Лазерный мир

В. П. Агеев, А. И. Барчуков, Ф. В. Бункин, В. И. Конов, A. М. Прохоров, А. С. Силенок, Н. И. Чаплиев // Квант. электрон., 4:12 (1977), 2501–2513

Теоретически и экспериментально рассматривается задача метания тел в атмосфере Земли в результате воздействия на них ударных волн оптического пробоя воздуха CO2-лазером. Установлено, что для приемников импульсов давления существуют условия оптимальной передачи импульса. На примере конических и параболических приемников показано существование предельных значений удельных импульсов. Полученные экспериментально удельные импульсы ~500 мкН·с/Дж близки к максимальным, рассчитанным по теории точечного взрыва. В импульсно-периодическом режиме облучения со средней мощностью ~25 Вт реализовано движение параболического отражателя внутри стеклянной трубки. Приведены значения силы тяги.

В последние годы в научной литературе проявился интерес к применению лазерного излучения для ускорения тел/Современное состояние проблемы так называемого «лазерного двигателя» (ЛД) с описанием некоторых конкретных схем ускорения летательных аппаратов (ЛА) достаточно полно отражено в обзорной статье [1]. Здесь мы рассмотрим одну частную, но достаточно интересную задачу метания тел в атмосфере Земли с помощью лазерного источника энергии.

Во всех обсуждающихся в настоящее время вариантах ЛД, работающих только в присутствии газовой среды, сила тяги обусловливается реактивной отдачей при выбросе из рабочей камеры двигателя, струи нагретого лазерным излучением газа. Предложенные варианты двигателей различаются в основном схемой формирования газового потока. Так, например, в работах [2, 3] обсуждается ЛД, в котором вынос массы из рабочей камеры происходит за фронтом светодетонационной (см., например, [4]) волны. В работе [5] даются оценки характеристик
лазерного аналога прямоточного воздушно-реактивного двигателя, а также рассматривается схема выброса газа из рабочей камеры ударной волной, порожденной взрывом той или иной природы. Излагаемые в настоящей работе результаты развивают идею лазерного воздушно-реактивного двигателя (ЛВРД), построенного на взрывном механизме создания реактивной тяги [1,6 , 7].
В этом варианте ЛД работает в импульсно-периодическом режиме в соответствии с таким же характером лазерных посылок. Энергия каждого лазерного импульса собирается фокусирующим элементом в достаточно малый объем, чтобы вызвать оптический пробой газа, заполняющего рабочую камеру ЛВРД. Развивающаяся в фокальной области лазерная искра возбуждает в газе ударную волну. После взаимодействия со стенками рабочей камеры ЛВРД газовый поток, порожденный ударной волной, поки­дает через открытый срез камеру «сгорания», а ЛА получает в результате
реактивной отдачи некоторый механический импульс /. Импульсно-периодическое воздействие лазерного излучения приводит к реализации эффективной силы тяги F, движущей ЛА.
Важной характеристикой ЛВРД, определяющей перспективность их создания и использования, является цена тяги равная отношению сред­ней мощности лазерного излучения Pcv=Ev к средней силе тяги, разви­ваемой ЛВРД (Е— энергия лазерного импульса, v — частота следования лазерных посылок). Можно показать, что несмотря на скачкообразные при­ращения скорости ЛА (Ди=//Л1, М — масса аппарата), существует ин­тервал частот следования лазерных импульсов, при которых изменение во времени средней скорости ЛА определяется средней эффективной силой тяги F=Iv. При этом цена тяги есть обратная величина удельного импуль­са I/E, который можно определить в единичном лазерном пробое воздуха; таким образом, в рассматриваемом варианте ЛВРД о цене тяги можно судить по опытам с одиночными лазерными импульсами.
Считая оптический пробой газа точечным мгновенным взрывом и поль­зуясь методами подобия [8], развитыми применительно к исследованию поведения ударных волн, можно установить, что для данной геометрии
задачи (фиксированное расположение области энерговыделения относи­тельно приемника импульса известной формы) удельный импульс НЕ однозначно определяется безразмерным динамическим параметром R/R0
(R— характерный размер рабочей камеры, R0=(E/p0)
l/*— динамический
радиус в задаче о точечном взрыве в газе при энергии Е и давлении р0).
Это означает, что в лабораторных условиях, соблюдая условия динамического и геометрического подобия, можно изучать характеристики реального ЛВРД.

Полное содержание статьи: http://www.mathnet.ru/links/239240b0c9e6ee1cf18de5e26a98795a/qe8257.pdf