Лазерный движитель — Laser propulsion

Лазерный движитель — Laser propulsion

Лазерная тяга — это форма движущей силы с приводом от луча, где источником энергии является удаленная (обычно наземная) лазерная система, отделенная от реакционной массы. Эта форма движения отличается от обычной химической ракеты, в которой энергия и реакционная масса поступают от твердого или жидкого топлива, находящегося на борту транспортного средства.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Лазерный световой парус
    • 2.1 Лазерный световой парус
    • 2.2 Переработка фотонов
  • 3 Ракета с лазерным питанием
    • 3.1 Лазерная тепловая ракета
    • 3.2 Абляционная лазерная тяга
    • 3.3 Импульсная плазменная тяга
    • 3.4 Плазменная тяга непрерывного действия
    • 3.5 Лазерная электрическая тяга
  • 4 См. Также
  • 5 ссылки
  • 6 Внешние ссылки

История

Основные концепции, лежащие в основе силовой установки «парус» с фотонным двигателем, были разработаны Юджином Зангером и венгерским физиком Дьёрдь Марксом. Концепции силовой установки с использованием ракет с лазерной энергией были разработаны Артуром Кантровицем и Вольфгангом Мекелем в 1970-х годах. Изложение идей Кантровица о лазерном двигателе было опубликовано в 1988 году.

Лазерные двигательные установки могут передавать импульс космическому кораблю двумя разными способами. Первый способ использует давление фотонного излучения для передачи импульса и лежит в основе солнечных и лазерных парусов. Второй метод использует лазер, чтобы помочь удалить массу из космического корабля, как в обычной ракете. Это наиболее часто предлагаемый метод, но он принципиально ограничен в конечных скоростях космических аппаратов уравнением ракеты .

Лазерный световой парус

Лазерный световой парус

Световой парус, управляемый лазером, представляет собой тонкий отражающий парус, похожий на солнечный парус , в котором парус толкается лазером, а не солнцем. Преимущество силовой установки с световым парусом состоит в том, что транспортное средство не несет ни источника энергии, ни реакционной массы для движения, и, следовательно, устраняются ограничения уравнения Циолковского для достижения высоких скоростей. Использование управляемого лазером светового паруса было первоначально предложено Марксом в 1966 году как метод межзвездного путешествия, который позволил бы избежать чрезвычайно высоких соотношений масс за счет отсутствия топлива, и подробно проанализирован физиком Робертом Л. Форвардом в 1989 году. Дальнейший анализ концепт был разработан Лэндисом , Малловым и Матлоффом, Эндрюсом и другими.

Луч должен иметь большой диаметр, чтобы только небольшая часть луча не попадала в парус из-за дифракции, а лазерная или микроволновая антенна должна иметь хорошую стабильность наведения, чтобы судно могло наклонять паруса достаточно быстро, чтобы следовать за центром. балки. Это становится более важным при переходе от межпланетного путешествия к межзвездному путешествию , а также при переходе от полета мимо миссии к миссии посадки и обратно. В качестве альтернативы лазер может быть большой фазированной решеткой небольших устройств, которые получают энергию непосредственно от солнечного излучения.

Парус, управляемый лазером, предлагается в качестве метода приведения в движение небольшого межзвездного зонда в рамках проекта Breakthrough Starshot .

Другой метод перемещения гораздо более крупного космического корабля на высокие скорости — использование лазерной системы для приведения в движение потока гораздо меньших парусов. Каждый альтернативный мини-парус замедляется лазером от домашней системы, так что они сталкиваются с ионизирующими скоростями. Затем ионизирующие столкновения можно использовать для взаимодействия с мощным магнитным полем космического корабля, чтобы создать силу, приводящую в действие и перемещающую его. Расширение идеи состоит в том, чтобы иметь ядерные материалы на мини-парусах, которые подвергаются делению или слиянию, чтобы обеспечить гораздо более мощную силу, но скорости столкновения должны быть намного выше.

