Содержание к диссертации
Перечень основных условных обозначений . 6
Индексы (нижние) ..... 7
Перечень условных сокращений . ... . 8
Введение . . . . . 9
Глава 1 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПРОБЛЕМЫ
РАЗРАБОТКИ ЛАЗЕРІ 1ЫХ СИСТЕМ РЕАКТИВІ ІОЙ ТЯІ И . 20
1 1 Основные этапы развития исследований по лазерной тяге 20
12 Основные характеристики гяі и лазерных реактивных двигателей . 26
1 3 Основные механизмы формирования лазерной реактивной тяі и . . 28
1 3 1 Формирование тяги в лазерных воздушно-реакіивньїхдвшаїечях 28
1.3 2 Лазерная тяга на основе эффекта лазерной абляции 33
1.3 3 Лазерно-химические реактивные двигатели 38
1 3 4. Основные типы лазерных реактивных двигателей . 42
1 4 Лазерные системы реактивной тяі и на основе лазерных систем передачи
световой энергии .... . .... .46
1 4 1 Запуск космических аппаратов на околоземную орбиту Требования
к оптимальным характеристикам лазерной реактивной тяги 52
1.4 2. Межорбитальные полеты космических аппаратов с лазерным
реактивным двиїаіелем . 57
1 4 3 Особенности применения ЛРСТ для коррекции движения
низкоорбитальных спутников . ... 61
1 5 Выводы . 68
Глава 2 ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА С ПЛАЗМОЙ ПРИ ОПТИЧЕСКОМ ПРОБОЕ ГАЗОВЫХ
И ГАЗОКАПЕЛЬНЫХ СРЕД 73
2 1 Введение . 73
2 2 Модели формирования лазерной реактивной тяги при оптическом пробое
газовых и газокапельных сред 74
2 3 Экспериментальные исследования взаимодействия лазерною излучения с
іазовьши и газокапельными средами . 81
2 4 Модель лазерной плазмы, возникающей при взаимодействии мощною
импульса Nd-лазера с газами .. . 88
2 5 Заключение ... ... . .102
Глава 3 АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ДЕТОНАЦИИ ІІРИ ВЗАИМОДЕИС I ВИИ
ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕС ГВАМИ СНО-ХИМИЧЕСКОІ О
СОС ГАВА, ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТОПЛИВА ДЛЯ ЛХРД . 104
3.1. Введение . ... .... . . 104
3 2 Постановка экспериментальных исследований процессов лазерной
детонации веществ СНО-химическої о состава . . . 105
3.3 Результаты экспериментальных исследований различных веществ
СНО-химического состава для ЛРД . . . ПО
3 3.1. Результаты экспериментов с по шмерными рабочими веществами
с использованием излучения имнульсною СОг-лазера . 111
3 3 2 Результаты экспериментов с по шкриста і шческими веществами с
использованием излучения СОг-лазера 115
3 4 Экспериментальные исследования с использованием излучения
Nd-лазера .... . . .119
3 5 Анализ результатов экспериментальных исследований по взаимодействию
излучения с СНО-веществами, выбор рабочего вещества для ЛРД 121
3 6 КПД лазерных реактивных двигателей . . .126
36 1 Химические реактивные двигатели . 127
3 6 2 Лазерные реактивные двигатели ... 127
3 6 3. Лазерно-химические реактивные двигатели 128
3 7 Заключение.. .. . . . 131
Глава 4 PEAK ІИВНАЯ ТЯГА АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ЛАЗЕРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 134
4 1 Концепция аэрокосмического лазерного реактивного двигателя . 134
4 2 Экспериментальные исследования моделей АКЛРД в импульсном
режиме работы СОг-лазера . 138
4 3 Экспериментальные исследования полетной модели АКЛРД в
импульсно-периодическом режиме работы СОг-лазера .. 144
4 4 Модель АКЛРД для непрерывного СОг-лазера, экспериментальное
обоснование универсальности конструкции АКЛРД . .151
4 4.1 Особенности работы лазерного реактивного двигателя с
непрерывным лазерным излучением . . . . 151
4 4 2 Экспериментальное обоснование универсальности концепции
АКЛРД в импульсном и в непрерывном режимах работы 155
4 5 Заключение ... ... 162
Глава 5 АДАПТИВНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ИМПУЛЬСНО-
ПЕРИОДИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОИОНИЗАЦИОННЫХ С02-ЛАЗЬРОВ . . .164
5 1 Введение . 164
5 2 СОг-лазеры с дифракционной расходимосіью и?лучения, ОВФ на основе
эффекта самовоздействия излучения в активной среде лазера . 166
5 2 1 Состояние исследований но ОВФ излучения импульсно-
иериодических СОг-лазеров 166
5 22 ЧВВ излучения в инвертированной среде СОї-лазера 167
5 2 3 Постановка экспериментальных исследований по ОВФ в активной
среде СОг-лазера . 170
5 2 4 Особенности ЧВВ излучения в активной среде импульсного
СОг-лазера . 173
5 2 5 Характеристики ЧВОС при ЧВВ излучения в акіивной среде ла$ера 177
5 3 Генерация мощного СОг-лазерного пучка с дифракционной
расходимостью на выходе лазерной системы. . .. 179
5 3 1 ФОС на основе телескопа типа ГЕНОКОМ и ОВФ-зеркала
на основе элегаза с изотопически замещенной серой 4SFft 181
5 3.2. ФОС на основе телескопа типа IЕНОКОМ и внутрирезонаторного
