Инженеры из университета Калифорнии предлагают использовать систему, которую они разработали для сбивания астероидов, в качестве двигателя для межзвездных зондов и космических кораблей, способных достичь Альфы Центавра всего за 20 лет.
МОСКВА, 24 июн – РИА Новости. Американские инженеры предлагают создать необычный "плоский" космический корабль, который сможет достичь ближайшей к нам звезды – Альфы Центавра – всего за 20 лет благодаря оригинальной двигательной системе на базе лазера, сообщает пресс-служба университета Калифорнии в Санта-Барбаре.
"Одна из самых важных задач человечества на сегодня – отправка зондов в другие планетные системы и поиск жизни в них. Мы предлагаем создать аппарат, который позволит нам сделать первый шаг к межзвездным путешествиям используя двигатели, работающие на принципе направленного излучения энергии", — рассказывает Филип Лубин (Philip Lubin) из университета Калифорнии.
Лубин и его коллеги уже несколько лет работают, по заказу и по грантам НАСА, над созданием технологий, которые бы позволили нам покинуть пределы Солнечной системы и начать изучение далеких звезд и планет. Самой перспективной их разработкой является проект лазерного двигателя DEEP-IN и особый космический корабль, который он будет разгонять.
Эта идея, как рассказывает ученый, выросла из проекта по лазерному уничтожению астероидов DE-STAR, который физики из университета в Санта-Барбаре представили публике два года назад практически одновременно с падением Челябинского метеорита.
Лазерный двигатель, как и астероидная платформа, будет представлять собой набор из нескольких тысяч микролазеров, объединенных в фазированную решетку. Это устройство будет подсоединено не к самому кораблю, а будет находиться на орбите, играя роль первичного разгонного модуля, который будет ускорять зонд, отправляющийся к Альфе Центавра или другим звездам, до околосветовых скоростей, в тысячу раз быстрее, чем сейчас летят "Вояджеры".
Конечно, подобный разгон не будет работать для современных зондов и пилотируемых космических аппаратов – лазер просто испарит их, а не заставит лететь с очень высокой скоростью. Для тестов DEEP-IN Лубин и его коллеги предлагают построить чрезвычайно плоские зонды из особого отражающего материала, оснащенные своеобразным сверхтонким и легким графеновым парусом диаметром в 30 метров.
Подобный межзвездный "парусник", по расчетам американских физиков, сможет достигнуть Альфы Центавра за 20 лет, и будет совершать перелеты между Марсом и Землей всего за трое суток без полезной нагрузки, и за месяц при нагрузке в 10 тонн. Главной проблемой и в том и в другом случае будет торможение беспилотника – пока у команды Лубина нет идей, как сделать остановку лазерного "парусника" безопасной.
"И хотя подобная стратегия ускорения не подходит для всех типов космических кораблей, она открывает радикально новые возможности по изучению космоса. Наш проект является первым шагом к межзвездным путешествиям, и мы работаем над его технической реализацией. Нам пришлось радикально переосмыслить всю стратегию разработки для того, чтобы не отказаться от мечты о том, чтобы дотянуться до звезд. DEEP-IN открывает путь, который, несмотря на его сложность, дает нам технологическую возможность начать движение к ним", — заключает Лубин.
ria.ru
Российские ученые провели успешные испытания модели лазерного реактивного двигателя, об этом написал портал EurekAlert! со ссылкой на публикацию Applied Optics.
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.
