Войти
Силовая установка с лучевым приводом, также известная как двигательная установка с направленной энергией, относится к классу самолетов или двигательная установка космического корабля, которая использует энергию, передаваемую космическому кораблю от удаленной электростанции для обеспечения энергией. Луч обычно является либо микроволновым, либо лазерным лучом, и он либо импульсный, либо непрерывный. Непрерывный луч подходит для тепловых ракет, фотонных двигателей и световых парусов, тогда как импульсный луч подходит для абляционных двигателей и импульсных детонационных двигателей.
. обычно указывается, что транспортному средству требуется мегаватт мощности, передаваемой на килограмм полезной нагрузки, когда оно ускоряется, чтобы позволить ему достичь низкой околоземной орбиты.
Кроме запуска на orbit, также предлагались приложения для быстрого перемещения вокруг света.
Ракеты - это импульсные машины; они используют массу, выбрасываемую из ракеты, для придания ей импульса. Импульс - это произведение массы и скорости, поэтому ракеты обычно стремятся вложить как можно большую скорость в свою рабочую массу, насколько это возможно, тем самым минимизируя количество необходимой рабочей массы. Для ускорения рабочей массы требуется энергия. В обычной ракете топливо химически комбинируется для получения энергии, а образующиеся топливные продукты, зола или выхлопные газы, используются в качестве рабочей массы.
Нет особой причины, по которой одно и то же топливо должно использоваться как для энергии, так и для импульса. В реактивном двигателе, например, топливо используется только для выработки энергии, рабочая масса создается из воздуха, через который летит реактивный самолет. В современных реактивных двигателях количество приводимого в движение воздуха намного больше, чем количество воздуха, используемого для получения энергии. Однако это не решение для ракеты, поскольку они быстро поднимаются на высоту, где воздух слишком разрежен, чтобы быть полезным в качестве источника рабочей массы.
Однако ракеты могут нести свою рабочую массу и использовать другой источник энергии. Проблема заключается в поиске источника энергии с удельной мощностью , который может конкурировать с химическим топливом. Небольшие ядерные реакторы могут составить конкуренцию в этом отношении, и значительные работы по ядерной тепловой силовой установке были выполнены в 1960-х годах, но экологические проблемы и рост затрат привели к прекращению большинства этих программ..
Дальнейшее улучшение может быть достигнуто за счет удаления энергии, генерируемой космическим кораблем. Если ядерный реактор остается на земле и его энергия передается космическому кораблю, вес реактора также уменьшается. Тогда проблема состоит в том, чтобы передать энергию в космический корабль. Это идея лучевой энергии.
С помощью лучевой двигательной установки источник энергии можно оставить неподвижным на земле, а непосредственно (или через теплообменник ) нагреть топливо на космическом корабле с помощью мазера или лазерный луч от стационарной установки. Это позволяет космическому кораблю оставлять источник энергии дома, что значительно экономит массу и значительно улучшает характеристики.
Поскольку лазер может нагревать топливо до чрезвычайно высоких температур, это потенциально значительно повышает эффективность ракеты, поскольку скорость истечения пропорциональна корню квадратному из температуры. Обычные химические ракеты имеют скорость выхлопа, ограниченную фиксированным количеством энергии в порохах, но у силовых установок с лучом нет определенного теоретического предела (хотя на практике существуют температурные ограничения).
В микроволновой тепловой тяге, внешняя СВЧ-луч используются для нагрева огнеупорного теплообменника>1500 К, в свою очередь, нагревания пропеллент, таких как водород, метан или аммиак. Это улучшает удельный импульс и соотношение тяги и веса силовой установки по сравнению с традиционной ракетной двигательной установкой. Например, водород может обеспечить удельный импульс 700–900 секунд и соотношение тяги к массе 50–150.
Вариант, разработанный братьями и Грегори Бенфордом, заключается в использовании термическая десорбция пропеллента, заключенного в материале очень большого микроволнового паруса. Это дает очень высокое ускорение по сравнению с одними только парусами, толкаемыми с помощью микроволн.
В некоторых предлагаемых двигательных механизмах космического корабля используется Движитель космического корабля с электрическим приводом, в котором электрическая энергия используется ракетным двигателем с электрическим приводом, таким как ионный двигатель или плазменный двигатель. Обычно эти схемы предполагают либо солнечные батареи, либо бортовой реактор. Однако оба источника питания тяжелые.
Движущая сила с лучом в виде лазера может использоваться для передачи энергии на фотоэлектрическую панель для электрического движения лазера. В этой системе, если солнечная батарея падает с высокой интенсивностью, необходимо тщательно проектировать панели, чтобы избежать падения эффективности преобразования из-за эффектов нагрева. Джон Брофи проанализировал передачу лазерной энергии на фотоэлектрическую матрицу, питающую высокоэффективную электрическую двигательную установку, как средство выполнения миссий с высоким дельта-V, таких как межзвездная миссия-предшественник в Проект NASA Innovative Advanced Concepts.