ОВФ-зеркала .. . 183
5 4 Лазерная система на основе метода квази-ОВФ с динамической коррекцией
внутри системных аберраций . . 185
5 5 Особенности использования излучения СОг-лазера для запуска аппаратов с
ЛРД в атмосфере Земли .. . . . .191
5 5 1 Эффект термоблюминга на горизонтальных атмосферных трассах 191
5 5 2 Влияния атмосферной турбулентности на доставку
лазерной энергии . . 194
5 5 3 Алюритм "яркою спекла" и лазерная система доставки энергии в
атмосфере на ею основе . . 199
5 6 Выводы . .. 210
I лава 6 ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ РЕАКТИВНОЙ ТЯГИ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ
ПОЛЕТОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ . 212
6.1 Введение 212
6 2 Влияние турбулентности на доставку лазерной энергии к космическому
аппарату с ЛРД ... . . . . . 213
6 3 Алгоритм формирования силового лазерною пучка с использованием
источника когерентного оптического излучения (ИКОИ) . . . 217
6 4 Лазерная система реактивной тяги космическою базирования
(геостационарная орбита) для межорбитальных полетов космических
аппаратов 225
6 5. Лазерная система реактивной тяги на основе лазеров с солнечной накачкой в системе ориентации и стабилизации положения
межпланетного космического аппарата ... .. 214
6 6 Заключение ... .... .... . . 240
Заключение ... 243
Список литературы .. 248
Перечень основных условных обозначений
а - ускорение (м/с ),
ае - константа скорости ионизации,
Ст - удельный импульс реактивной отдачи (H/Bi),
с - скорость свега (км/с),
ср, - теплоемкость при постоянном давлении (Дж/К),
Се - энергетическую стоимость перевода единицы массы полезной нагрузки аппарата с
орбиты на орбиту (Дж/кг), С2п - структурная постоянная турбулентности (м2/3),
С г- цена тяги (Вт/Н),
D - диаметр апертуры главного зеркала (м),
Е - энергия в импульсе (Дж),
/ частота повторения импульсов (с),
1\- кадровая частота смещения, информационного канала (Гц),
g - ускорение свободного падения (м/с2),
Л-посюянная Планка, 6,626 1034 (Дж с),
А Н" - энтальпия образования вещества (Дж/моль),
/-интенсивность лазерною излучения (Вт/см2), hP - удельный импульс (с), lz - потенциал ионизации (В), ./- механический импульс (Н*с),
К- коэффициент увеличения удельного импульса реактивной отдачи, т - масса испаренного вещества (г),
т, - масса атомов или молекул испаренного вещества (і /моль), т - массовый расход топлива (скорость абляции) (г/см2хс), т\ - масса полезной нагрузки космического аппарат (ki ), М-число Маха,
Mq - начальная масса космическою аппарата (кі), пе - плотность электронов (см'3), yV- коэффициент доюрания, р - давление газа (Па), ри - давление воздуха (атм, мм рт ст ),
q - плотность потока излучения (Дж/см2) или удельная теплога парообразования, (Дж/кг*К)
(см по тексту), Р - мощность лазерного излучения (кВт), Q - удельная теплота сгорания топлива (Дж/г), Q* - удельная энергия лазерною импульса, необходимая для испарения единицы массы
вещества (Дж/г), R - характерный геометрический параметр реактивного сопла или коэффициент отражения (см по тексту),
R'- универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/мольхК, /?о- динамический радиус в теории локального взрыва (м), S - площадь (м2), t - время (с), Г- тяга двигателя (Н),
7'К))„ - температура кипения вещества (С, К), Ге - электронная температура (эВ),
v - средняя скорость истечения продуктов сгорания исиаренної о вещества (м/с, км/с), V- скорость объекта (м/с, км/с), W- мощность тепловых источников (Вт),
Z- заряд, равный числу электронов, приходящихся на один атом,
а - коэффициент преобразования знеріии лазерною излучения в тепловую энергию
вещества, Р - эффективность вклада лазерной энергии в плазму оптического пробоя, у - эффективный показатель адиабаты испаренною вещества, б - размер элемента разрешения (м), Fe - кинетическая энергия электронов (эВ), т}- коэффициент полезною действия, О - угловая расходимость излучения, угол упреждения (рад ), 0(/- дифракционная угловая расходимость излучения (рад ), 0 - уюл сведения световых пучков (рад ), }. - длина волны (м), Л - шаг голографической решетки (мм), ц - молекулярная масса газа (испаренного вещества) (г/моль), ц, - коэффициент поглощения лазерного излучения веществом (см ), р - плотность газа (г/см3),
а - температурный коэффициент объемного расширения (К '), ае - сечение ионизации электронным ударом (см2), т - длительность импульса (с), то - характерное время локального взрыва,
X - температуропроводность среды (м /с),
о) - частота свободных колебаний маятника (Гц) или частой излучения (см по тексту), Q. -телесный угол в вершине полого конуса (стер), или частот амплитуды акустической волны (с'')(см по тексту),
