Способ организации рабочего процесса в лазерном ракетном двигателе и лазерный ракетный двигатель

Способ организации рабочего процесса в лазерном ракетном двигателе и лазерный ракетный двигатель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области реактивных двигательных установок, а именно к реактивным двигателям, основанным на получении тяги в результате поглощения лазерного излучения, и предназначено для управления малыми космическими аппаратами.

Известен лазерный ракетный двигатель (патент РФ №2338918, МПК F02K 11/00, опубл. 20.11.2008, бюл. №32) который включает в себя непрерывный источник лазерного излучения, систему поворотных и фокусирующих зеркал и рабочего тела из абляционного материала. Рабочее тело выполнено в виде цилиндрического стержня, снабженного системой перемещения вдоль и вокруг оси симметрии. Генерируемое лазером излучение, фокусируясь на поверхности рабочего тела, инициирует испарение рабочего тела, и образование плазменной струи, истекающей перпендикулярно к его поверхности и обеспечивающей передачу рабочему телу противоположно направленного реактивного импульса отдачи.

Недостатком данного устройства является наличие в конструкции движущихся частей, которые в условиях космического вакуума могут привести к заклиниванию системы перемещения рабочего тела. Использование абляционного материала при испарении приводит к образованию тяжелых фракций продуктов нагрева с высокой молекулярной массой, что уменьшает удельный импульс.

Известен лазерный ракетный двигатель и способ организации рабочего процесса в нем (патент US №4036012, МПК Н05Н 1/24, опубл. 19.07.1977), наиболее близкий по технической сущности к заявленному и принятый за прототип. Лазерный ракетный двигатель включает непрерывный источник лазерного излучения, систему поворотных и фокусирующих зеркал, камеру поглощения с газодинамическим окном, сопло, систему подвода рабочего тела в зону поглощения со стороны газодинамического окна, баллоны с рабочим телом. Способ организации рабочих процессов в двигателе осуществляется следующим образом. Лазерный луч, попадая на систему поворотных и фокусирующих зеркал, фокусируется через газодинамическое окно в зоне поглощения, куда подается рабочее тело водород, одновременно в зону поглощения подается рабочее тело с добавкой дейтерия для инициации оптического разряда и образования плазменного ядра, нагрев рабочего тела, которое обтекает плазменное ядро и истекает из сверхзвукового сопла, образуя плазменную струю. В известном техническом решении охлаждение осуществляется регенеративным путем, при помощи жидкого водорода, поступающего в рубашку охлаждения из баллонов.

Недостатком известного двигателя является невысокая эффективность стабилизации плазмы в приосевой области, низкий коэффициент поглощения лазерного излучения водородом, что приводит к снижению удельного импульса, и недостаточная защита от горячих конвективных потоков в области критического сечения, что снижает ресурс работы двигателя и его надежность.

Технический результат, на достижение которого направленно предлагаемое изобретение, заключается в поддержании высокого удельного импульса за счет более эффективного способа организации внутрикамерных процессов и увеличении ресурса работы лазерного ракетного двигателя.

Технический результат достигается тем, что в способе организации рабочего процесса в лазерном ракетном двигателе, включающем подачу в камеру поглощения рабочего тела, создание в ней плазменного ядра, путем фокусирования лазерного луча и инициации оптического разряда, нагрев рабочего тела, которое обтекает плазменное ядро и истекает из сверхзвукового сопла, создавая плазменную струю, новым является то, что рабочее тело подают со стороны критического сечения сверхзвукового сопла тангенциально поверхности камеры поглощения, создают направленный в сторону распространения лазерного луча, закрученный осесимметричный поток рабочего тела, который достигает переднего днища камеры поглощения, разворачивается, обтекая плазменное ядро.

В зону фокусировки лазерного луча, для инициации оптического разряда, вводят легкоионизируемый материал.

В лазерном ракетном двигателе, включающем источник лазерного излучения, систему поворотных и фокусирующих зеркал, камеру поглощения с газодинамическим окном, сопло, систему подвода рабочего тела в камеру поглощения, новым является то, что каналы для подвода рабочего тела в камеру поглощения выполнены со стороны критического сечения сверхзвукового сопла, при этом их оси расположены тангенциально к поверхности камеры поглощения.

Газодинамическое окно в переднем днище камеры поглощения снабжено хорошо обтекаемым дефлектором, обращенным внутрь нее.

В зоне фокусировки лазерного луча установлен легкоионизируемый материал для увеличения коэффициента поглощения лазерного луча.

Сущность предлагаемого изобретения представлена на чертежах.

На фиг.1 - продольный разрез лазерного ракетного двигателя.

На фиг.2 - вид А-А фиг.1.

Здесь: 1 - непрерывный источник лазерного излучения; 2 - поворотные и фокусирующие зеркала; 3 - камера поглощения; 4 - каналы для подвода рабочего тела; 6 - дефлектор; 7 - вольфрамовая проволока; 8 - сверхзвуковое сопло.

Лазерный ракетный двигатель включает непрерывный источник лазерного излучения 1, например газодинамический CO₂-лазер с длиной волны λ=10.6 мкм, систему поворотных и фокусирующих зеркал 2, представляющих собой плоские и параболические зеркала для фокусировки лазерного луча в камере поглощения 3. В камере поглощения 3 выполнено газодинамическое окно 5, которое снабжено дефлектором 6, обращенным внутрь камеры поглощения, необходимым для обеспечения разворота газа от переднего днища камеры поглощения 3. Система подачи рабочего тела имеет каналы 4 для подвода рабочего тела, выполненные в камере поглощения со стороны критического сечения сверхзвукового сопла 8. Оси каналов 4 направлены тангенциально к поверхности камеры поглощения 3, так чтобы создать закрученный осесимметричный поток газа и обеспечить «завесное» охлаждение. В камере поглощения 3 в зоне фокусировки лазерного луча установлен элемент инициирования оптического разряда 7, из легкоионизируемого материала, например вольфрама, который увеличивает коэффициент поглощения лазерного излучения.