scientificrussia.ru
Изобретение относится к реактивным двигателям летательных аппаратов, преимущественно орбитальных и аэрокосмических аппаратов. Технический результат - повышение КПД, удельного импульса и ресурса работы лазерного ракетного двигателя. Лазерный ракетный двигатель (ЛРД) (вариант 1) содержит систему двух отражающих (3) и фокусирующих (4) зеркал, расположенных в герметичной предварительной камере (5), сообщенной с камерой поглощения (7) посредством газодинамического окна (6), систему подачи рабочего тела, сверхзвуковое сопло (8), тракт охлаждения (9). Вход для лазерного излучения в предварительную камеру (5) обеспечивается двумя твердыми охлаждаемыми окнами (2), прозрачными для применяемого вида лазерного излучения, при этом давление в предварительной камере (5) выше, чем в камере поглощения (7), а два зеркала (1), отражающие внешнее лазерное излучение, расположены снаружи лазерного ракетного двигателя. ЛРД (вариант 2) содержит систему конического отражающего (3) и фокусирующего (4) зеркал, расположенных в герметичной предварительной камере (5), сообщенной с камерой поглощения (7) посредством газодинамического окна (6), систему подачи рабочего тела - коллектор (10) тракт охлаждения (9), сверхзвуковое сопло (8). Вход лазерного излучения в предварительную камеру (5) обеспечивается кольцевым твердым охлаждаемым окном (2), прозрачным для лазерного излучения, причем давление в предварительной камере (5) выше, чем в камере поглощения (7), а коническое зеркало (1), отражающее внешнее лазерное излучение в двигатель, расположено снаружи лазерного ракетного двигателя. Оптические центры наружного (1), внутреннего (3) отражающих зеркал и твердого окна (2) находятся на одной оси. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к реактивным двигателям летательных аппаратов, преимущественно орбитальных и аэрокосмических аппаратов.
Известен лазерный ракетный двигатель (ЛРД) (патент РФ №2266420, MПK F02K 7/00, F24J 2/06, B64G 1/26, опубликованный 20.12.2005), который содержит источник импульсно-периодического лазерного излучения, оптический узел с концентратором излучения и отражателями, систему формирования плоского фронта излучения и соосный концентратору газодинамический узел. Формирующая система осуществляет прием и согласование апертуры лазерного пучка с габаритами оптического узла. Первый отражатель концентратора выполнен в форме конусообразной фигуры вращения с образующей поверхностью в виде части короткофокусной параболы. Газодинамический узел выполнен в виде приемника импульса давления, расположенного с тыльной стороны и на основании первого отражателя, а также реактивного сопла, установленного на расстоянии от основания и образующего щель для ввода лазерного излучения. Концентратор снабжен дополнительным отражателем, соосным первому отражателю и выполненным в форме фигуры вращения, образующая поверхности которой представляет собой дугу. Этот дополнительный отражатель размещен на пути фокусируемого первым отражателем пучка так, что фокальная область концентратора расположена в области щели.
Известен лазерный ракетный двигатель и способ организации рабочего процесса в нем (патент US №4036012, МПК Н05Н 1/24, опубликованный 19.07.1977), наиболее близкий по технической сущности к заявленному и принятый за прототип. Лазерный ракетный двигатель включает непрерывный источник лазерного излучения, систему поворотных и фокусирующих зеркал, камеру поглощения с газодинамическим окном, сопло, систему подвода рабочего тела в зону поглощения со стороны газодинамического окна, баллоны с рабочим телом. Работает лазерный ракетный двигатель следующим образом. Лазерный луч, попадая на систему поворотных и фокусирующих зеркал, фокусируется через газодинамическое окно в зоне поглощения, куда подается рабочее тело - водород, одновременно в зону поглощения подается рабочее тело с добавкой дейтерия для инициирования оптического разряда и образования плазменного ядра, нагрев рабочего тела, которое обтекает плазменное ядро и истекает из сверхзвукового сопла, образуя реактивную струю.
Основными недостатками как прототипа, так и аналога является неэффективная работа газодинамических окон (ГДО) данных ЛРД в верхних разреженных слоях атмосферы Земли и тем более в условиях космического вакуума. Неэффективность проявляется в виде появления обратных токов рабочего тела из камеры поглощения (КП) через ГДО и их утечки в окружающую среду, что приводит к снижению удельного импульса ЛРД.