Индексы (нижние)
взр - взрывной процесс,
дет - процесс детонации,
диск - дискретизация,
дог - процесс догорания,
ис - излучаемый сигнал,
КА - космический аппарат,
об - объект,
осл - ослабление излучения,
пн - полезная нагрузка,
пр - продукты реакции,
пс - принимаемый сиі нал,
турб - "замороженноегь турбулентности",
с - процесс сгорания,
d -дифракцмонный,
і - атом, молекула испаренного вещества,
О - начальные параметры,
X - для данной длины волны
Перечень условных сокращений
ЛКЛРД - аэрокосмический лазерный реактивный двигатель,
ВВКР - вращательное вынужденное комбинационное рассеяние
ВКР - вынужденное комбинационное рассеяние,
ГСО - геостационарная орбита,
ЗГ - задающий генератор,
ИКОИ - источника когерентного оптического излучения,
ИМ - мелкомасштабные искажения,
ИИ - импульсно-периодический,
КА - космический аппарат,
КВКР - колебательное вынужденное комбинационное рассеяние,
КДУ - корректирующая двигательная установка,
КПД - коэффициент полезного действия,
ЛВРД - лазерный воздушно-реактивный двигатель,
ЛРД - лазерный реактивный двигатель,
ЛСРI - лазерная система реактивной тяги,
ЛХРД - лазерно-химический реактивный двигатель,
МДВ - метеоролої ической дальности видимости,
МЛД - макег лазерної о двигателя,
МЭК - Марсианский экспедиционный комплекс,
ИЗО - низкая околоземная орбита,
ОВФ - обращение волнового фронта,
ПММА - полиметилметакрилат,
РДТТ - ракетный двигатель на твердом топливе,
СГЗ - составное главное зеркало,
СДВ - светодетонационная волна,
СИ I - светоиндуцированное тепловыделение,
СРВ - сверхзвуковая радиационная волна,
ТЬНОКОМ -телескоп с нелинейно-онгической компенсацией искажений,
ФОС - формирующая оптическая система,
ХРД - ракетный двигатель на химическом топливе,
ЧВВ - четырехволновое взаимодействие излучения в нелинейных средах,
ЧВОС - четырехволновое взаимодействие с усилением в петле обратной связи,
ЭРД - электрический реактивный двигатель,
LOTV - лазерный орбитальный транспортный аппарат,
LTD -демонстрационная модель светового аппарата
Введение к работе
Современное развитие космонавтики и технологий освоения космического пространства приводит к необходимости разработки более дешевых способов запуска космических аппаратов на околоземные орбиты и энергетически более эффективных сисіем формирования тяіи Одним из перспективных направлений в космонавтике в XX веке считалось развитие многоразовых трансноргных средств для доставки спутников на околоземные орбиты К этим средствам, в первую очередь, относяіся частично многоразовые аэрокосмические системы типа "Space Shuttle" (США) и "Буран" (СССР), созданные на основе ракетных носиїелей Однако стоимость запуска аппаратов на орбиту с помощью таких систем велика, а основную массу системы составляет ракетное топливо Развитие исследований в области гиперзвуковой аэродинамики и соответствующих аэрокосмических технологий привело к разработке односіупенчаїьіх аэрокосмических самолетов (типа Х-30 в США, "Hotol" в Великобритании или "Игла" в России), чю, по опенкам, должно существенно снизить стоимость запуска
В данной работе рассматриваются лазерные системы реактивной тяги (ЛСРі) как одно из перспективных направлении решения проблемы создания энергетически эффективных транспортных систем Одним из принципиальных преимуществ ЛСРІ является отсутствие какой-либо отделяемой или вошращаемой на Землю отработанной ракетной ступени Еще одним преимуществом рассматриваемою варианта аэрокосмическои системы является использование зколоіически чистых видов топлива таких, как атмосферный воздух (на этапе запуска аппараіа) или полимерные материалы СНО-химическою состава При значительном количестве (свыше 1000 в год) такая система может быть экономически выгодной
В работе исследуются проблемы создания ЛСРТ применительно к запуску аппаратов на околоземную орбиту а, также, применительно к орбитальным полетам спутников для астрофизических телескопов, мониторинга и исследования околоземного космического пространства, защиты космических станций Рассматриваются возможности использования лазерной тяги как систем стабилизации и ориентации межпланетных аппаратов Достижение энергетической эффективности лазерной тяги и обеспечение экономного расхода топлива являются основными задачами в разработке лазерных систем реактивной іяги космического применения
Лазерная реактивная тяга является частью более общей концепции использования энергии направленного излучения - от радиоволн до излучения Солнца, - которая в настоящее время интенсивно разрабатывается во всем мире применительно к созданию
