Войти
Лазерное движение представляет собой форму силовой установки с лучевым приводом, в которой источником энергии является удаленная (обычно наземная) лазерная система и парате из реакционной массы. Эта форма движения отличается от обычной химической ракеты, где энергия и реакционная масса поступают от твердого или жидкого топлива, находящегося на борту транспортного средства.
Система подруливающего теплообменника с лазерным запуском Основные концепции, лежащие в основе двигательной системы «парус» с фотонным двигателем, были разработаны Юджином Зангером и венгерским физиком Дьёрдь Марксом. Концепции силовой установки с использованием ракет с лазерной энергией были разработаны Артуром Кантровицем и Вольфгангом Мекелем в 1970-х годах. Изложение идей Кантровица в области лазерных двигателей было опубликовано в 1988 году.
Лазерные двигательные установки могут передавать импульс космическому кораблю двумя разными способами. Первый способ использует фотон радиационное давление для передачи импульса и лежит в основе солнечных парусов и лазерных парусов. Второй метод использует лазер, чтобы помочь удалить массу из космического корабля, как в обычной ракете. Это наиболее часто предлагаемый метод, но он принципиально ограничен в конечных скоростях космического корабля уравнением ракеты.
Паруса с лазерным толканием являются примерами движителя с лучевым приводом..
Световой парус, управляемый лазером, представляет собой тонкий отражающий парус, похожий на солнечный парус, в котором парус толкается лазером, а не солнцем. Преимущество силовой установки светового паруса состоит в том, что транспортное средство не несет на себе ни источника энергии, ни реактивной массы для движения, и, следовательно, устраняются ограничения уравнения Циолковского для достижения высоких скоростей. Использование лазерного светового паруса было первоначально предложено Марксом в 1966 году как метод межзвездных путешествий, который позволил бы избежать чрезвычайно высоких отношений масс из-за отсутствия топлива, и подробно проанализировано физик Роберт Л. Форвард в 1989 году. Дальнейший анализ концепции был проведен Лэндисом, Малловом и Матлоффом, Эндрюсом и другими.
Луч должен иметь большой диаметр, чтобы из-за дифракции только небольшая часть луча не попадала в парус, а лазерная или микроволновая антенна должна иметь хорошую стабильность наведения, чтобы Корабль может наклонять паруса достаточно быстро, чтобы следовать за центром луча. Это становится более важным при переходе от межпланетного путешествия к межзвездного путешествия, а также при переходе от полета мимо миссии к миссии посадки к миссии возвращения. В качестве альтернативы лазер может быть большой фазированной решеткой небольших устройств, которые получают энергию непосредственно от солнечного излучения.
Парус, управляемый лазером, предлагается в качестве метода приведения в движение небольшого межзвездного зонда в рамках проекта Breakthrough Starshot.
Другой метод перемещения гораздо большего космического корабля на высокие скорости - использование лазерной системы для запуска потока гораздо меньших парусов. Каждый альтернативный мини-парус замедляется лазером от домашней системы, так что они сталкиваются с ионизирующими скоростями. Затем ионизирующие столкновения можно было бы 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.
Мецгар и Лэндис предложили вариант паруса, толкаемого лазером, в котором фотоны, отраженные от паруса, повторно используются путем повторного отражения их обратно в парус с помощью стационарное зеркало; «многоадресный лазерный парус». Это усиливает силу, создаваемую рециркуляцией фотонов, что приводит к значительно большей силе, создаваемой той же мощностью лазера. Существует также конфигурация многоотражательного фотонного паруса, в которой используется большая линза Френеля вокруг системы генерации лазера. В этой конфигурации лазер направляет свет на парус зонда, ускоряя его наружу, который затем отражается обратно через линзу Френеля и отражается от более крупного и массивного зонда с отражателем, идущего в другом направлении. Лазерный свет многократно отражается вперед и назад, улучшая передаваемую силу, но, что важно, позволяет большой линзе оставаться в более стабильном положении, поскольку на нее не сильно влияет импульс лазерного света.
Оптический резонатор позволяет повторно использовать фотоны в большей степени, но удерживать луч в резонаторе становится гораздо сложнее. Оптический резонатор может быть выполнен с двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения, образуя оптический резонансный резонатор Фабри – Перо, в котором любое небольшое движение зеркал нарушит условия резонанса и нулевую фотонную тягу. Такие оптические резонаторы используются для обнаружения гравитационных волн, как в LIGO, из-за их чрезвычайной чувствительности к движению зеркала. По этой причине Бэ первоначально предложил использовать рециркуляцию фотонов для использования в полете спутников с нанометровой точностью. Бэ, однако, обнаружил, что в активном оптическом резонаторе, образованном двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения и средой усиления лазера между ними, как и в типичном лазерном резонаторе, рециркуляция фотонов становится менее чувствительной к движению зеркал. Бэ назвал лазерный двигатель на основе рециркуляции фотонов в активном оптическом резонаторе Photon Laser Thruster (PLT). В 2015 году его команда продемонстрировала количество перерабатываемых фотонов до 1540 на расстоянии нескольких метров и фотонных импульсов до 3,5 мН с использованием лазерной системы мощностью 500 Вт. Во время лабораторной демонстрации Cubesat (вес 0,75 кг) приводился в движение с помощью PLT.