Кроме того, сравнительно высокий ожидаемый удельный импульс и обеспечение устойчивого «горения» непрерывного оптического разряда (НОР) предполагают небольшой расход рабочего тела с маленькой скоростью обдува НОРа. Данные требования налагают ограничения на эффективную работу ГДО, поэтому, чтобы ГДО справлялся со своей задачей, перепад давления между КП и окружающей средой должен быть небольшим, и как следствие трудно достичь давления критического перепада в минимальном сечении сопла ЛРД, также это ведет к уменьшению удельного импульса и тяги ЛРД в условиях атмосферы.
В условиях космоса (где давление практически равно нулю) камера поглощения с ГДО будет иметь сверхкритический перепад как со стороны сопла, так и со стороны ГДО, и в итоге возникнет две тяги, векторы которых направлены в разные стороны, что существенно уменьшит удельный импульс ЛРД.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении КПД, удельного импульса и ресурса работы ЛРД.
Технический результат (вариант 1) достигается тем, что в лазерном ракетном двигателе (фиг.1), содержащем систему отражающих и фокусирующих зеркал, газодинамическое окно, камеру поглощения, систему подачи рабочего тела, сверхзвуковое сопло, тракт охлаждения, новым является то, что система двух отражающих и фокусирующих зеркал находится в герметичной предварительной камере, сообщенной с камерой поглощения посредством газодинамического окна, вход для лазерного излучения в предварительную камеру обеспечивается двумя твердыми охлаждаемыми окнами, прозрачными для применяемого вида лазерного излучения, при этом давление в предварительной камере выше, чем в камере поглощения, а два зеркала, отражающие внешнее лазерное излучение, расположены снаружи лазерного ракетного двигателя.
Технический результат (вариант 2) достигается тем, что в лазерном ракетном двигателе, содержащем систему отражающих и фокусирующих зеркал, газодинамическое окно, камеру поглощения, систему подачи рабочего тела, тракт охлаждения, сверхзвуковое сопло, новым является то, что система конического отражающего и фокусирующего зеркал находится в герметичной предварительной камере, сообщенной с камерой поглощения посредством газодинамического окна, вход лазерного излучения в предварительную камеру обеспечивается кольцевым твердым охлаждаемым окном, прозрачным для лазерного излучения, причем давление в предварительной камере выше, чем в камере поглощения, а коническое зеркало, отражающее внешнее лазерное излучение в двигатель, расположено снаружи лазерного ракетного двигателя.
Оптические центры наружного, внутреннего отражающих зеркал и твердого окна находятся на одной оси.
На фиг.1 представлена схема лазерного ракетного двигателя (вариант 1).
На фиг.2 представлена схема лазерного ракетного двигателя (вариант 2).
Лазерный ракетный двигатель (фиг.1) содержит два внешних поворотных зеркала 1, прозрачные для ввода лазерного луча, два твердых окна 2, два внутренних поворотных зеркала 3, фокусирующее зеркало (концентратор) 4, герметичную предварительную камеру 5, газодинамическое окно 6, камеру поглощения 7, сверхзвуковое сопло 8, тракт охлаждения двигателя 9, систему подачи рабочего тела - коллектор 10.
Лазерный ракетный двигатель работает следующим образом. Лазерный луч, отражаясь от двух поворотных зеркал 1, проходя через твердые окна 2, попадает в герметичную предварительную камеру 5, где, отражаясь от двух поворотных зеркал 3 и с помощью фокусирующего зеркала 4, через газодинамическое окно 6 фокусируется в камере поглощения 7. Для инициирования непрерывного оптического разряда вместе с рабочим телом подается аэрозоль с солями щелочных металлов, снижающая порог пробоя оптического разряда. В образовавшемся непрерывном оптическом разряде поглощение лазерного луча в основном происходит в процессе, обратном тормозному излучению. Образовавшийся непрерывный оптический разряд газодинамически стабилизируется в приосевой области камеры поглощения, обдуваясь осесимметричным осевым потоком рабочего тела, истекающего из газодинамического окна. Поступающее по тракту охлаждения 9 в газодинамическое окно 6 рабочее тело, например водород, охлаждает стенки камеры поглощения 7 ЛРД и твердые окна 2. Рабочее тело, обтекая и частично проходя через плазму НОРа, нагревается и истекает, ускоряясь в сверхзвуковом сопле 8, образуя сверхзвуковую реактивную струю.