новых транспортных средств. Концепция лазерной тяги основывается на использовании знеріии удаленного лазерного источника, доставляемой к аппарату специальными средствами Лазерная тяіа - развивающаяся область квантовой электроники и лазерной физики, объединяющая такие направления, как физика плазмы, взаимодействие лазерного ииіучения с веществом, а также прохождение лазерного излучения в атмосфере и др Особенностью исследований по лазерной тяге является то, что механизмы, ответственные за ее формирование, "включаются" под воздействием интенсивного лазерного излучения К таким механизмам относятся а) лазерная абляция, б) вынос рабочей массы газа лазерной детонационной волной (или ударной волны, в) высвобождение химической энергии связи молекул рабочего вещества, которое само по себе является химически нейтральным
Анализ исследований по лазерной тяге показывает, что их можно условно разделить на несколько этапов 70-е года прошлого века являюіся началом исследований, разработкой первых концепции применения лазерной тяги В 80-е годы намечается поиск научно-технических решений обеспечения оптимальный условии формирования лазерной тяіи, включая конструкции лазерного реактивною двшателя и состав оптимального топлива Этап 90-х годов был посвящен концептуальным разработкам использования лазерной тяги в космосе На современном этапе (начало 2000-х годов) формируется практический подход к подготовке и проведению демонстрационных экспериментов, обосновывающих возможности применения лазерной тяги в ракетной технике и технологии
В данной работе рассматриваются проблемы разработки лазерных систем реактивной тяги в наиболее общем виде с включением в их состав таких компонент, как
лазер (лазерный источник энергии) с телескопической системой передачи опері ии к аппарату с ЛРД,
системы управления лазерным пучком (включая управление ею волновым фронтом для компенсации искажений, вносимой трассой распространения излучения на эффективность доставки энергии к аппарату с ЛРД),
собственно лазерный реактивный двигатель; и, наконец,
летательный аппарат с ЛРД и приемной оптической системой на борту
Целью диссертационной работы является теоретическое и эксперимента іьное
обоснование возможности разработки чазерных систем реактивной тяги на основе
решения физических пробчем создания универсачьных шзерных реактивных двигатеїей и
адаптивных методовуправчения чазерным чучом, обеспечивающих эффективную доставку
шзерной энергии от чазеров наземного и космического базирования
В работе рассматриваются следующие задачи, решение которых направлено на достижение поставленной цели1
а) исследование процессов взаимодействия лазерного илучения с рабочий
веществом, вчияющих на формирование эффективной шзерной реактивной тяги
разработка их физических модечей дія решения пробіем создания уншерсаіьньїх
чазерных реактивных двигатечей (ЛРД),
б) обоснование выбора перспективного топчива дія шзерно-химических реактивных
двигатеїей на основе экспериментаіьиого исс іедования взаимодействия изіучения с
веществами СНО-химического состава,
в) эксперимептачьное обоснование возможности создания высокоэффективных
шзерных реактивных двигатеїей с высокими удеіьньїми характеристиками тяги
такими, как удечьный импучъс реактивной отдачи боїее 10 И/Вт и удеіьньт
импучьс 103 с и выше,
г) разработка ачгоритмов эффективной доставки чазерной энергии к аппарату с
ЛРД на борту дія компенсации искажений шзерного пучка при его прохождении
через атмосферу Земчи,
д) обоснование общей схемы построения адаптивных ЛСРТ на основе универсачъных
ЛРД и адаптивных методов управіепия лазерным пучком
Методология работы
Подготовка и проведение экспериментальных исследований но взаимодействию лазерного излучения с веществом проводятся на основе разработанных меюдов реіисірации эффективности вклада лазерной энергии в плазму оптического пробоя с применением теневых методов и іазодинамической теории локального взрыва Теоретические модели многократно ионизованной плазмы оптического пробоя изовых сред используются для обработки и анализа экспериментальных данных с целью определения эффективности вклада лазерной энергии в рабочее вещество и эффективности формирования лазерной тяги
Численное моделирование прохождения лазерного излучения через атмосферу Земли используется для определения основных факторов, ограничивающих эффективность доставки энергии к аппарату с лазерным реактивным двигателем Экспериментальные модельные исследования по взаимодействию лазерного излучения с атмосферой проводятся для обоснования алгоритма управления лазерным пучком, определяющею схемы построения адаптивных ЛСРТ.
