Лазерный мир

Ю. А. Резунков // Тематический выпуск «Лазерные технологии в приборостроении», Известия высших учебных заведений «Приборостроение», Издание Санкт-Петербургского государственного университета Информационных технологий, механики и оптики, т.54, №2, 2011, с.: 7-12

Аннотация: Исследуются условия развития новых транспортных систем для запуска космических аппаратов с использованием излучения мощных лазеров. На основе анализа различных процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом решается задача повышения эффективности лазерной тяги. 

Введение. Применение лазерной тяги — одно из перспективных направлений разработки аэрокосмических транспортных систем [1, 2]. Лазерная реактивная тяга — элемент концепции использования энергии направленного излучения для передвижения в воздушном и космическом пространстве. При значительном количестве запусков аппаратов на околоземную орбиту (свыше 1000 в год) лазерная система может оказаться экономически выгодной [3]. Для запуска аппарата массой 100 кг на околоземную орбиту потребуется мощность лазерного излучения ~ 100 МВт, поэтому развитие лазерной реактивной тяги связано с разработкой мощных лазеров и исследованиями взаимодействия лазерного излучения с различными рабочими средами для лазерного реактивного двигателя (ЛРД).

Очевидно, что эффективность применения лазерной тяги будет зависеть от решения таких проблем, как:
— создание ЛРД с высокими удельными характеристиками тяги [4];
— разработка мощных лазеров с малой (дифракционной) расходимостью излучения;
— обеспечение точной доставки лазерной энергии к летательному аппарату через атмосферу Земли [5].
В настоящей работе рассматривается первая из приведенных проблем, ее решение должно дать ответ на вопрос, какой механизм формирования лазерной тяги может быть использован для создания высокоэффективных лазерных реактивных двигателей. При разработке ЛРД с максимальными удельными характеристиками тяги требуется достижение КПД двигателя на уровне 70—80 %. Такие ЛРД должны позволить уменьшить требуемую лазерную мощность и снизить расход рабочего вещества.

Лазерные воздушно-реактивные двигатели. Эффективность создания тяги в ЛРД характеризуется удельным импульсом реактивной отдачи, который определяется как отношение величины тяги S двигателя к мощности лазерного излучения P, т.е. Cт = S/P (Н/Вт) [6]. Эффективность расхода рабочего вещества характеризуется удельным импульсом I, равным отношению величины тяги к секундному расходу топлива s: I = S/sg = v/g (с), где v — средняя скорость потока в реактивной струе, g — ускорение свободного падения. Эти параметры позволяют оценить КПД η двигателя [5]: η = CтIg/2. (1)

Перспективными для использования в аэрокосмических транспортных тренажерах можно считать такие ЛРД, у которых Cm > 10–3 Н/Вт и Isp ~ 103 с. В лазерных воздушнореактивных двигателях (ЛВРД) в качестве рабочего вещества используется атмосферный воздух. Наиболее полное объяснение механизма формирования тяги в ЛВРД дано в работе [6]. Максимальные значения Cт = (40—50)⋅10–5 Н/Вт наблюдались для сопла в виде конуса и параболоида вращения при достаточно широком изменении энергии в импульсе ТЕА СО2-лазера.

Статья полностью: http://pribor.ifmo.ru/file/journal/73.pdf