При высоких уровнях мощности лазерного излучения твердые окна из прозрачных диэлектриков смогут работать сравнительно недолго.
Увеличение ресурса работы твердых окон ЛРД достигается увеличением площади окон, что пропорционально уменьшает энергию и нагрев единицы площади окна.
Для равномерного охлаждения окон 2 предварительной камеры 5 через коллектор 10, имеющий отверстия по периметру окон 2, прокачивается холодное рабочее тело, например газообразный или жидкий водород. Поступающее через коллектор 10 в предварительную камеру 5 рабочее тело приводит к появлению по сравнению с окружающей средой избыточного давления. Создание избыточного давления в предварительной камере перед ГДО и как следствие уменьшение перепада давления между камерой поглощения 7 и предварительной камерой 5 (на входе в газодинамическое окно 6 (ГДО 6)) позволит создавать более высокие давления в камере поглощения 7. Повышение давления в камере поглощения 7 ЛРД приводит к увеличению КПД и удельного импульса ЛРД.
При работе такого двигателя со стороны предварительной камеры 5, то есть в канале ГДО 6, образуется газовая подушка, препятствующая перетеканию рабочего тела из камеры поглощения 7 через ГДО 6 в сторону предварительной камеры 5. Перетекание будет возможным только из предварительной камеры 5 в камеру поглощения 7, что будет соответствовать нормальной работе ЛРД.
Лазерный ракетный двигатель (фиг.2) содержит коническое отражающее зеркало 1, кольцевое твердое окно 2, коническое отражающее зеркало 3, фокусирующее зеркало 4, предварительную герметичную камеру 5, ГДО 6, камеру поглощения 7, сверхзвуковое сопло 8, тракт охлаждения 9, систему охлаждения окна - коллектор 10.
Лазерный ракетный двигатель (фиг.2) работает следующим образом.
Внешнее лазерное излучение, отражаясь от конического зеркала 1, проходит через твердое кольцевое окно 2 в предварительную герметичную камеру 5, где, отражаясь от конического зеркала 3, поступает на фокусирующее зеркало 4. Дальнейший процесс происходит, как в предыдущем двигателе. За счет кольцевого твердого окна 1 удельная тепловая нагрузка на окне существенно ниже.
1. Лазерный ракетный двигатель, содержащий систему отражающих и фокусирующих зеркал, газодинамическое окно, камеру поглощения, систему подачи рабочего тела, тракт охлаждения, сверхзвуковое сопло, отличающийся тем, что система двух отражающих и фокусирующих зеркал находится в герметичной предварительной камере, сообщенной с камерой поглощения посредством газодинамического окна, вход лазерного излучения в предварительную камеру обеспечивается двумя твердыми охлаждаемыми окнами, прозрачными для лазерного излучения, причем давление в предварительной камере выше, чем в камере поглощения, а два зеркала, отражающие внешнее лазерное излучение в двигатель, расположены снаружи лазерного ракетного двигателя.
2. Лазерный ракетный двигатель, содержащий систему отражающих и фокусирующих зеркал, газодинамическое окно, камеру поглощения, систему подачи рабочего тела, тракт охлаждения, сверхзвуковое сопло, отличающийся тем, что система конического отражающего и фокусирующего зеркал находится в герметичной предварительной камере, сообщенной с камерой поглощения посредством газодинамического окна, вход лазерного излучения в предварительную камеру обеспечивается кольцевым твердым охлаждаемым окном, прозрачным для лазерного излучения, причем давление в предварительной камере выше, чем в камере поглощения, а коническое зеркало, отражающее внешнее лазерное излучение в двигатель, расположено снаружи лазерного ракетного двигателя.
www.findpatent.ru
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.
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.
Солнечные паруса для перемещения под давлением излучения лазера являются образцами двигателей на лучевой тяге.
Солнечный парус для движения под давлением лазера
Солнечный парус в космосе
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.