Переработка фотонов

Мецгар и Ландис предложили вариант паруса, толкаемого лазером, в котором фотоны, отраженные от паруса, используются повторно, повторно отражая их обратно в парус неподвижным зеркалом; «многоадресный лазерный парус». Это усиливает силу, создаваемую рециркуляцией фотонов, что приводит к значительно большей силе, создаваемой той же мощностью лазера. Существует также конфигурация многоотражательного фотонного паруса, в которой используется большая линза Френеля вокруг системы генерации лазера. В этой конфигурации лазер направляет свет на парус зонда, ускоряя его наружу, который затем отражается обратно через линзу Френеля и отражается от более крупного и массивного зонда с отражателем, идущего в другом направлении. Лазерный свет многократно отражается вперед и назад, улучшая передаваемую силу, но, что важно, позволяет большой линзе оставаться в более стабильном положении, поскольку на нее не сильно влияет импульс лазерного света.

Оптический резонатор позволяет повторно использовать фотоны в большей степени, но удерживать луч в резонаторе становится гораздо сложнее. Оптический резонатор может быть выполнен с двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения, образуя оптический резонансный резонатор Фабри – Перо, в котором любое небольшое движение зеркал нарушит условия резонанса и нулевую фотонную тягу. Такие оптические резонаторы используются для регистрации гравитационных волн, как в LIGO , из-за их чрезвычайной чувствительности к движению зеркала. По этой причине Бэ первоначально предложил использовать рециркуляцию фотонов для использования в полете спутников с нанометровой точностью. Бэ, однако, обнаружил, что в активном оптическом резонаторе, образованном двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения и средой усиления лазера между ними, как и в типичном лазерном резонаторе, рециркуляция фотонов становится менее чувствительной к движению зеркал. Бэ назвал лазерный двигатель на основе рециркуляции фотонов в активном оптическом резонаторе Photon Laser Thruster (PLT). В 2015 году его команда продемонстрировала количество перерабатываемых фотонов до 1540 на расстоянии нескольких метров и фотонных импульсов до 3,5 мН с использованием лазерной системы мощностью 500 Вт. Во время лабораторной демонстрации Cubesat (вес 0,75 кг) приводился в движение с помощью PLT.

Ракета с лазерным питанием

Существует несколько форм лазерной тяги, в которых лазер используется в качестве источника энергии для обеспечения импульса топливу, которое переносится на борту ракеты. Использование лазера в качестве источника энергии означает, что энергия, передаваемая пороху, не ограничивается химической энергией пороха.

Лазерная тепловая ракета

Лазерная тепловая ракета (двигатель с теплообменником (HX)) представляет собой тепловую ракету, в которой топливо нагревается за счет энергии, поступающей от внешнего лазерного луча. Луч нагревает твердый теплообменник, который, в свою очередь, нагревает инертное жидкое топливо, превращая его в горячий газ, который выпускается через обычное сопло. Это в принципе похоже на ядерные тепловые и солнечные тепловые двигатели. Использование большого плоского теплообменника позволяет лазерному лучу попадать прямо на теплообменник, не фокусируя оптику на автомобиль. Подруливающее устройство HX имеет то преимущество, что одинаково хорошо работает с лазерами любой длины, как с непрерывными, так и с импульсными лазерами, а также имеет КПД, приближающийся к 100%. Двигатель малой тяги HX ограничен материалом теплообменника и потерями на излучение при относительно низких температурах газа, обычно 1000-2000 ° C. Для данной температуры удельный импульс максимизируется с минимальной молекулярной массой реакции и с водородным топливом, которое обеспечивает достаточный удельный импульс до 600-800 секунд, что в принципе достаточно, чтобы позволить одноступенчатым кораблям достичь низкой околоземной орбиты. Концепция лазерного двигателя HX была разработана Джордином Каре в 1991 году; аналогичная концепция микроволнового теплового двигателя была независимо разработана Кевином Л. Паркиным из Калифорнийского технологического института в 2001 году.

Вариант этой концепции был предложен профессором Джоном Синко и доктором Клиффордом Шлехтом в качестве резервной концепции безопасности для активов на орбите. Пакеты закрытого топлива прикреплены к внешней стороне скафандра, а выхлопные каналы проходят от каждого пакета к дальней стороне космонавта или инструмента. Лазерный луч космической станции или шаттла испаряет топливо внутри пакетов. Выхлоп направляется позади космонавта или инструмента, притягивая цель к лазерному источнику. Чтобы затормозить приближение, используется вторая длина волны, чтобы удалить внешнюю часть пороховых пакетов на ближней стороне.