В качестве основного метода управления излучением СС^-лазера используется метод обращения волнового фронта (ОВФ) на основе эффекта четырехволновою взаимодействия (ЧВВ) излучения среднего ИК диапазона в элегазе с изотонически замещенной серой
( SF&) Для записи динамической голограммы-коррекюра волнового фронта излучения СОг-лазера используется тепловая решетка плотности газа, формируемая под воздействием излучения лазера Модельные экспериментальные исследования в импульсно-периодическом режиме работы лазера позволяют продемонстрировать эффективность разрабатываемых алгоритмов коррекции волнового фроніа и формирования лазерной іяіи в динамическом режиме работы моделей JlCPi.
Научная новизна работы
1 Разработана экспериментальная методика определения эффекшвносж вклада
лазерной энергии в тепловую энергию іазовьіх и газокапельных сред на основе теории
локального взрыва На основе этой методики проведены экспериментальные исследования
по взаимодействию излучения импульсных СОг- и Nd-лазеров с различными газовыми и
газокапельными средами, позволившие экспериментально оценить эффективное^ вклада
лазерной энергии в плазму оптического пробоя указанных сред с привлечением модели
многократно ионизованной плазмы, создаваемой под воздействием лазерного излучения с
интенсивностью / = (10п-1014) Вт/см
2 Разработана полуэмпирическая модель формирования тяги в лазерно-химических
реактивных двиїателях на основе анализа экспериментальных исследований по
взаимодействию лазерного излучения двух длин волн (к =10,6 мкм и >. — 1,06 мкм) с
веществами СНО-химического состава (твердыми и жидкими)
3 Предложена лазерная система реактивной тяги, включающая в себя лазер,
адаптивные системы управления лазерным пучком, приемную оптическую систему,
устанавливаемую на аппарате, и аэрокосмический лазерный реактивный двигатель,
работающий с использованием излучения как непрерывных, іак и импульсно-
периодических лазеров При этом направление движения аппарата (или направление
вектора тяги двигателя) не зависит от взаимной пространственной ориентации аппарата и
лазерного источника энергии Разработаны макеты лазерных систем реактивной тяги и
проведены экспериментальные исследования по поле і у моделей аппаратов с лазерным
двиїаіелем, подтвердившие модельные представления формирования лазерной тяги с
использованием излучения СОг-лазеров
4. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность компенсации искажений лазерного пучка на всем оптическом тракте, охваченном петлей обращения вочнового фронта (ОВФ), в импульсно-периодическом режиме работы СОг-лазера с использованием меіодов ОВФ при четырехволновом взаимодействии излучения в различных нелинейных средах (элега!, активная среда лазерного усилителя), включая схемы ЧВВ с петлей обратной связи
Разработан и экспериментально подтвержден метод ОВФ излучения импульсно-периодических СОг-лазеров, основанный на записи голограммы-корректора в газовой среде (элегаз 34SF6>, - метод квази-ОВФ Теоретически и экспериментально показано, что быстродействие такого корректора равно 2-5 мкс, что позволяеі компенсировать практически все аберрации волнового фронта лазерного пучка, включая динамические аберрации, вызванные атмосферной турбулентностью
Предложен алгоритм компенсации аберраций лазерного пучка, возникающих при его распространении от лазера к аппарату с ЛРД в направлении упреждения, для повышения эффективности доставки лазерной энергии к космическому аппарату с ЛРД на борту с лазера наземного или самолетного базирования, основанный на использовании источника когерентного оптического излучения, создаваемого в атмосфере специальным опорным лазером В качестве такою исючника излучения предложено использовать эффект вынужденного комбинационного рассеяния излучения в верхних слоях ашосферы (на уровне 30 км)
Практическая значимость резулыаюв исследований
Разработанные методы формирования и наведения лазерного пучка, эффективной транспортировки лазерной энергии через земную атмосферу могут быть использованы в задачах запуска малоразмерных спутников на околоземные орбиты с использованием излучения импульсно-периодических лазеров, а также уничтожения космического мусора с использованием излучения импульсных лазеров наземного базирования.