Сущность способа заключается в следующем. Генерируемое газодинамическим CO₂-лазером 1 излучение, попадая на систему поворотных и фокусирующих зеркал 2, проходя через оптически прозрачное газодинамическое окно 5, фокусируется на поверхности вольфрамовой проволоки 7, которую устанавливают в зоне фокуса для увеличения коэффициента поглощения лазерного излучения и лучшей инициации оптического разряда. Одновременно с инициацией оптического разряда, из каналов 4 для подвода рабочего тела со стороны критического сечения сверхзвукового сопла 9, сообщенных с системой подвода рабочего тела (не показана), в камеру поглощения 3 подается рабочее тело (например, водород или аргон). После инициации оптического разряда, происходит образование горячего плазменного ядра, при этом рабочее тело образует закрученный осесимметричный поток, направленный в сторону распространения лазерного излучения, который, достигая переднего днища камеры поглощения 3, разворачивается от дефлектора 6 в обратном направлении, и обдувает горячее плазменное ядро, и истекает в сверхзвуковое сопло, создавая плазменную струю, при этом обеспечивается условия устойчивого «горения» оптического разряда в приосевой зоне камеры поглощения 3, что позволяет поддерживать высокую величину удельного импульса и охлаждать стенки камеры поглощения 3 тангенциальным потоком рабочего тела, тем самым увеличить ресурс работы двигателя.

Условия устойчивого «горения» оптического разряда в приосевой зоне камеры поглощения 3 обеспечиваются образованием малоподвижной области течения вокруг плазменного ядра, создаваемой рабочим телом, истекающем тангенциально из каналов 4 со стороны критического сечения сверхзвукового сопла 8.

Эти условия имеют вид:

v_φ≥u_x/tgβ или

Здесь v_φ - тангенциальная составляющая скорости рабочего тела, истекающей со стороны критического сечения сверхзвукового сопла, u_x - осевая составляющая скорости рабочего тела, истекающей со стороны критического сечения сверхзвукового сопла, tgβ - тангенс угла раскрытия камеры, ε_к - отношения большей площади сечения камеры к площади критического сечения , k - коэффициент изоэнтропы,

R - универсальная газовая постоянная, Т - температура газа.

Устройство работает следующим образом. Генерируемое лазером 1 излучение, попадая на систему поворотных и фокусирующих зеркал 2, фокусируется через газодинамическое окно 5 в камере поглощения 3 на поверхности вольфрамовой проволоки 7, инициирует «поджог» оптического разряда и образование плазменного ядра. Поток рабочего тела поступает в камеру поглощения через каналы 4 со стороны критического сечения сверхзвукового сопла 8 тангенциально к поверхности камеры поглощения 3. В результате образуется закрученный осесимметричный поток газа, который направляется к переднему днищу камеры поглощения 3, поворачивается в обратном направлении от дефлектора 6 и истекает в сверхзвуковое сопло 8, обдувая горячее ядро со стороны подвода лазерного луча, обеспечивая устойчивое «горение» оптического разряда.

Такой способ организации рабочего процесса в камере поглощения 3 позволяет стабилизировать плазму в осевом направлении (т.е. предотвратить движение оптического разряда в направлении лазерного луча).

Тангенциальный поток рабочего тела, истекая из каналов 4 со стороны критического сечения сверхзвукового сопла 8, охлаждает стенки камеры поглощения 3, при этом, разворачиваясь от передней стенки камеры поглощения 3, образует малоподвижную область, которая перекрывает исток газа из ядра к стенкам камеры поглощения 3, в радиальном направлении, обеспечивая «завесное» охлаждение и поддержание высокой величины удельного импульса.

1. Способ организации рабочего процесса в лазерном ракетном двигателе, включающий подачу в камеру поглощения рабочего тела, создание в ней плазменного ядра путем фокусирования лазерного луча и инициирования оптического разряда, нагрев рабочего тела, которое обтекает плазменное ядро и, истекая из сверхзвукового сопла, создает плазменную струю, отличающийся тем, что рабочее тело подают со стороны критического сечения сверхзвукового сопла, тангенциально поверхности камеры поглощения, создают закрученный осесимметричный поток рабочего тела, который достигает переднего днища камеры поглощения, разворачивается, обтекая плазменное ядро.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зону фокусировки лазерного луча для инициирования оптического разряда вводят легкоионизируемый материал.

3. Лазерный ракетный двигатель, включающий источник лазерного излучения, систему поворотных и фокусирующих зеркал, камеру поглощения с газодинамическим окном, сопло, систему подвода рабочего тела в камеру поглощения, отличающийся тем, что каналы для подвода рабочего тела в камеру поглощения выполнены со стороны критического сечения сверхзвукового сопла, при этом их оси расположены тангенциально к поверхности камеры поглощения, а в переднем днище камеры поглощения со стороны газодинамического окна имеется хорошо обтекаемый дефлектор, обращенный внутрь ее.

4. Лазерный ракетный двигатель по п.3, отличающийся тем, что в зоне фокусировки лазерного луча установлен легкоионизируемый материал для увеличения коэффициента поглощения лазерного луча.