СВЧ-луч может использоваться для передачи энергии на ректенну для микроволнового электрического движения. СВЧ мощность вещания была практически продемонстрирована несколько раз (например, в Голдстоуне, Калифорния, в 1974 г.), ректенны потенциально легкие и могут обрабатывать большую мощность при высокой эффективности преобразования. Однако, как правило, ректенны должны быть очень большими для захвата значительного количества энергии.
Луч также может использоваться для создания импульса путем прямого «толкания» паруса.
Одним из примеров этого может быть использование солнечного паруса для отражения лазерного луча. Эта концепция, называемая световым парусом, управляемым лазером, была первоначально предложена Марксом, но сначала подробно проанализирована и развита физиком Робертом Л. Форвардом в 1989 году как метод межзвездных путешествий, что позволило бы избежать чрезвычайно высоких массовых соотношений из-за отсутствия топлива. Дальнейший анализ концепции был проведен Лэндисом, Малловом и Матлоффом, Эндрюсом Любином и другими.
В более поздней статье Форвард предложил толкать парус микроволновым лучом. Это имеет то преимущество, что парус не обязательно должен быть сплошной поверхностью. Форвард пометил свое предложение по сверхлегкому парусу "Starwisp ". Более поздний анализ, проведенный Лэндисом, показал, что концепция Starwisp, первоначально предложенная Forward, не будет работать, но могут быть реализованы вариации этого предложения.
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. Лазер или микроволновый передатчик, вероятно, будет представлять собой большую фазированную решетку небольших устройств, которые получают энергию непосредственно от солнечного излучения. Размер массива исключает необходимость в линзе или зеркале.
Еще одна концепция, направленная на продвижение луча, заключается в использовании магнитного паруса или паруса MMPP для отвода пучка заряженных частиц от ускорителя частиц или плазменная струя. Ландис предложил пучок частиц, толкающий парус в 1989 году, и более подробно проанализировал его в статье 2004 года. Джордин Каре предложил вариант этого, в соответствии с которым «луч» небольших ускоренных лазером световых парусов будет передавать импульс двигателю. Машина с магнитным парусом.
Другая концепция с толкаемым лучом использует пули или снаряды из обычного вещества. Поток гранул от неподвижного масс-драйвера «отражается» космическим кораблем, ср. массовый драйвер. Космический корабль не нуждается ни в энергии, ни в реакционной массе для собственного движения.
A Lightcraft - это разрабатываемое в настоящее время транспортное средство, в котором используется внешний импульсный источник лазерной или мазерной энергии для обеспечения мощности для создания тяги.
Лазер попадает на параболический отражатель на нижней стороне автомобиля, который концентрирует свет, создавая зону с чрезвычайно высокой температурой. Воздух в этой области нагревается и сильно расширяется, создавая тягу с каждым импульсом лазерного света. В космосе легкий корабль должен был бы сам обеспечивать этим газом бортовые баллоны или абляционное твердое тело. Оставив источник энергии корабля на земле и используя окружающую атмосферу в качестве реакционной массы на протяжении большей части своего подъема, легкий корабль сможет доставить на орбиту очень большой процент своей стартовой массы. Это также может быть очень дешевым в производстве.
Рано утром 2 октября 2000 г. на испытательном стенде высокоэнергетических лазерных систем (HELSTF), Lightcraft Technologies, Inc. (LTI) с помощью Франклина Б. Мида из Исследовательская лаборатория ВВС США и Лейк Мирабо установили новый мировой рекорд высоты в 233 фута (71 м) для его диаметра 4,8 дюйма (12,2 см) и веса 1,8 унции (51 г).), ракеты с лазерным двигателем с продолжительностью полета 12,7 секунды. Хотя большую часть полета в 8:35 утра он провел в зависании на высоте более 230 футов, Lightcraft установил мировой рекорд по самому продолжительному свободному полету с лазерным приводом и наибольшему «воздушному времени» (т. Е. От запуска до посадки / восстановления). от легкового движущегося объекта. Это сравнимо с Робертом Годдардом, первым испытательным полетом его конструкции. Увеличение мощности лазера до 100 киловатт позволит выполнять полеты на высоту до 30 километров. Их цель - вывести микроспутник массой килограмм на низкую околоземную орбиту с помощью специально изготовленного наземного лазера мощностью в один мегаватт. Такая система потребляла бы электричества на сумму около 20 долларов, что делает затраты на запуск за килограмм во много раз меньше, чем текущие затраты на запуск (которые измеряются в тысячах долларов).
«легкий корабль Myrabo "представляет собой светоотражающий аппарат в форме воронки, который направляет тепло от лазера к центру, используя отражающую параболическую поверхность, заставляя лазер буквально взрывать воздух под ним, создавая подъемную силу. Отражающие поверхности в аппарате фокусируют луч в кольцо, где он нагревает воздух до температуры почти в пять раз выше, чем поверхность солнца, заставляя воздух взрывно расширяться для создания тяги.