Солнечный парус
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».
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 (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.
Концепция лазерных двигателей
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 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.
Термоядерные двигатели
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.
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.
Лазерные технологии NASA
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.
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.
Лазерные двигатели на инерционном лазерном топливе
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.
Лазерные двигатели в применении
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.
hikosmos.ru
Лазерный реактивный двигатель — ракетный двигатель в котором рабочее тело получается путём испарения твёрдого материала или разогрева газа лазерным лучом.
Используемый для разгона лазер чаще всего располагается вне самого летательного аппарата. При расположении лазера в начальной точке движения основной проблемой при перемещении на большие расстояния становится торможение аппарата в конечной точке маршрута.
Данный тип двигателя эффективнее использовать в вакууме, где отсутствует рассеяние лазерного луча атмосферой.
Американские разработчики в начале 90-х считали, что лазерный двигатель должен снизить себестоимость вывода грузов на орбиту за счёт того, что лазер, как основной источник энергии, используется многократно в отличие от ракет-носителей. Российскими исследователями отмечается в качестве преимущества возможность отказа от использования окислителя.
Лазерные двигатели, использующие другие движители, также, как правило, используют внешний по отношению к объекту лазер для передачи энергии.
В частности под "лазерным" двигателем может пониматься комбинация внешнего разгонного лазера с расположенным на аппарате "парусом" из специального материала.
В 2007-м году группа японских учёных во главе с Хидэки Окамурой разработала модель маломощного двигателя, в котором движение придается металлическому диску путём его нагрева лазерным лучом.[1] Лазер зелёного цвета с длиной волны 532 нм нагревает металл, что приводит к его расширению и возникновению на поверхности быстро перемещающихся эластичных волн, которые двигаются вокруг центра кольца. При соприкосновении с осью, на которой находится диск, он начинает вращаться.
В 1972 году в издании "Astronautics and Aeronautics" была опубликована работа Артура Кантровица[en](Arthur Robert Kantrowitz) "Propulsion to Orbit by Ground Based Lasers", в которой предлагалось изменить сам подход к запуску космических аппаратов. Вместо постройки больших и менее эффективных ракет было предложено использовать мощные лазеры для запуска небольших спутников.
С 1986 года ряд работ по проблемам, связанным с лазерными двигателями, опубликовал американский физик Джордин Кэр работавший по гранту NASA.
Lightcraft — совместный проект ВВС США и NASA, проводившийся в 90-х годах по концепции предложенной Лейком Мирабо[en] из Политехнического института Ренсселера. В качестве рабочего тела в экспериментальных моделях использовался нагретый лазерным лучом атмосферный воздух. Луч передавался на летательный аппарат с лазера, расположенного на поверхности Земли. Эксперименты проводились на полигоне Уайт-Сэндз авиабазы Райт-Паттерсон[en].[2] В 2000-м году экспериментальная модель размером около 12 сантиметров достигла высоты в 71 метр. Позднее профессором Мирабо была основана компания Lightcraft Technologies[3], продолжающая разработку лазерных реактивных двигателей.[4]
АКЛРД (Аэрокосмический лазерный реактивный двигатель) - проект, созданный и в 2005-м году запатентованный[5] группой ученых из Научно-Исследовательского Института Оптико-Электронного Приборостроения (НИИ ОЭП) во главе с Ю. Резунковым.[6] Был создан макет двигателя и проведены эксперименты по демонстрационному полету оснащенного им аппарата общей массой в 150 грамм.[7] По данным Конструкторского Бюро Химавтоматики (КБХА)[8] разработка ЛРД (Лазерного ракетного двигателя) ведется КБХА с 2002 года совместно с НИИ ОЭП и Исследовательским Центром им. М. В. Келдыша.
