Лазерный движитель - Laser propulsion

Лазерный движитель это форма силовая установка с лучевым приводом где источник энергии - удаленный (обычно наземный) лазер систему и отделить от реакционной массы. Эта форма движения отличается от обычной химической ракета где энергия и реакционная масса поступают от твердого или жидкого пропелленты перевозится на борту транспортного средства.

Система подруливающего теплообменника с лазерным запуском

История

Основные концепции, лежащие в основе двигательной установки "парус" с фотонным двигателем, были разработаны Юджин Сэнгер и венгерский физик Дьёрдь Маркс. Концепции движения с использованием ракет с лазерной энергией были разработаны Артур Кантровиц и Вольфганг Мекель в 1970-х годах.[1] Изложение идей Кантровица о лазерном двигателе было опубликовано в 1988 году.[2]

Лазерные двигательные установки могут передавать импульс к космическому кораблю двумя разными способами. Первый способ использует фотон радиационное давление для передачи импульса и является принципом солнечные паруса и лазерные паруса. 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 из-за уравнение ракеты.

Лазерный световой парус

Лазерные паруса являются примерами силовая установка с лучевым приводом.

Лазерный световой парус

Лазерный световой парус - это тонкий светоотражающий парус, похожий на солнечный парус, в котором парус толкается лазером, а не солнцем. Преимущество силовой установки с световым парусом заключается в том, что транспортное средство не несет ни источника энергии, ни реакционной массы для движения, и, следовательно, ограничения Уравнение ракеты Циолковского для достижения высоких скоростей. Использование лазерного светового паруса было предложено Марксом в 1966 году.[3] как метод Межзвездные путешествия это позволило бы избежать чрезвычайно высоких массовые отношения не перевозя топливо, и подробно проанализирован физиком Роберт Л. Нападающий в 1989 г.[4] Дальнейший анализ концепции был проведен Лэндис,[5][6] Маллов и Матлофф,[7] Эндрюс[8] и другие.

Балка должна иметь большой диаметр, чтобы только небольшая часть балки не попадала в парус из-за дифракция а лазерная или микроволновая антенна должна иметь хорошую устойчивость наведения, чтобы корабль мог наклонять паруса достаточно быстро, чтобы следовать за центром луча. Это становится более важным при переходе от межпланетное путешествие к межзвездное путешествие, и при переходе от полета к миссии на посадку, к миссии возврата. В качестве альтернативы лазер может быть большим фазированная решетка небольших устройств, которые получают энергию непосредственно от солнечного излучения.

Парус, управляемый лазером, предлагается как метод приведения в движение небольшого межзвездного зонда с помощью Прорыв Starshot проект.

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 на 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, образующими Оптический резонансный резонатор Фабри – Перо в котором любое небольшое движение зеркал разрушило бы условие резонанса и нулевую фотонную тягу. Такие оптические резонаторы используются для регистрации гравитационных волн, как в LIGO, за их чрезвычайную чувствительность к движению зеркала. Бэ первоначально предложил[10] по этой причине 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 перемещению зеркал. Бэ назвал 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

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

Лазерная тепловая ракета (двигатель с теплообменником (HX)) представляет собой тепловая ракета в котором топливо нагревается за счет энергии 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. Это в принципе похоже на ядерный тепловой и солнечная тепловая энергия двигательная установка. 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 аппаратам достичь низкой околоземной орбиты. Концепция лазерного двигателя HX была разработана Джордин Каре в 1991 г .;[17] аналогичная концепция микроволнового теплового двигателя была разработана независимо Кевин Л. Паркин в Калтех в 2001.

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 пакетов пороха на ближней стороне.

Абляционный лазерный движитель

Абляционный лазерный движитель (ALP) - это форма силовая установка с лучевым приводом в котором внешний импульсный лазер используется, чтобы сжечь плазма шлейф из цельного металла пропеллент, таким образом производя толкать.[19] Измеренный удельный импульс малых установок ALP очень высока на уровне около 5000 с (49 кН · с / кг), и в отличие от легкий корабль разработан Лейк Мирабо который использует воздух в качестве топлива, ALP можно использовать в космосе.

Материал удаляется непосредственно с твердой или жидкой поверхности с высокой скоростью с помощью лазерная абляция импульсным лазером. В зависимости от лазера поток и длительность импульса, материал можно просто нагреть и испарить или преобразовать в плазма. Абляционная пропульсия будет работать в воздухе или в вакууме. Удельный импульс значения 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 небольшие количества топлива для контроль отношения или маневрирование, и космический мусор удаление, при котором лазер удаляет материал от частиц мусора в низкая околоземная орбита, изменяя их орбиты и заставляя их повторно войти.

Университет Алабамы Хантсвилл Центр Исследований Двигателя[20] исследовал ALP.[21]

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, разработан Лейк Мирабо RPI (Политехнический институт Ренсселера ) и Фрэнк Мид, работает по этому принципу.

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

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 газовое ядро ​​ядерно-тепловое двигательная установка. Однако для достижения высоких удельный импульс пропеллент должен 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 специальной формы. Эксперименты с плазменным двигателем CW проводились в 1970-х и 1980-х годах, главным образом доктором Деннисом Кифером из UTSI и профессор Герман Криер из Университет штата Иллинойс в Урбане-Шампейн.