Существует несколько форм движения лазера, в которых лазер используется в качестве источника энергии. для придания импульса топливу, находящемуся на борту ракеты. Использование лазера в качестве источника энергии означает, что энергия, передаваемая пороху, не ограничена химической энергией пороха.
Лазерная тепловая ракета (двигатель с теплообменником (HX)) - это тепловая ракета, в которой топливо нагревается за счет энергии, поступающей от внешнего лазера. луч. 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 аналогично ядерной тепловой и солнечной тепловой двигательной установке. 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 реакционной массы и с водородным пропеллентом, который обеспечивает достаточный удельный импульс до 600-800 секунд, что в принципе достаточно, чтобы позволить одноступенчатым кораблям достичь низкой околоземной орбиты. Концепция лазерного двигателя HX была разработана Джордин Каре в 1991 году; аналогичная концепция микроволнового теплового двигателя была независимо разработана Кевином Л. Паркиным в Калтех в 2001 году.
Вариант этой концепции был предложен профессором Джоном Синко и Доктор Клиффорд Шлехт как дублирующая концепция безопасности для активов на орбите. Пакеты закрытого топлива прикреплены к внешней стороне скафандра, а выхлопные каналы проходят от каждого пакета к дальней стороне космонавта или инструмента. Лазерный луч космической станции или шаттла испаряет топливо внутри пакетов. Выхлоп направляется позади космонавта или инструмента, притягивая цель к лазерному источнику. Чтобы затормозить приближение, используется вторая длина волны, чтобы удалить внешнюю часть пороховых пакетов на ближней стороне.
Абляционное лазерное движение (ALP) - это форма движителя с приводом от луча, в котором внешний импульсный лазер используется для сжечь плазменный факел от твердого металлического топлива, создавая тягу. Измеренный удельный импульс малых установок ALP очень высок и составляет около 5000 с (49 кН · с / кг), и в отличие от легкого корабля, разработанного Лейком Мирабо который использует воздух в качестве топлива, ALP можно использовать в космосе.
Материал удаляется непосредственно с твердой или жидкой поверхности с высокой скоростью посредством лазерной абляции импульсным лазером. В зависимости от лазерного потока и длительности импульса материал можно просто нагреть и испарить или преобразовать в плазму. Абляционная двигательная установка будет работать в воздухе или в вакууме. Возможны значения удельного импульса от 200 секунд до нескольких тысяч секунд 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 микродвигание, при котором небольшой лазер на борту космического корабля удаляет очень небольшие количества топлива для управления ориентацией или маневрирование и удаление космического мусора, при котором лазер удаляет материал из частиц мусора на низкой околоземной орбите, изменяя их орбиты и заставляя их возвращаться.
Университет Алабамы в Хантсвилле Исследовательский центр движения исследовал ALP.
Высокоэнергетический импульс, сфокусированный в газе или на твердой поверхности, окруженной газом, вызывает пробой газа (обычно воздуха). Это вызывает расширяющуюся ударную волну, которая поглощает энергию лазера на фронте ударной волны (волна детонации, поддерживаемая лазером, или волна LSD); расширение горячей плазмы за фронтом ударной волны во время и после импульса передает импульс аппарату. Импульсная плазменная тяга с использованием воздуха в качестве рабочего тела является самой простой формой лазерной тяги с воздушным движением. Рекордный легкий корабль , разработанный Лейком Мирабо из RPI (Политехнический институт Ренсселера ) и Фрэнком Мидом, работает на этом принципе.
Другая концепция импульсного плазменного двигателя исследуется профессором Хидеюки Хорисавой.
Непрерывный лазерный луч, сфокусированный в текущем потоке газа, создает стабильную поддерживаемая лазером плазма, нагревающая газ; затем горячий газ расширяется через обычное сопло для создания тяги. Поскольку плазма не касается стенок двигателя, возможны очень высокие температуры газа, как в ядерной тепловой двигательной установке с газовым сердечником. Однако для достижения высокого удельного импульса 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, в основном доктором Деннисом Кифером из UTSI и профессором Херманом Криером из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне.
Общий класс методов движения, в которых мощность лазерного луча преобразуется в электричество, которое затем приводит в действие двигатель электрической тяги малой тяги.
Маленький квадрокоптер пролетел 12 часов 26 минут, заряженный лазером мощностью 2,25 кВт (с питанием менее половины его нормального рабочего тока) с использованием фотоэлектрических элементов мощностью 170 Вт. в качестве приемника энергии, и было продемонстрировано, что лазер заряжает батареи беспилотного летательного аппарата в полете в течение 48 часов.
Для космических аппаратов, лазерная электрическая тяга считается конкурентом солнечной электрической или ядерной электрической движительной силовой установки малой тяги в космосе. Однако Лейк Мирабо предложил лазерную электрическую тягу с высокой тягой, используя магнитогидродинамику для преобразования энергии лазера в электричество и электрического ускорения воздуха вокруг транспортного средства для создания тяги.
 | На Wikimedia Commons есть медиа относится к Laser Propulsion. |
