до газообразного состояния; лазерный микродвигатель, где малый лазер на борту подвергает абляции очень малое количество топлива, достаточное для маневра и контроля высоты; очиститель от космического мусора, где лазер подвергает абляции частицы космического мусора, находящиеся на низкой околоземной орбите, изменяя их орбиты и вынуждая их снова войти в атмосферу.

Исследовательский центр в области ракетных двигателей при Университете Алабамы в Хантсвилле занимался разработками в области АЛД.

Импульсный плазменный двигатель

Высокоэнергетический импульс, сфокусированный на газе или твердой поверхности, окруженной газом, приводит к его разложению. Это приводит к расширяющейся ударной волне, поглощающей энергию лазера на фронте ударной волны (происходит т.н. детонационное горение, поддерживаемое лазером или ДГПЛ-волна), после чего следует расширение горячей плазмы за пределы фронта ударной волны и передача импульса кораблю. Импульсный плазменный двигатель, использующий воздух, как рабочую среду, является простейшим примером лазерного двигателя с аэродинамической накачкой. Космический аппарат с солнечным парусом, разработанный Ликом Майрэбо из Политехнического института Ренсселера и установивший мировой рекорд, работает по этому принципу.

Другая концепция импульсного плазменного двигателя была исследована японским профессором Хидэюки Хорисавой.

Плазменный двигатель с постоянной длиной волны

Непрерывный лазерный луч, сфокусированный на потоке газа, создает стабильный поток плазмы. После этого расширяющийся раскаленный газ выбрасывается через обычные сопла, создавая тягу. Так как плазма не контактирует со стенками двигателя, можно добиться сверхвысоких температур газа, как в случае с газофазным ядерным реактивным двигателем. Однако, для достижения высокого удельного импульса топливо должно обладать малой молекулярной массой. Как правило, в наши дни используется водород, позволяющий добиться удельного импульса в 1 000 секунд. Плазменный двигатель с постоянной длиной волны не лишен недостатков, так как лазерный луч должен быть точно сфокусирован на абсорбционной камере, чего можно добиться либо при использовании дипольных отражателей, либо сопла определенной формы. Эксперименты с этими видами двигателей проводились в 1970-1980-х годах, в основном, доктором Деннисом Кифером из Института Космоса при Университете штата Теннеси и профессором Германом Крайером из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне.

Лазерный электродвигатель

Широкий класс двигателей, где мощность лазерного луча преобразуется в электричество, дающее энергию для работы космическим электродвигателям, называется лазерными электродвигателями.

Небольшой квадрокоптер летал в течение 12 часов 26 минут, заряженный лазером мощностью в 2 250 Вт (менее половины от нормальной рабочей мощности) и используя 170-ватные фотоэлектрические батареи в качестве приемника питания. Также был продемонстрирован лазер для зарядки батарей, за счет которых беспилотный летательный аппарат мог находиться в воздухе 48 часов.

В космонавтике лазерный электродвигатель составляет конкуренцию солнечному или ядерному электродвигателю среди других двигателей малой тяги для полетов в космос. Однако Лик Майрэбо предложил лазерный электродвигатель с большой тягой, применяющий магнитную гидродинамику для преобразования энергии лазера в электричество и последующей электризации воздуха вокруг корабля для создания тяги.

Источник