DEEP-IN - проект, разрабатываемый группой ученых (UCSB Experimental Cosmology Group)[9]Калифорнийского Университета в Санта-Барбаре по программе NASA[10]. Предполагается использование системы микролазеров для разгона плоского летательного аппарата, способного совершать межзвездные перелеты на скоростях приближающихся к световым. По расчетам авторов проекта такой аппарат в состоянии преодолеть расстояние до Альфы Центавра за 20 лет.[11]
wikiredia.ru
Лазерный реактивный двигатель — ракетный двигатель в котором рабочее тело получается путём испарения твёрдого материала или разогрева газа лазерным лучом.
Используемый для разгона лазер чаще всего располагается вне самого летательного аппарата. При расположении лазера в начальной точке движения основной проблемой при перемещении на большие расстояния становится торможение аппарата в конечной точке маршрута.
Данный тип двигателя эффективнее использовать в вакууме, где отсутствует рассеяние лазерного луча атмосферой.
Американские разработчики в начале 90-х считали, что лазерный двигатель должен снизить себестоимость вывода грузов на орбиту за счёт того, что лазер, как основной источник энергии, используется многократно в отличие от ракет-носителей. Российскими исследователями отмечается в качестве преимущества возможность отказа от использования окислителя.
Лазерные двигатели, использующие другие движители, также, как правило, используют внешний по отношению к объекту лазер для передачи энергии.
В частности под "лазерным" двигателем может пониматься комбинация внешнего разгонного лазера с расположенным на аппарате "парусом" из специального материала.
В 2007-м году группа японских учёных во главе с Хидэки Окамурой разработала модель маломощного двигателя, в котором движение придается металлическому диску путём его нагрева лазерным лучом.[1] Лазер зелёного цвета с длиной волны 532 нм нагревает металл, что приводит к его расширению и возникновению на поверхности быстро перемещающихся эластичных волн, которые двигаются вокруг центра кольца. При соприкосновении с осью, на которой находится диск, он начинает вращаться.
В 1972 году в издании "Astronautics and Aeronautics" была опубликована работа Артура Кантровица[en](Arthur Robert Kantrowitz) "Propulsion to Orbit by Ground Based Lasers", в которой предлагалось изменить сам подход к запуску космических аппаратов. Вместо постройки больших и менее эффективных ракет было предложено использовать мощные лазеры для запуска небольших спутников.
С 1986 года ряд работ по проблемам, связанным с лазерными двигателями, опубликовал американский физик Джордин Кэр работавший по гранту NASA.
Lightcraft — совместный проект ВВС США и NASA, проводившийся в 90-х годах по концепции предложенной Лейком Мирабо[en] из Политехнического института Ренсселера. В качестве рабочего тела в экспериментальных моделях использовался нагретый лазерным лучом атмосферный воздух. Луч передавался на летательный аппарат с лазера, расположенного на поверхности Земли. Эксперименты проводились на полигоне Уайт-Сэндз авиабазы Райт-Паттерсон[en].[2] В 2000-м году экспериментальная модель размером около 12 сантиметров достигла высоты в 71 метр. Позднее профессором Мирабо была основана компания Lightcraft Technologies[3], продолжающая разработку лазерных реактивных двигателей.[4]
АКЛРД (Аэрокосмический лазерный реактивный двигатель) - проект, созданный и в 2005-м году запатентованный[5] группой ученых из Научно-Исследовательского Института Оптико-Электронного Приборостроения (НИИ ОЭП) во главе с Ю. Резунковым.[6] Был создан макет двигателя и проведены эксперименты по демонстрационному полету оснащенного им аппарата общей массой в 150 грамм.[7] По данным Конструкторского Бюро Химавтоматики (КБХА)[8] разработка ЛРД (Лазерного ракетного двигателя) ведется КБХА с 2002 года совместно с НИИ ОЭП и Исследовательским Центром им. М. В. Келдыша.
DEEP-IN - проект, разрабатываемый группой ученых (UCSB Experimental Cosmology Group)[9]Калифорнийского Университета в Санта-Барбаре по программе NASA[10]. Предполагается использование системы микролазеров для разгона плоского летательного аппарата, способного совершать межзвездные перелеты на скоростях приближающихся к световым. По расчетам авторов проекта такой аппарат в состоянии преодолеть расстояние до Альфы Центавра за 20 лет.[11]
ru-wiki.ru
Лазерный реактивный двигатель — ракетный двигатель в котором рабочее тело получается путём испарения твёрдого материала или разогрева газа лазерным лучом.
