Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Лазерная тяга - это форма движущей силы с приводом от луча, в которой 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.

Система подруливающего теплообменника с лазерным запуском

История [ править ]

Основные концепции, лежащие в основе силовой установки "парус" с фотонным двигателем, были разработаны Юджином Зангером и венгерским физиком Дьёрдь Марксом. Концепции силовых установок с использованием ракет с лазерной энергией были разработаны Артуром Кантровицем и Вольфгангом Мекелем в 1970-х годах. [1] Изложение идей Кантровица о лазерном двигателе было опубликовано в 1988 году. [2]

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 его конечные скорости существенно ограничены уравнением ракеты .

Лазерный световой парус [ править ]

Паруса, толкаемые лазером, являются примером силовой установки, приводимой в движение лучом .

Лазерный световой парус [ править ]

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 [3] как метод межзвездного путешествия, который позволил бы избежать чрезвычайно высоких отношений масс за счет отсутствия топлива, и подробно проанализирован физиком Робертом Л. Форвардом в 1989 году [3]. 4] Дальнейший анализ концепции был проведен Лэндисом , [5] [6] Малловым и Матлоффом, [7] Эндрюсом [8] 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 свои паруса достаточно быстро, чтобы следовать за центром. балки. Это становится более важным при переходе от межпланетного путешествия к межзвездному , а также при переходе от полета мимо полета к миссии посадки и обратно. В качестве альтернативы лазер может представлять собой большую фазированную решетку небольших устройств, которые получают энергию непосредственно от солнечного излучения.

Парус с лазерным толканием 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 [ править ]

Мецгар и Ландис предложили вариант паруса, толкаемого лазером, в котором фотоны, отраженные от паруса, повторно используются путем повторного отражения их обратно в парус неподвижным зеркалом; «многоадресный лазерный парус». [9] 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 обнаружения гравитационных волн, как в LIGO , из-за их чрезвычайной чувствительности к движению зеркала. По этой причине Бэ первоначально предложил [10] использовать рециркуляцию фотонов для использования в полете спутников с нанометровой точностью. Бэ, однако, обнаружил [11]что в активном оптическом резонаторе, образованном двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения и промежуточной лазерной усиливающей средой, аналогично типичному лазерному резонатору, рециркуляция фотонов становится менее чувствительной к движению зеркал. Бэ назвал этот лазерный двигатель на основе рециркуляции фотонов в активном оптическом резонаторе Photon Laser Thruster (PLT). [12]  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. В лабораторной демонстрации [13] Cubesat (вес 0,75 кг) приводился в движение с помощью PLT. [14]

Ракета с лазерным питанием [ править ]

Существует несколько форм лазерной тяги, в которых лазер используется в качестве источника энергии для передачи 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 [ править ]

Лазерная тепловая ракета (двигатель с теплообменником (HX)) представляет собой тепловую ракету, в которой топливо нагревается за счет энергии, исходящей от внешнего лазерного луча. [15] [16] Луч нагревает твердый теплообменник, который, в свою очередь, нагревает инертное жидкое топливо, превращая его в горячий газ, который выпускается через обычное сопло. Принципиально это похоже на ядерную тепловую и солнечную тепловую энергию.двигательная установка. Использование большого плоского теплообменника позволяет лазерному лучу попадать прямо на теплообменник, не фокусируя оптику на транспортном средстве. Преимущество двигателя HX заключается в том, что он одинаково хорошо работает с лазерами любой длины, как с непрерывными, так и с импульсными лазерами, а также имеет коэффициент полезного действия, 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 реакционной массы и с водородным пропеллентом, который обеспечивает достаточный удельный импульс до 600-800 секунд, что в принципе достаточно, чтобы позволить одноступенчатым аппаратам достичь низкой околоземной орбиты. Концепция лазерного двигателя HX была разработана Джордином Каре в 1991 году;[17] 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. [18] 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 для удаления внешней части пороховых пакетов на ближней стороне.

Абляционный лазерный движитель [ править ]

Абляционная лазерная тяга (ALP) - это форма движущей силы с приводом от луча, в которой внешний импульсный лазер используется для сжигания плазменного шлейфа от твердого металлического топлива , создавая таким образом тягу . [19] Измеренный удельный импульс малых установок ALP очень высок и составляет около 5000 с (49 кН · с / кг), и в отличие от легкого корабля, разработанного Leik Myrabo, 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 пропульсия 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 удаляет материал, а второй лазерный импульс дополнительно нагревает удаляемый газ, лазерное микродвижение, при котором небольшой лазер на борту космического корабля удаляет очень небольшое количество топлива для управления ориентацией.или маневрирование 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 [20] исследовал ALP. [21]

Импульсная плазменная тяга [ править ]

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.

Еще одна концепция импульсного плазменного двигателя исследуется профессором Хидеюки Хорисава. [22]

Плазменный двигатель CW [ править ]

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 ядерных тепловых двигателях с газовым сердечником . Однако для достижения высокого удельного импульса топливо должно иметь низкую молекулярную массу; водородобычно 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 проводились в 1970-х и 1980-х годах, в основном доктором Деннисом Кифером из UTSI и профессором Германом Криером из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне .

Лазерная электрическая тяга [ править ]

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 (с питанием менее половины его нормального рабочего тока), с использованием фотоэлектрических решеток мощностью 170 Вт в качестве приемника энергии [23], и было продемонстрировано, что лазер способен работать. заряжать батареи из с беспилотного летательного аппарата в полете в течение 48 часов. [24]

Для космических аппаратов лазерная электрическая тяга считается конкурентом солнечной 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.