Абляционный лазерный движитель

Абляционная лазерная тяга (ALP) — это форма движущей силы с приводом от луча, в которой внешний импульсный лазер используется для выжигания плазменного шлейфа от твердого металлического топлива , создавая таким образом тягу . Измеренный удельный импульс малых установок ALP очень высок и составляет около 5000 с (49 кН · с / кг), и в отличие от легкого корабля, разработанного Лейком Мирабо, в котором в качестве топлива используется воздух, ALP можно использовать в космосе.

Материал удаляется непосредственно с твердой или жидкой поверхности с высокой скоростью путем лазерной абляции импульсным лазером. В зависимости от лазерного потока и длительности импульса материал можно просто нагреть и испарить или превратить в плазму . Абляционная двигательная установка будет работать в воздухе или в вакууме. Определенные значения импульса от 200 секунд до нескольких тысяч секунд возможны путем выбора характеристик пороха и лазерного импульса. Варианты абляционного движения включают в себя двухимпульсное движение, при котором один лазерный импульс аблирует материал, а второй лазерный импульс дополнительно нагревает абляционный газ, лазерную микродвигательную установку, при которой небольшой лазер на борту космического корабля удаляет очень небольшое количество топлива для управления ориентацией или маневрирования, и удаление космического мусора , при котором лазер удаляет материал из частиц мусора на низкой околоземной орбите , изменяя их орбиты и заставляя их повторно войти.

Центр исследований движения Хантсвилльского университета штата Алабама исследовал ALP.

Импульсная плазменная тяга

Импульс высокой энергии, сфокусированный в газе или на твердой поверхности, окруженной газом, вызывает пробой газа (обычно воздуха). Это вызывает расширяющуюся ударную волну, которая поглощает энергию лазера на фронте ударной волны (волна детонации, поддерживаемая лазером, или волна LSD); расширение горячей плазмы за фронтом ударной волны во время и после импульса передает импульс аппарату. Импульсная плазменная тяга с использованием воздуха в качестве рабочего тела является самой простой формой лазерной тяги с воздушным движением. Рекордный легкий корабль , разработанный Лейком Мирабо из RPI ( Политехнического института Ренсселера ) и Фрэнком Мидом, работает по этому принципу.

Другая концепция импульсного плазменного двигателя исследуется профессором Хидеюки Хорисава.

Плазменный движитель CW

Непрерывный лазерный луч, сфокусированный в потоке газа, создает стабильную плазму, поддерживаемую лазером, которая нагревает газ; затем горячий газ расширяется через обычное сопло для создания тяги. Поскольку плазма не касается стенок двигателя, возможны очень высокие температуры газа, как в ядерной тепловой силовой установке с газовым сердечником . Однако для достижения высокого удельного импульса топливо должно иметь низкую молекулярную массу; водород обычно предполагается для фактического использования при удельных импульсах около 1000 секунд. Недостаток плазменного двигателя непрерывного действия состоит в том, что лазерный луч должен точно фокусироваться в абсорбционную камеру либо через окно, либо с помощью сопла особой формы. Эксперименты с плазменным двигателем непрерывного действия были выполнены в 1970-х и 1980-х годах, главным образом доктором Деннисом Кифером из UTSI и профессором Германом Криером из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне .

Лазерная электрическая тяга

Общий класс двигательных технологий, в которых мощность лазерного луча преобразуется в электричество, которое затем приводит в действие электрический двигатель малой тяги.

Небольшой квадрокоптер пролетел 12 часов 26 минут, заряженный лазером мощностью 2,25 кВт (питание которого составляет менее половины его нормального рабочего тока), с использованием фотоэлектрических решеток мощностью 170 Вт в качестве приемника энергии, и было продемонстрировано, что лазер заряжает батареи. из беспилотного летательного аппарата в полете в течение 48 часов.

Для космических аппаратов лазерная электрическая тяга считается конкурентом солнечной электрической или ядерной электрической тяги для движения в космосе с малой тягой. Однако Лейк Мирабо предложил лазерную электрическую тягу с высокой тягой, используя магнитогидродинамику для преобразования энергии лазера в электричество и для электрического ускорения воздуха вокруг транспортного средства для создания тяги.

Источник Источник https://ru.qaz.wiki/wiki/Laser_propulsion

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *