Лазерное движение
Лазерное движение — это форма движения с лучевым приводом , в которой источником энергии является удаленная (обычно наземная) лазерная система, отдельная от реакционной массы. Эта форма движения отличается от обычной химической ракеты , в которой и энергия, и реакционная масса поступают из твердого или жидкого топлива, находящегося на борту корабля.
Существует два основных подхода: внешний, когда источник лазера находится за пределами космического корабля, и бортовой, когда лазер является частью двигательной системы космического корабля. Внебортовая лазерная двигательная установка, включающая запуски с лазерным приводом и паруса с лазерным светом, устраняет необходимость в космическом корабле нести собственный источник энергии. [1] Бортовая лазерная двигательная установка предполагает использование лазеров ядерного синтеза или ионизации межзвездного газа для движения. [1]
История
[ редактировать ]Основные концепции, лежащие в основе двигательной установки «паруса», приводимой в движение фотонами, были разработаны Юджином Сангером и венгерским физиком Дьёрдь Марксом. Концепции двигательной установки с использованием ракет с лазерной энергией были разработаны в 1970-х годах Артуром Кантровицем и Вольфгангом Мокелем. [2] с вариантом с использованием лазерной абляции, впервые предложенным Лейком Мирабо. [3] Изложение идей Кантровица по лазерному движению было опубликовано в 1988 году. [4]
Лазерные двигательные установки могут передавать импульс космическому кораблю двумя разными способами. Первый способ использует фотонного давление излучения для передачи импульса и является принципом, лежащим в основе солнечных и лазерных парусов. Второй метод использует лазер для вытеснения массы из космического корабля, как в обычной ракете. Таким образом, первый использует лазер как для получения энергии, так и для реакционной массы, а второй использует лазер для получения энергии, но несет в себе реакционную массу. Таким образом, второй принципиально ограничен в конечных скоростях космического корабля уравнением ракеты .
Световой парус с лазерным приводом
[ редактировать ]Световой парус с лазерным приводом представляет собой тонкий светоотражающий парус, похожий на солнечный парус , в котором парус толкается лазером, а не солнцем. Преимущество силовой установки светового паруса заключается в том, что транспортное средство не несет ни источника энергии, ни реактивной массы для движения, и, следовательно, ограничений уравнения ракеты Циолковского можно избежать для достижения высоких скоростей. Использование светового паруса с лазерным приводом было первоначально предложено Марксом в 1966 году. [5] как метод межзвездных путешествий , позволяющий избежать чрезвычайно высоких соотношений масс за счет отсутствия топлива, и подробно проанализирован физиком Робертом Л. Форвардом в 1989 году. [6] Дальнейший анализ концепции был проведен Лэндисом . [7] [8] Мэллов и Мэтлофф, [9] Эндрюс [10] и другие.
Требуется луч большого диаметра, чтобы только небольшая его часть не попадала в парус из-за дифракции , а космический корабль должен обладать высокой стабильностью наведения, чтобы он мог достаточно быстро наклонять свои паруса, чтобы следовать за центром луча. Эти требования становятся все более важными по мере увеличения сложности миссии, например, при переходе от межпланетных к межзвездным миссий , а также при переходе от миссий облета к миссиям с односторонней посадкой, а затем к миссиям по возвращению .
В качестве альтернативы лазер может состоять из большой фазированной решетки небольших устройств, которые получают энергию непосредственно от солнечного излучения.
Парус с лазерным приводом предлагается в качестве метода движения небольшого межзвездного зонда в рамках проекта Breakthrough Starshot .
Другой способ разогнать гораздо более крупный космический корабль до высоких скоростей — использовать лазерную систему для приведения в движение потока гораздо меньших парусов. Каждый альтернативный мини-парус замедляется лазером исходной системы, так что они сталкиваются с ионизирующими скоростями. Ионизирующие столкновения затем можно было бы использовать для взаимодействия с мощным магнитным полем на космическом корабле, чтобы обеспечить силу для его питания и перемещения.
Расширением идеи является использование ядерных материалов в мини-парусах. Эти материалы будут подвергаться делению или синтезу, что значительно увеличит величину передаваемой силы. Однако этот подход потребует гораздо более высоких скоростей столкновений по сравнению с неядерными реализациями.
Переработка фотонов
[ редактировать ]Мецгар и Лэндис предложили вариант паруса с лазерным приводом, в котором фотоны, отраженные от паруса, повторно используются путем повторного отражения их обратно в парус неподвижным зеркалом; «парус на основе лазера с несколькими отскоками». [11] Это усиливает силу, возникающую при переработке фотонов, что приводит к значительно большей силе, создаваемой той же мощностью лазера. Существует также конфигурация фотонного паруса с несколькими отражениями, 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-рефлектора, движущегося 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 чаще повторно использовать фотоны, но удерживать луч в резонаторе становится гораздо сложнее. Оптический резонатор может быть изготовлен из двух зеркал с высоким коэффициентом отражения, образующих оптический резонансный резонатор Фабри-Перо , в котором любое небольшое движение зеркал разрушит 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. Бэ первоначально предложил [12] по этой причине использовать рециркуляцию фотонов для использования в полетах спутников с нанометровой точностью. Бэй, однако, обнаружил [13] что в активном оптическом резонаторе, образованном двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения и лазерной усиливающей средой между ними, подобно типичному лазерному резонатору, рециркуляция фотонов становится менее чувствительной к движению зеркал. Бэ назвал лазерный двигатель, основанный на рециркуляции фотонов в активной оптической полости, Photonic Laser Thruster (PLT). [14] В 2015 году его команда продемонстрировала количество рециклов фотонов до 1540 на расстоянии нескольких метров и фотонную тягу до 3,5 мН с использованием лазерной системы мощностью 500 Вт. В ходе лабораторной демонстрации [15] Cubesat (весом 0,75 кг) приводился в движение с помощью PLT. [16]
Ракета с лазерной энергией
[ редактировать ]Существует несколько форм лазерного движения, 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, подаваемая пороху, не ограничивается химической энергией пороха.
Лазерная тепловая ракета
[ редактировать ]Лазерная тепловая ракета (двигатель с теплообменником (HX)) — это тепловая ракета , в которой топливо нагревается за счет энергии, обеспечиваемой внешним лазерным лучом. [17] [18] Луч нагревает твердый теплообменник, который, в свою очередь, нагревает инертное жидкое топливо, превращая его в горячий газ, который выбрасывается через обычное сопло. В принципе это похоже на ядерную тепловую и солнечную тепловую двигательную установку. Использование большого плоского теплообменника позволяет лазерному лучу светить непосредственно на теплообменник, не фокусируя оптику на транспортном средстве. Преимущество двигателя HX заключается в том, что он одинаково хорошо работает с любой длиной волны лазера, как с непрерывными, так и с импульсными лазерами, а также имеет эффективность, приближающуюся к 100%. Двигатель HX ограничен материалом теплообменника и потерями на излучение до относительно низких температур газа, обычно 1000–2000 ° C. Для данной температуры удельный импульс максимизируется при минимальной молекулярной массе реакционной массы и при использовании водородного топлива, которое обеспечивает достаточный удельный импульс до 600–800 секунд, что в принципе достаточно велико, чтобы позволить одноступенчатым аппаратам достичь низкой околоземной орбиты. . Концепция лазерного двигателя HX была разработана Джордин Каре в 1991 году; [19] аналогичная концепция микроволнового теплового двигателя была независимо разработана Кевином Л. Паркином из Калифорнийского технологического института в 2001 году.
Вариант этой концепции был предложен профессором Джоном Синко и доктором Клиффордом Шлехтом как избыточная концепция безопасности объектов на орбите. [20] Пакеты с закрытым топливом прикреплены к внешней стороне скафандра, и от каждого пакета идут выхлопные каналы к дальней стороне космонавта или инструмента. Лазерный луч космической станции или шаттла испаряет топливо внутри ранцев. Выхлоп направляется за астронавтом или инструментом, подтягивая цель к источнику лазера. Чтобы затормозить сближение, используется вторая длина волны для абляции внешней части пакетов пороха на ближней стороне.
опубликовали статью, В 2022 году исследователи из Университета Макгилла в которой предлагалось использовать лазерную тепловую двигательную установку для отправки космического корабля на Марс за 45 дней . [21] Одним из основных преимуществ использования предлагаемой лазерной тепловой двигательной установки для отправки космического корабля на Марс является снижение воздействия на космонавтов космических лучей Земли за счет сокращения времени прохождения за пределы магнитосферы . [22]
Ракета с лазерным зеркалом
[ редактировать ]Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( март 2023 г. ) |
В этой конструкции линза и/или параболическое зеркало фокусирует лазерный свет в небольшое отверстие в зеркале, которое ведет в трубку, которая имеет высокую отражающую способность внутри и полностью открыта на другом конце. [ нужна ссылка ] Лазер с фазированной решеткой подается с Земли на космический корабль, где лазерный свет фокусируется в трубке на ожидающем подвижном зеркальном диске, который будет реакционной массой. Импульс лазерного света задерживается в трубке, отскакивает вперед и назад и ускоряет выход зеркального диска с очень высокой скоростью. Зеркала перемещаются в нужное положение внутри трубы из магазинов на борту корабля после выключения лазерного импульса. Для этих маленьких зеркал с высокой отражающей способностью возможны ускорения в миллионы g , а скорости на коротких расстояниях могут достигать десятков километров в секунду, что позволяет создавать отдельные импульсы в тысячах. [ нужна ссылка ] Например, если зеркальный диск ускориться на расстояние более 10 м с силой 2 миллиона g, он на выходе достигнет скорости 20 км/с, что более чем в четыре раза превышает скорость истечения водородно-кислородного ракетного двигателя, которая составляет около 4,5. км/с. Сравнение удельных импульсов водородно-кислородных двигателей космического челнока с удельным импульсом 453 и приведенного выше примера дает удельный импульс 2034 для ракеты-зеркала, что является значительным улучшением. [ нужна ссылка ] Умное управление дисками позволило бы также значительно увеличить периоды ускорения и, следовательно, повысить скорость на выходе. Джордин Каре подсчитал, что эти зеркальные диски теоретически можно выдержать примерно до 32 миллионов g, но они будут на пределе прочности любого материала и будут подвержены полному разрушению. [23] Конструкция двигательной установки может быть использована на космических аппаратах, выходящих непосредственно с орбиты Земли или приближающихся к Земле как по возвращающейся эллиптической орбите.
Абляционная лазерная тяга
[ редактировать ]Абляционная лазерная двигательная установка (ALP) — это форма двигательной установки с лучевым приводом , в которой внешний импульсный лазер используется для сжигания плазменного шлейфа из твердого металлического топлива , создавая таким образом тягу . [24] Измеренный удельный импульс небольших 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 непосредственно удаляется с поверхности твердого тела или жидкости на высоких скоростях путем лазерной абляции импульсным лазером. В зависимости от лазерного потока и длительности импульса материал можно просто нагреть и испарить или превратить в плазму . Абляционная тяга будет работать на воздухе или в вакууме. Конкретные значения импульса от 200 секунд до нескольких тысяч секунд возможны за счет выбора характеристик пороха и лазерного импульса. Варианты абляционного движения включают двухимпульсное движение, при котором один лазерный импульс удаляет материал, а второй лазерный импульс дополнительно нагревает абляционный газ, лазерное микродвижение, при котором небольшой лазер на борту космического корабля удаляет очень небольшое количество топлива для управления ориентацией или маневрирования. и удаление космического мусора , при котором лазер удаляет материал из частиц мусора на низкой околоземной орбите , изменяя их орбиты и заставляя их вернуться обратно.
Исследовательский центр двигательных установок Хантсвиллского университета Алабамы исследовал ALP. [25] [26]
Импульсный плазменный двигатель
[ редактировать ]Импульс высокой энергии, сфокусированный в газе или на твердой поверхности, окруженной газом, вызывает пробой газа (обычно воздуха). Это вызывает расширяющуюся ударную волну, которая поглощает лазерную энергию на фронте ударной волны (лазерная волна замедленной детонации или волна LSD); расширение горячей плазмы за фронтом ударной волны во время и после импульса передает импульс кораблю. [27] [28] Импульсное плазменное движение с использованием воздуха в качестве рабочего тела является простейшей формой воздушно-реактивного лазерного движения. [29] [30] Рекордный световой корабль , разработанный Лейком Мирабо из RPI ( Политехнический институт Ренсселера ) и Фрэнком Мидом, работает по этому принципу. [31] [32] [33]
Еще одну концепцию импульсного плазменного движения исследует профессор Хидеюки Хорисава. [34]
Плазменная двигательная установка непрерывного действия
[ редактировать ]Непрерывный лазерный луч, сфокусированный в текущем потоке газа, создает стабильную лазерную плазму, которая нагревает газ; затем горячий газ расширяется через обычное сопло для создания тяги. Поскольку плазма не касается стенок двигателя, возможны очень высокие температуры газа, как в ядерных тепловых двигателях с газовым сердечником. Однако для достижения высокого удельного импульса топливо должно иметь низкую молекулярную массу; водород Обычно предполагается, что для фактического использования используется при удельном импульсе около 1000 секунд. Непрерывный плазменный двигатель имеет тот недостаток, что лазерный луч должен быть точно сфокусирован в камере поглощения либо через окно, либо с помощью сопла специальной формы. Эксперименты с плазменными двигателями непрерывного действия проводились в 1970-х и 1980-х годах, в первую очередь доктором Деннисом Кифером из UTSI и профессором Германом Криером из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне .
Пелле-лучевая двигательная установка
[ редактировать ]Для этого предложения потребуются два космических корабля: один летит, а другой — на околоземной орбите, чтобы привести первый в движение. Второй космический корабль выстрелит в первый тысячами металлических гранул. Он будет либо стрелять лазером по первому космическому кораблю, либо направлять лазер с Земли на первый космический корабль. Лазер будет удалять часть материала из каждой гранулы, разгоняя их на высоких скоростях (> 120 км/с), обеспечивая тягу космического корабля. Этот метод может позволить космическому кораблю достичь внешних планет менее чем за год, 100 а.е. от Солнца за 3 года и солнечной гравитационной линзы за 15 лет. Он также сможет приводить в движение более тяжелые космические корабли, чем другие концепции двигательной установки (масса ~ 1 тонна). [35] [36]
Лазерная электрическая двигательная установка
[ редактировать ]Общий класс методов движения, в которых мощность лазерного луча преобразуется в электричество, которое затем приводит в действие электрический двигатель определенного типа.
Небольшой квадрокоптер пролетел 12 часов 26 минут, заряжаясь от лазера мощностью 2,25 кВт (питаемого менее чем половиной его нормального рабочего тока), используя фотоэлектрические батареи мощностью 170 Вт в качестве приемника энергии. [37] и было продемонстрировано, что лазер заряжает аккумуляторы беспилотного летательного аппарата в полете в течение 48 часов. [38]
Для космических кораблей лазерная электрическая двигательная установка рассматривается как конкурент солнечной электрической или ядерной электрической двигательной установки для движения с малой тягой в космосе. Однако Лейк Мирабо предложил лазерную электрическую двигательную установку с большой тягой, использующую магнитогидродинамику для преобразования энергии лазера в электричество и электрического ускорения воздуха вокруг транспортного средства для создания тяги.
См. также
[ редактировать ]- Лифт:2010 г.
- Список лазерных статей
- Оптический лифт
- Ракетный двигатель
- Технологии ракетных двигателей (значения)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Дарлинг, Дэвид (12 декабря 2002 г.). Полная книга космических полетов: от Аполлона-1 до невесомости . Торговая бумажная пресса. ISBN 978-1620458471 .
- ^ Михаэлис, М.М. и Форбс, А. 2006. Лазерное движение: обзор. Южноафриканский научный журнал , 102 (7/8), 289–295.
- ^ Мирабо, Л.Н., 1976. МГД-движение за счет поглощения лазерного излучения , Журнал космических кораблей и ракет, том 13, 8, стр. 466–472. doi 10.2514/3.27919
- ^ А. Кантровитц, в материалах Международной конференции по лазерам '87 , Ф. Дж. Дуарте , Эд. (СТС Пресс, Маклин, Вирджиния, 1988).
- ^ Г. Маркс, «Межзвездный корабль, приводимый в движение лазерным лучом», Nature, Vol. 211 , июль 1966 г., стр. 22–23.
- ^ RL Forward, «Межзвездное путешествие туда и обратно с использованием световых парусов с лазерным приводом», J. Spacecraft and Rockets, Vol. 21 , стр. 187–195 (март-апрель 1989 г.)
- ^ Г. А. Лэндис, «Аспекты оптики и материалов для светового паруса с лазерным приводом», статья IAA-89-664 ( текст )
- ^ Г. А. Лэндис, «Маленький межзвездный зонд с световым парусом с лазерным приводом: исследование изменений параметров», J. British Interplanetary Society , Vol. 50 , № 4, стр. 149-154 (1997); Бумага ИАА-95-4.1.1.02,
- ^ Юджин Маллов и Грегори Мэтлофф (1989). Справочник по звездным полетам . Джон Уайли и сыновья, Inc. ISBN 978-0-471-61912-3 .
- ^ Д. Г. Эндрюс, «Рассмотрение стоимости межзвездных миссий», документ IAA-93-706.
- ^ Р. А. Мецгер и Г. А. Лэндис, «Паруса на основе лазера с несколькими отскоками», Конференция STAIF по технологиям космических исследований , Альбукерке, Нью-Мексико, 11-15 февраля 2001 г. AIP Conf. Учеб. 552 , 397. дои : 10.1063/1.1357953
- ^ Бэ, Янг (18 сентября 2007 г.). «Полет с формированием фотонного привязи (PTFF) для распределенных и фракционированных космических архитектур» . Конференция и выставка AIAA SPACE 2007 . Форум AIAA SPACE. Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2007-6084 . ISBN 978-1-62410-016-1 . Проверено 20 ноября 2022 г.
- ^ Бэ, Янг К. (2008). «Фотонное лазерное движение: демонстрация концепции». Журнал космических кораблей и ракет . 45 (1): 153–155. Бибкод : 2008JSpRo..45..153B . дои : 10.2514/1.32284 . ISSN 0022-4650 .
- ^ Бэ, Янг (18 сентября 2007 г.). «Фотонное лазерное движение (PLP): движение фотонов с использованием активного резонансного оптического резонатора» . Конференция и выставка AIAA SPACE 2007 . Форум AIAA SPACE. Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2007-6131 . ISBN 978-1-62410-016-1 . Проверено 20 ноября 2022 г.
- ^ «Фотонный лазерный двигатель: 100-кратное увеличение и демонстрация движения» – через www.youtube.com.
- ^ Бэ, Янг (2016). «Демонстрация фотонного лазерного двигателя класса МН» . Исследовательские ворота . Международная конференция по лазерной абляции высокой мощности и направленной энергии . Проверено 22 ноября 2018 г.
- ^ Х. Криер и Р. Дж. Гламб. «Концепции и состояние ракетных двигателей с лазерной поддержкой» , Journal of Spacecraft and Rockets , Vol. 21, № 1 (1984), стр. 70-79. https://dx.doi.org/10.2514/3.8610
- ^ «Лазерное тепловое движение» . Вывод на орбиту и маневрирование: статус и потребности исследований . 1984. стр. 129–148. дои : 10.2514/5.9781600865633.0129.0148 . ISBN 978-0-915928-82-8 . [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ «jkare.com» (PDF) . www.afternic.com . Архивировано из оригинала 24 июля 2011 года.
- ^ «Лазерные «притягивающие лучи» могут натянуть потерявшихся астронавтов» . Новый учёный .
- ^ Гаспарини, Эллисон. «Как гигантский лазер может доставить нас на Марс в рекордно короткие сроки» . Форбс .
- ^ Дюпле, Э.; Фан Бао, З.; Родригес Росеро, С.; Синха, А.; Хиггинс, А. (март 2022 г.). «Проектирование миссии быстрого перехода на Марс с использованием лазерно-теплового двигателя». Акта Астронавтика . 192 : 143–156. arXiv : 2201.00244 . Бибкод : 2022AcAau.192..143D . дои : 10.1016/j.actaastro.2021.11.032 . S2CID 245291262 .
- ^ Каре, Джордин (15 февраля 2002 г.). Микромасштабные лазерные паруса с высоким ускорением для межзвездного движения (Технический отчет). Каре Технический консалтинг.
- ^ «Клод AIP 2010» (PDF) .
- ^ «UAH Двигательно-исследовательский центр» . Проверено 18 марта 2014 г.
- ^ Грант Бергстю; Ричард Л. Форк (2011). «Излученная энергия для абляционного движения в околоземном космосе» (PDF) . Международная астронавтическая федерация . Архивировано из оригинала (PDF) 18 марта 2014 года . Проверено 18 марта 2014 г.
{{cite journal}}
: Для цитирования журнала требуется|journal=
( помощь ) - ^ https://www.jstor.org/stable/44581195
- ^ https://apps.dtic.mil/sti/citations/AD0766766
- ^ https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/50/003/50003489.pdf
- ^ https://apps.dtic.mil/sti/citations/ADA344774
- ^ https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-99-4618-1_7 .
- ^ https://www.researchgate.net/publication/301889798_Simultimate_Investigation_of_Flexibility_and_Plasma_Actuation_Effects_on_the_Aerodynamic_Characteristics_of_an_Oscillating_Airfoil
- ^ https://www.twz.com/33859/blasting-the-air-in-front-of-hypersonic-vehicles-with-lasers-could-unlock-unprecedented-speeds
- ^ «Хидэюки Хорисава — Цитаты» . Архивировано из оригинала 07 февраля 2017 г. Проверено 06 февраля 2017 г.
- ^ «Пелле-лучевой двигатель для прорывных исследований космоса - НАСА» . 09.01.2023 . Проверено 18 декабря 2023 г.
- ^ Янг, Крис (16 марта 2023 г.). «Космический корабль с пеллетным двигателем может достичь «Вояджера-1» через 5 лет» . Интересный инжиниринг.com . Проверено 18 декабря 2023 г.
- ^ Каре / Ньюджент и др. «12-часовое зависание: демонстрация полета квадрокоптера с лазерным двигателем». Архивировано 14 мая 2013 г. на Wayback Machine LaserMotive , апрель 2010 г. Проверено: 12 июля 2012 г.
- ^ «Лазерная мощность БПЛА Stalker компании Lockheed Martin на 48 часов» sUAS News , 11 июля 2012 г. Дата обращения: 12 июля 2012 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Видео НАСА о лазерном приводе на YouTube
- Исследования потенциальной транспортной технологии Laser-NASP . Материалы 6-й ежегодной летней конференции Программы перспективного дизайна НАСА/USRA. НАСА. Июнь 1990 года.
- Заключительный отчет исследования NIAC по системе запуска HX
- «Оригинальный документ с описанием ALP» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 9 августа 2006 г.