Разработанная концепция универсальною аэрокосмического лазерного реактивною двигателя (АКЛРД), включающего приемную оптику, концентратор лазерною пучка, реактивное сопло, а также результаты экспериментальных исследований по лазерной іяіе с различными моделями лазерных реактивных двигателей могут быть использованы для разработки реальных лазерных двиїателей и рекомендации по типу космического аппараіа с лазерной тягой для демонстрационных экспериментов в космосе
Іеоретический анализ механизмов формирования лазерной реактивной тяги, основанный на модели многократно ионизированной плазмы и газодинамической теории локального взрыва, может быть также использован для исследования взаимодействия лазерною излучения с газовыми средами и определения эффективности такою взаимодействия
Разработанные методы создания эффективной лазерной іяіи будут способствовать разработке новою класса реактивных двигателей экологически безопасных для окружающей среды
Основные положения и научные результаты, выносимые на шщигу
Теоретические и экспериментальные результаты исследований процессов формирования лазерной тяги, зависимости характеристик лазерной тяіи от параметров лазерного излучения, состава рабочего вещества, геомеїрии взаимодействия излучения с веществом, геометрических характеристик моделей лазерных двигателей
Физические модели формирования лазерной тяги в лазерно-химических реактивных двигателях, разработанные на основе экспериментальных исследований взаимодействия лазерного излучения с веществами СНО-химическою состава, как в вакуумных, так и в атмосферных условиях.
Физические методы формирования лазерной тяги с высокими удельными характеристиками, в том числе с использованием рабочего вещества СНО-химического состава, подтвержденные экспериментально с использованием разработанных моделей аэрокосмических лазерных реактивных двигателей, обеспечивающих независимосіь (универсальность) принципов построения лазерных систем реактивной тяги от типа и режима работы лазера
Принципы построения лазерных систем реактивной тяіи, рабоїающих как в импульсно-периодическом, так и в непрерывном режимах работы, имеющих в своем составе а) лазерный излучатель, б) адаптивную лазерную систему, построенную с использованием искусственного когерентного источника излучения в атмосфере, в) приемную оптическую систему с лазерным реактивным двигателем, расположенные на самом аппарате, позволяющие обеспечить свободу в управлении направлением движения аппарата с ЛРД, исключить влияние выхлопной реактивной сіруи на лазерное излучение, конструктивно разделить оптический концентратор лазерного пучка и реактивное сопло
Алгоритмы работы и схемы построения адаптивного контура лазерных систем реактивной тяги с использованием голограммы-корректора и искусственного когерентного источника излучения в атмосфере, реализующие компенсацию искажений лазерного пучка из-за неизопланатизма распространения лазерного излучения в атмосфере Земли, разработанные с привлечением методов численного моделирования прохождения лазерного излучения в атмосфере.
Апробация результатов исследований
Научные результаты работы докладывались на международных научных конференциях.
"Оптика лазеров", Санкт-Петербург - 1992, 1994, 1996, 1998,2000,2003;
"High-Power Laser Ablation", Santa Fe (США) - 2000, Taos (США) - 2002,
"Beamed Energy Propulsion", Huntsville (США) - 2002, Sendai (Япония) - 2003, Tro> (США) - 2004, Nara (Япония) - 2005, а также
на конференции "Системы и технологии освоения космоса", Москва - 2003,
на семинарах в научном и технологическом центре НАСА в Huntsville (США) -2003,2004,
на научных семинарах в НИИКИ ОЭП, ИЛФИ ВНИИЭФ (г Саров), ИЛФ (г Санкт-Петербург), ФТИ им А Ф Иоффе (г Санкт-Петербург), ФГУП «Центр Келдыша» (г Москва)
Список основных публикаций по маїериалам диссеріационной рабо і ы сосіавляеі 34 печатных работы, в том числе 32 статьи и 2 патента на июбреіения
Научные результаты работы реализованы по следующим направлениям
метод обращения волнового фронта на основе четырехволнового взаимодействия излучения в нелинейных средах, аппаратура и система для засветки объектов защищены патентом Российской Федерации и испольюваны при разработке алгоритмов управления лазерным пучком, выполненных по темам Российского агентства по атомной энертии,
аэрокосмический лазерный реактивный двигатель защищен патентом Российской Федерации и международным патентом, испольюван при проведении НИР' Факел" (заказчик - Институт лазерно-физических исследований ВНИИЭФ, і Саров) для обоснования выбора топлива для ла?ерно-химических реактивных двигателей, а также предложен в качестве прототипа лазерных двигателей, раюабашваемых в рамках международных проектов Международного научно-технического центра (МНЩ, № 1801, ведущая оріанимция -НИИКИ ОЭП и № 2260, ведущая организация - ФГУІI "Центр Келдыша"),