См. Также [ править ]

  • Лифт: 2010 г.
  • Список лазерных статей
  • Оптический подъемник
  • Ракетный двигатель

Ссылки [ править ]

  1. ^ Михаэлис, М. М. и Форбс, А. 2006. Лазерный двигатель: обзор. Южноафриканский научный журнал , 102 (7/8), 289-295
  2. ^ А. Kantrowitz, в Трудах Международной конференции по лазерам '87 , FJ Дуарте , Ed. (STS Press, Mc Lean, VA, 1988).
  3. ^ Г. Маркс, "Межзвездный аппарат, управляемый лазерным лучом", Nature, Vol. 211 , июль 1966 г., стр. 22–23.
  4. ^ Р.Л. Форвард, "Межзвездное путешествие туда и обратно с использованием лазерных световых парусов", J. Spacecraft and Rockets, Vol. 21 , стр. 187-195 (март-апрель 1989 г.)
  5. ^ Г. А. Ландис, "Оптика и материалы для лазерного светового паруса", статья IAA-89-664 ( текст )
  6. ^ Г. А. Лэндис, "Малый межзвездный зонд с световым парусом: исследование вариаций параметров", J. Британское межпланетное общество , Vol. 50 , No. 4, pp. 149-154 (1997); Бумага IAA-95-4.1.1.02,
  7. ^ Маллов и Григорий Matloff (1989). Справочник по звездному полету . ISBN компании John Wiley & Sons, Inc.  978-0-471-61912-3.
  8. ^ DG Andrews, "Соображения стоимости межзвездных миссий", статья IAA-93-706
  9. ^ RA Metzger и GA Landis, "Multi-Отказы Laser-Based Sails," STAIF конференция по космической технологии разведки , Альбукерке Н.М., 11-15 февраля 2001 года AIP Conf. Proc. 552 , 397. DOI : 10,1063 / 1,1357953
  10. Перейти ↑ Bae, Young (18 сентября 2007). "Полет формирования фотонного троса (PTFF) для распределенных и фракционированных космических архитектур". Конференция и выставка AIAA SPACE 2007 . Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. DOI : 10.2514 / 6.2007-6084 . ISBN 9781624100161. Отсутствует или пусто |title=( справка )
  11. Перейти ↑ Bae, Young K. (2008). "Фотонный лазерный двигатель: демонстрация концепции". Журнал космических аппаратов и ракет . 45 (1): 153–155. DOI : 10.2514 / 1.32284 . ISSN 0022-4650 . 
  12. Перейти ↑ Bae, Young (18 сентября 2007). «Фотонное лазерное движение (PLP): движение фотонов с использованием активной резонансной оптической полости». Конференция и выставка AIAA SPACE 2007 . Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. DOI : 10.2514 / 6.2007-6131 . ISBN 9781624100161. Отсутствует или пусто |title=( справка )
  13. ^ Youtube видео
  14. Перейти ↑ Bae, Young (2016). «Демонстрация фотонного лазерного двигателя класса mN» . ResearchGate . Международная конференция по мощной лазерной абляции и направленной энергии . Проверено 22 ноября 2018 .
  15. ^ Х. Криер и Р. Дж. Гламб. "Концепции и состояние ракетных двигателей с лазерной поддержкой" , Journal of Spacecraft and Rockets , Vol. 21, No. 1 (1984), pp. 70-79. https://dx.doi.org/10.2514/3.8610
  16. ^ "Лазерная тепловая тяга" . Подъем на орбиту и маневренный движитель: состояние исследований и потребности . 1984. С. 129–148. DOI : 10.2514 / 5.9781600865633.0129.0148 . ISBN 978-0-915928-82-8.
  17. ^ [1] Архивировано 24 июля 2011 года в Wayback Machine.
  18. ^ "Лазерные" лучи трактора "могут наматывать потерянных космонавтов" .
  19. ^ «Клод AIP 2010» (PDF) .
  20. ^ "ГНЦ" ГРН " . Проверено 18 марта 2014 года .
  21. ^ Грант Бергстью; Ричард Л. Форк (2011). "Излученная энергия для абляционного движения в околоземном космическом пространстве" (PDF) . Международная астронавтическая федерация . Архивировано из оригинального (PDF) 18 марта 2014 года . Проверено 18 марта 2014 года . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  22. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2017-02-07 . Проверено 6 февраля 2017 .CS1 maint: archived copy as title (link)
  23. ^ Kare / Nugent et al. "12-часовое наведение: демонстрация полета квадрокоптера с лазерным двигателем". Архивировано 14 мая 2013 г. на Wayback Machine LaserMotive , апрель 2010 г.Дата обращения: 12 июля 2012 г.
  24. ^ "Лазер приводит в действие БПЛА " Сталкер "Локхид Мартин на 48 часов" Новости sUAS , 11 июля 2012 г. Дата обращения : 12 июля 2012 г.

Внешние ссылки [ править ]

  • Видео НАСА о движении с лазерным приводом на YouTube
  • Исследования потенциальной транспортной технологии Laser-NASP . Труды 6-й ежегодной летней конференции NASA / USRA Advanced Design Programme. НАСА. Июнь 1990 г.
  • Заключительный отчет NIAC по пусковой системе HX
  • «Оригинальная статья с описанием ALP» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 09 августа 2006 года.