Лазерная электрическая тяга

Общий класс методов движения, в которых мощность лазерного луча преобразуется в электричество, которое затем питает некоторые типы электрическая тяга подруливающее устройство.

Маленький квадрокоптер пролетел 12 часов 26 минут, заряженный лазером мощностью 2,25 кВт (с питанием менее половины его нормального рабочего тока), потребляя 170 Вт фотоэлектрические батареи как приемник энергии,[23] и было продемонстрировано, что лазер заряжает батареи из Беспилотный летательный аппарат в полете 48 часов.[24]

Для космических аппаратов лазерная электрическая тяга считается конкурентом солнечный электрический или же ядерный электрический двигательная установка для движения в космосе с малой тягой. Тем не мение, Лейк Мирабо предложила лазерную электрическую тягу с большой тягой, использующую магнитогидродинамика для преобразования энергии лазера в электричество и для электрического ускорения воздуха вокруг транспортного средства для создания тяги.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Михаэлис, М.М. и Форбс, А. 2006. Лазерный двигатель: обзор. Южноафриканский научный журнал, 102(7/8), 289-295
  2. ^ А. Кантровиц, в Материалы Международной конференции по лазерам-87, Ф. Ж. Дуарте, Ред. (STS Press, Mc Lean, VA, 1988).
  3. ^ Г. Маркс, "Межзвездный аппарат, управляемый лазерным лучом", Природа, т. 211, Июль 1966 г., стр. 22–23.
  4. ^ Р.Л. Форвард, «Межзвездное путешествие туда и обратно с использованием лазерных световых парусов», J. Космические аппараты и ракеты, Vol. 21 год, 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. Ландис, "Малый межзвездный зонд с световым парусом: исследование вариаций параметров", Дж. Британское межпланетное общество, Vol. 50, No. 4, pp. 149-154 (1997); Бумага IAA-95-4.1.1.02,
  7. ^ Юджин Маллов и Грегори Матлофф (1989). Справочник звездного полета. John Wiley & Sons, Inc. ISBN  978-0-471-61912-3.
  8. ^ Д. Г. Эндрюс, "Соображения стоимости межзвездных миссий", документ IAA-93-706
  9. ^ Р. А. Мецгер и Г. А. Ландис, "Лазерные паруса с множественным отскоком", Конференция STAIF по космическим технологиям, Альбукерке, штат Нью-Мексико, 11-15 февраля 2001 г. AIP Conf. Proc. 552, 397. Дои:10.1063/1.1357953
  10. ^ Бэ, Янг (2007-09-18). "Полет формирования фотонного троса (PTFF) для распределенных и фракционированных космических архитектур". Конференция и выставка AIAA SPACE 2007. Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. Дои:10.2514/6.2007-6084. ISBN  9781624100161. Отсутствует или пусто | название = (помощь)
  11. ^ Бэ, Янг К. (2008). "Фотонный лазерный двигатель: демонстрация концепции". Журнал космических аппаратов и ракет. 45 (1): 153–155. Дои:10.2514/1.32284. ISSN  0022-4650.
  12. ^ Бэ, Янг (2007-09-18). «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. Дои:10.2514/6.2007-6131. ISBN  9781624100161. Отсутствует или пусто | название = (помощь)
  13. ^ YouTube видео
  14. ^ Бэ, Янг (2016). «Демонстрация фотонного лазерного двигателя класса mN». ResearchGate. Международная конференция по мощной лазерной абляции и направленной энергии. Получено 2018-11-22.
  15. ^ Х. Криер и Р. Дж. Гламб. «Концепции и состояние ракетной двигательной установки с лазерной поддержкой», Журнал космических аппаратов и ракет, Vol. 21, № 1 (1984), стр. 70-79.https://dx.doi.org/10.2514/3.8610
  16. ^ «Лазерная тепловая тяга». Подъем орбиты и маневренный движитель: состояние исследований и потребности. 1984. С. 129–148. Дои:10.2514/5.9781600865633.0129.0148. ISBN  978-0-915928-82-8.
  17. ^ [1] В архиве 24 июля 2011 г. Wayback Machine
  18. ^ «Лазерные« тяговые лучи »могут наматывать потерянных космонавтов».
  19. ^ «Клод АИП 2010» (PDF).
  20. ^ «ГРН Научно-исследовательский центр». Получено 18 марта, 2014.
  21. ^ Грант Бергсту; Ричард Л. Форк (2011). "Излученная энергия для абляционного движения в околоземном космическом пространстве" (PDF). Международная астронавтическая федерация. Архивировано из оригинал (PDF) 18 марта 2014 г.. Получено 18 марта, 2014. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  22. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2017-02-07. Получено 2017-02-06.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  23. ^ Каре / Nugent и другие. "12-часовое наведение: демонстрация полета квадрокоптера с лазерным двигателем" В архиве 2013-05-14 в Wayback Machine LaserMotive, Апрель 2010. Дата обращения: 12 июля 2012.
  24. ^ "Лазер приводит в действие БПЛА" Сталкер "Локхид Мартин на 48 часов" Новости sUAS, 11 июля 2012. Дата обращения: 12 июля 2012.

внешняя ссылка