алгоритмы работы и схемы построения адаптивного контура лазерных систем реактивной тяги с использованием іолоіраммьі-корректора использованы при исследованиях по проекту МНТЦ№ 1801
Данная диссертационная работа проводилась в рамках тематики НИР, выполняемых в НИИКИ ОЭП по заказам Российскою аіентсгва по атомной энергии, Министерства обороны РФ, Министерства энергетики и промышленности РФ, а также по проектам МНТЦ
Результаты работы использованы при разработке и постановке составной части НИР "Двигатель", утвержденной в рамках Федеральной космической программы развития ракетно-космической техники России на период до 2015 г
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения на 256 страницах, включая 112 рисунков, 24 таблицы, список литературы мі 173 наименований
В главе 1 анализируются основные направления исследований по лазерной іяіе, проводимые с 70-х годов прошлого столетия, представлена их классификация по предмет) исследований Выделено несколько этапов исследований, характеризуемых определенными достижениями Современный этан - начало XXI века - это разработка лазерных технологий, направленных на применение лазерной реактивной тяіи К таким іехнолоіиям относятся эффективные лазерные реактивные двигатели и адаптивные методы формирования и управления лазерным лучом, составляющие основу ЛСРТ
В главе 2 теоретически и экспериментально рассматривается одна из основных проблем создания эффективных лазерных реактивных двигателей - эффективность вклада лазерной энергии в плазму оптического разряда Для определения параметров мноюкражо ионизированной плазмы (степени ионизации и термодинамических функции) в зависимости от начальной плотности газа щ и температуры Т была рассмотрена упрощенная модель, основанная на методе 10 П. Райзера Применение этого метода позволяет с достаточной для решения большинства практических задач точностью определять термодинамические параметры плазмы
Особенностью проведенных эксперимешов является то, что для оценки эффекгивносги вклада лазерной энергии в плазму оптического пробоя газов использовалось приближение теории локального взрыва При этом предполагалось, что ударная волна (взрывная волна), распространяясь от области пробоя, несет информацию о величине удельного вклада лазерной энергии в этой области
Показано, что величина эффективности энерговклада лазерной энергии в плазму является явно низкой для получения высоких КПД, создание лазерной реактивной тяги на основе использования только газовых сред не представляется перспективным
В главе 3 представлен анализ экспериментальных результатов и обоснование модели взаимодействия лазерного излучения с СНО-веществами Экспериментальные исследования проводились с использованием излучения импульсных СО2- и Nd-лазеров В качестве материала для исследований выбирались полимерные и поликристаліические вещества СПО-состава, обладающие наилучшими характеристиками при сгорании (высокая іеплота сгорания) и экологически чистыми продуктами сгорания (СОг, НгО)
В модели взаимодействия учитываются реакции высокотемпературного окисления кислородом воздуха компонентов испаренного вещества при лазерном пробое с выделением теплоты сгорания в двух последовательных процессах Первый процесс инициируется лазерным импульсом в виде реакции детонации, т е как распространение в
пространстве химического превращения в виде окисления і орючих компонентов вещества кислородом, входящим в состав рабочею вещества, со скоростью, превышающей скорость звука Второй процесс - реакция догорания не полностью окисленных продуктов детонации вещества в кислороде воздуха
Анализ результатов экспериментов с полимерными вещесівами СНО-химическою состава для длины волны Х= 10,6 мкм показывает, что наилучшие харакіерисгики іяіи формируются с использованием кислородсодержащего полимера полиформальдегида Другие кислородсодержащие полимеры не показали высоких характеристик, т к в процессе их сгорания отсутствует детонационная составляющая, и основной вклад в удельный импульс реактивной отдачи вносит процесс догорания горючих компонентов полимеров в кислороде воздуха
Для более правильной интерпретации экспериментальных данных по аналогии с химическими и лазерными реактивными двиїателями уючнено понятие КПД ЛХРД (п.лхг>д)> которое определяется как отношение мощности выхлопной струи двигателя к суммарной мощности тепловых источников в камере сгорания Показано, что лазерно-химическии реактивный двигатель при правильно подобранном топливе, оптимальной конструкции реактивною сопла и параметров лазерного излучения способен обеспечить КПД на уровне 70-80 %