Используемый для разгона лазер чаще всего располагается вне самого летательного аппарата. При расположении лазера в начальной точке движения основной проблемой при перемещении на большие расстояния становится торможение аппарата в конечной точке маршрута.
Данный тип двигателя эффективнее использовать в вакууме, где отсутствует рассеяние лазерного луча атмосферой.
Американские разработчики в начале 90-х считали, что лазерный двигатель должен снизить себестоимость вывода грузов на орбиту за счёт того, что лазер, как основной источник энергии, используется многократно в отличие от ракет-носителей. Российскими исследователями отмечается в качестве преимущества возможность отказа от использования окислителя.
Лазерные двигатели, использующие другие движители, также, как правило, используют внешний по отношению к объекту лазер для передачи энергии.
В частности под "лазерным" двигателем может пониматься комбинация внешнего разгонного лазера с расположенным на аппарате "парусом" из специального материала.
В 2007-м году группа японских учёных во главе с Хидэки Окамурой разработала модель маломощного двигателя, в котором движение придается металлическому диску путём его нагрева лазерным лучом.[1] Лазер зелёного цвета с длиной волны 532 нм нагревает металл, что приводит к его расширению и возникновению на поверхности быстро перемещающихся эластичных волн, которые двигаются вокруг центра кольца. При соприкосновении с осью, на которой находится диск, он начинает вращаться.
В 1972 году в издании "Astronautics and Aeronautics" была опубликована работа Артура Кантровица[en](Arthur Robert Kantrowitz) "Propulsion to Orbit by Ground Based Lasers", в которой предлагалось изменить сам подход к запуску космических аппаратов. Вместо постройки больших и менее эффективных ракет было предложено использовать мощные лазеры для запуска небольших спутников.
С 1986 года ряд работ по проблемам, связанным с лазерными двигателями, опубликовал американский физик Джордин Кэр работавший по гранту NASA.
Lightcraft — совместный проект ВВС США и NASA, проводившийся в 90-х годах по концепции предложенной Лейком Мирабо[en] из Политехнического института Ренсселера. В качестве рабочего тела в экспериментальных моделях использовался нагретый лазерным лучом атмосферный воздух. Луч передавался на летательный аппарат с лазера, расположенного на поверхности Земли. Эксперименты проводились на полигоне Уайт-Сэндз авиабазы Райт-Паттерсон[en].[2] В 2000-м году экспериментальная модель размером около 12 сантиметров достигла высоты в 71 метр. Позднее профессором Мирабо была основана компания Lightcraft Technologies[3], продолжающая разработку лазерных реактивных двигателей.[4]
АКЛРД (Аэрокосмический лазерный реактивный двигатель) - проект, созданный и в 2005-м году запатентованный[5] группой ученых из Научно-Исследовательского Института Оптико-Электронного Приборостроения (НИИ ОЭП) во главе с Ю. Резунковым.[6] Был создан макет двигателя и проведены эксперименты по демонстрационному полету оснащенного им аппарата общей массой в 150 грамм.[7] По данным Конструкторского Бюро Химавтоматики (КБХА)[8] разработка ЛРД (Лазерного ракетного двигателя) ведется КБХА с 2002 года совместно с НИИ ОЭП и Исследовательским Центром им. М. В. Келдыша.
DEEP-IN - проект, разрабатываемый группой ученых (UCSB Experimental Cosmology Group)[9]Калифорнийского Университета в Санта-Барбаре по программе NASA[10]. Предполагается использование системы микролазеров для разгона плоского летательного аппарата, способного совершать межзвездные перелеты на скоростях приближающихся к световым. По расчетам авторов проекта такой аппарат в состоянии преодолеть расстояние до Альфы Центавра за 20 лет.[11]
ru-wiki.org