Лазерная тепловая ракета - это тепловая ракета, в которой топливо нагревается за счет энергии, создаваемой внешним лазерным лучом. В 1992 году покойный Джордин Каре предложил более простую и близкую концепцию, согласно которой ракета содержит жидкий водород. Топливо нагревается в теплообменнике, на который падает лазерный луч, прежде чем покинуть транспортное средство через обычное сопло. В этой концепции можно использовать лазеры с непрерывным пучком, и полупроводниковые лазеры теперь экономически эффективны для этого применения.
В 2002 году Кевин Л.Г. Паркин предложил аналогичную систему с использованием микроволн. В мае 2012 года проект DARPA / NASA по системе термического запуска миллиметрового диапазона (MTLS) начал первые шаги по реализации этой идеи. Проект MTLS был первым, кто продемонстрировал абсорбирующий огнеупорный теплообменник миллиметрового диапазона, который впоследствии был интегрирован в двигательную установку небольшой ракеты для создания первой тепловой ракеты миллиметрового диапазона. Одновременно он разработал первую мощную кооперативную мишень для управления пучком миллиметровых волн и использовал его для попытки запуска первой тепловой ракеты миллиметрового диапазона. Было предпринято несколько попыток запуска, но проблемы с направителем пучка не удалось решить до тех пор, пока в марте 2014 года не закончилось финансирование.
Мотивация к разработке силовых установок с пучковым приводом связана с экономическими преимуществами, которые могут быть быть полученным в результате улучшенных характеристик силовой установки. В случае ракет-носителей с лучевым приводом лучшие характеристики силовой установки позволяют в некоторой степени сочетать увеличенную долю полезной нагрузки, увеличенные конструктивные пределы и меньшее количество ступеней. ДЖЕЙСОН исследование лазерной тяги 1977 года, автором Фримен Дайсон, лаконично формулирует обещание запуска с помощью луча:
«Лазерная тяга как идея, которая может произвести революцию в космических технологиях. Одна лазерная установка на земле теоретически может запускать одноступенчатые аппараты на низкую или высокую околоземную орбиту. Полезная нагрузка может составлять 20% или 30% от взлетной массы аппарата. Это гораздо более экономично в использование массы и энергии, чем химические двигатели, и он гораздо более гибок в выводе идентичных аппаратов на различные орбиты ».
Это обещание было количественно определено в исследовании Lockheed 1978 года, проведенном для НАСА:
« Результаты исследования Исследование показало, что с помощью передовых технологий лазерная ракетная система с космическим или наземным лазерным передатчиком может сократить национальный бюджет, выделяемый на космические перевозки, на 10–345 миллиардов долларов в течение 10-летнего жизненного цикла по сравнению с усовершенствованными химическими двигателями. системы (LO 2 -LH 2) из экв. все возможности. "
Исследования 1970-х годов и другие с тех пор указали стоимость директора луча как возможное препятствие для систем запуска с питанием от луча. Согласно недавнему анализу рентабельности, микроволновые (или лазерные) тепловые ракеты будут экономичными, если стоимость направления луча упадет ниже 20 долларов за ватт. Текущая стоимость подходящих лазеров составляет <100 $/Watt and the current cost of suitable microwave sources is <$5/Watt. Mass production has lowered the production cost of microwave oven magnetrons to <0.01 $/Watt and some medical lasers to <10 $/Watt, though these are thought to be unsuitable for use in beam directors.
В 1964 г. Уильям С. Браун продемонстрировал миниатюрный вертолет, оборудованный комбинированной антенной . и выпрямительное устройство, называемое ректенной. Ректенна преобразовывала микроволновую энергию в электричество, позволяя вертолету летать.
В 2002 году японская группа привела в движение крошечный алюминиевый самолет, используя лазер для испарения прилипшей к нему капли воды, а в 2003 году исследователи НАСА запустили Модель самолета весом 11 унций (312 г) с пропеллером, приводимым в действие солнечными батареями, освещенными лазером. Вполне возможно, что такая силовая установка с лучевым приводом может быть полезна для длительных высотных беспилотных летательных аппаратов или аэростатов, возможно, предназначенных для использования, как сегодня делают спутники, в качестве реле связи, научных платформ или платформ наблюдения.
Предложена «лазерная метла » для удаления космического мусора с орбиты Земли. Это еще одно предлагаемое использование силовой установки с приводом от луча, используемой на объектах, которые не были предназначены для приведения в движение с ее помощью, например, на небольших кусках лома, сбитых ("сколотых") спутниках. Этот метод работает, так как мощность лазера аблирует одну сторону объекта, давая импульс, который изменяет эксцентриситет орбиты объекта. Затем орбита пересечет атмосферу и сгорит.