В главе 4 приводится обоснование возможности создания аэрокосмического лазерного реактивного двигателя (АКЛРД) и его использования в ЛСРТ на основе теоретических и экспериментальных исследовании формирования тяги в моделях двшателя в импульсно-периодическом и непрерывном режимах работы СОг-лазеров В отличие оі существующих моделей лазерных двиїателей в АКЛРД конструктивно разделены два основных узла двигателя - оптический концентратор лазерною пучка и сопло реактивного двигателя
Приведены результаты полетных испытаний модели АКЛРД, которые проводились с использованием импульсно-периодического электроионизационною СОг лазера с энергией в импульсе -120-130 Дж, частотой повторения импульсов 50 Гц и средней мощностью ~6-6,5 кВт Время работы лазера достигало 3 с. Полет осуществлялся навстречу лазерному пучку по двум параллельным проволокам, натянутым от стартовой площадки к узлу вывода излучения из лазера Общая масса каретки и модели двигателя сосіавляла 0,15 кг
Для обоснования возможности создания универсального лазерною двиїагеля бы ш проведены экспериментальные исследования работы модели АКЛРД с использованием газодинамического СОг-лазера с выходной мощностью излучения до 20 кВт. При этом основное внимание было уделено определению оптимального расхода воздуха в области
фокусировки лазерного излучения, коюрый обеспечивал поперечную продувку обласіи взаимодействия лазерного излучения с рабочим веществом
Проведенные исследования можно рассматривать как экспериментальное обоснование возможности создания лазерных систем реактивной тяги с АКЛРД, который может работать как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах
В главе 5 рассматриваются СС^-лазеры как наиболее перспективные системы для запуска космических аппаратов на околоземные орбиты СОг-лазеры достаточно хорошо исследованы, излучение этих лазеров менее всего подвержено турбулентным искажениям атмосферы из-за относительно большой длины волны Существуют также окна прозрачности в атмосфере Земли, которые близки к излучению с длиной волны 10,6 мкм
I ем не менее, создание лазерных систем реактивной тяги на основе ССЬ-лазеров во многом будет зависеть от решения таких проблем, как а) генерация мощного лазерного пучка с дифракционной расходимостью излучения и б) компенсация искажений лазерного пучка при ею прохождении через атмосферу Земли Обе эти проблемы рассматриваются с целью сформировать облик ЛСРТ, обеспечивающей запуск аппаратов на околоземную орбиту
Для компенсации аберраций лазерного пучка в данной рабоїе рассматриваются методы динамической юлографии и обращения волнового фронта Современные лазерные системы с ОВФ характеризуются широким полем зрения, высокой чувствительностью и быстродействием
В диссертационной работе анализируются результаты экспериментальных исследований по обращению волновою фронта излучения ЭИ СС^-лазера в нелинейных средах для компенсации аберраций лазерною пучка Эти эксперименты в течение ряда лет проводились на стенде "ЧИБИС" в НИИКИ ОЭП
Предложена СОг-лазерная система на основе метода квази-ОВФ с динамической коррекцией внутри системных аберраций, которая может рассматриваться как базовая для разработки адаптивных лазерных систем для запуска космических аппаратов с лазерными реактивными двигателями Решен вопрос о достижении дифракционной расходимости лазерного пучка на выходе лазерной системы и засветки этим пучком удаленного объекта Однако эффективность доставки лазерной энергии к аппарату в этом случае буде і определяться также влиянием атмосферы на расходимость лазерного пучка
В їлаве 6 рассматриваются алгоритмы управления лазерным пучком с использованием методов динамической юлографии и методов ОВФ при доставке лазерной энергии к космическому аппарату через атмосферу Земли При этом основное внимание уделяется обоснованию возможности компенсации турбулентных искажений рабочего
лазерного пучка в направлении упреждения при использовании лазеров наземною или воздушного базирования
Для устранения влияния эффекта неизопланатизма был предложен специальный алгоритм формирования лазерною пучка с требуемым волновым фронтом на основе дополнительного источника когерентного оптического излучения, формируемою в направлении упреждения в атмосфере на высоте ~30 км Предложены схемы наведения лазерною пучка по искусственному когерентному источнику излучения, рассмотрены требования к опорному лазерному источнику излучения
В разделе рассматриваются также лазерные системы реактивной тяіи применительно к межорбитальным полетам аппаратов, предлагаемые на основе результатов данной рабо і ы
Экспериментальные исследования выполнены при творческом участии следующих сотрудников ПИИКИ ОЭН: Степанов В В , Агейчик А А , Сафронов А Л , Савельева В П , Егоров М С , Борисов М Ф , Репина Е В , Остапенко С В Модели атмосферы Земли разрабатывались с участием Осипова ВМ и Шереметьевой ТА Автор выражает благодарность также сотрудникам Института Лазерной физики (ИЛФ, С -Петербург) -Шерсюбитову В Е , Димакову С А , Лещеву А А. - за помощь в постановке исследований по обращению волновою фронта
