СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В КАМЕРЕ ЛАЗЕРНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ И ЛАЗЕРНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
METHOD FOR ORGANISATION OF WORKING PROCESS IN CHAMBER OF LASER ROCKET ENGINE, AND LASER ROCKET ENGINE

Изобретение относится к технике создания ракетных двигательных установок и может быть использовано для орбитальных и аэрокосмических аппаратов.
Известен способ создания непрерывного оптического разряда (НОР) в газовой среде за счет концентрации излучения короткофокусной оптической системой (патент РФ №2326263 МПК H05SH 1/24, опубл. 14.05.2007). Однако в данном способе создается только один НОР, что приводит к частичному выделение энергии лазерного излучения в камере и малому значению относительной величины объема тепловыделения НОР к объему камеры.
Известен лазерный ракетный двигатель и способ организации рабочего процесса в нем (патент US №4036012, МПК H05H1/24, опубликованный 17.07.1977), наиболее близкий по технической сущности к заявляемому 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 в 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.
Однако при длиннофокусной оптической системе достаточно сложно инициировать НОР в связи с тем, что лазерный луч, представляющий собой кольцевое энергетическое образование, имеет фокус, который растянут по оси луча, уменьшая концентрацию энергии лазерного излучения, что приводит к низкой эффективности стабилизации плазмы в приосевой области и низкому коэффициенту поглощения рабочим телом (водородом) энергии лазерного излучения, а, следовательно, к снижению удельного импульса, открытое газодинамическое сопло делает невозможным использование двигателя в космосе.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении удельного импульса за счет более эффективного способа организации внутрикамерных процессов и увеличении ресурса работы ЛРД.
Технический результат достигается тем, что в способе организации рабочего процесса в ЛРД, включающем подачу в камеру поглощения рабочего тела со стороны фокусирующей линзы, создания 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, новым является то, что при длиннофокусной оптической системе последовательно инициируют, по меньшей мере, два непрерывных оптических разряда, при этом первый оптический разряд инициируют в фокусе лазерного луча, а последующий - в следе плазмы по оси излучения путем подачи источников ионов металла.
Стабилизацию HOP в течение всего ресурса работы ЛРД обеспечивают непрерывной подачей источников ионов металла в зону фокусировки лазерного луча и в след плазмы по оси излучения.
В лазерном ракетном двигателе, содержащем систему поворотных и фокусирующих зеркал, камеру поглощения с фокусирующей линзой, сопло, систему охлаждения и подвода рабочего тела в камеру поглощения, новым является то, что в фокусе длиннофокусной линзы и последовательно по оси камеры поглощения расположены, по меньшей мере, два конца проволоки из легкоионизируемого металла для увеличения коэффициента поглощения лазерного луча.
Лазерный ракетный двигатель снабжен системой непрерывной подачи проволоки из легкоионизируемого металла в камеру поглощения по ее оси.
Сущность предлагаемого изобретения представлена на фигурах.
На фиг.1 представлена общая схема создания нескольких НОР в камере ЛРД с длиннофокусной оптической системой.
На фиг.2 представлены экспериментально полученные многофокусные образования при мощности подводимого лазерного излучения 8 кВт.
Здесь: 1 - система поворотных и фокусирующих зеркал; 2 - длиннофокусная линза; 3 - камера поглощения; 4 - проволоки из легкоионизируемого металла; 5 - система подачи проволоки; 6 - систему охлаждения и подвода рабочего тела в камеру поглощения; 7 - сверхзвуковое сопло.
При использовании в ЛРД в качестве источника энергии для нагрева рабочего тела оптического разряда основной причиной интенсивного роста температуры стенок камеры поглощения, сопла и других элементов конструкции является лучистое излучение, что связано с высокой температурой рабочего тела (15000-20000 К) в ядре разряда. Увеличить энерговклад в рабочее тело ЛРД и снизить потери на излучение можно путем организации в камере множественных плазменных образований.
Сущность способа заключается в следующем. При длиннофокусной оптической системе в первом НОР, который инициируется в фокусе линзы, выделяется не более 50% энергии лазерного излучения. При расположении в следе плазмы по оси за первым НОР нескольких источников ионов металла инициируются новые НОР, в которых реализуется основная часть лазерной энергии. Рабочее тело по тракту охлаждения 6 попадает в камеру поглощения, омывая и охлаждая оптическую линзу, нагреваясь и обтекая плазменные ядра НОР, истекает из сверхзвукового сопла 7, создает тягу ЛРД.
Лазерный ракетный двигатель содержит: систему зеркал - 1; длиннофокусную линзу - 2, в фокусе которой и последовательно на оси луча в камере поглощения 3 расположены концы проволок из легкоионизируемого металла 4, подачу которых обеспечивает механизм подачи 5, система охлаждения и подвода рабочего тела 6 в камеру поглощения 3 передает тепло от стенок камеры рабочему телу; сверхзвуковое сопло 7.
Работает лазерный ракетный двигатель следующим образом. Лазерный луч, генерируемый независимым источником постоянного лазерного излучения, попадая на систему поворотных и фокусирующих зеркал 1, поступает на длиннофокусную линзу 2, которая фокусирует в камере поглощения 3 лазерный луч на поверхность легкоионизируемой металлической проволоки 4, которая служит для увеличения коэффициента поглощения лазерного излучения и лучшей инициации оптического разряда. Плазменный след по оси первого НОР, попадая на металлические проволоки, инициирует возникновение последующих НОР. Непрерывный оптический разряд, который представляет собой высокотемпературную плазму, плавит и испаряет металл проволок, расположенных в фокусе линзы и последовательно по оси камеры поглощения, в связи с чем возникает необходимость постоянной подачи ионизирующего материала (проволок) в зону НОР при помощи системы подачи 5. Стабилизация и поддержание нескольких НОР в камере за период работы ЛРД осуществляется непрерывной подачей 5 источников ионов металла (проволоки) в зону НОР. Рабочее тело из тракта охлаждения 6 нагревается, обтекая плазменные ядра и истекая из сверхзвукового сопла 7, создает тягу ЛРД.
Предлагаемый способ организации рабочего процесса с созданием нескольких НОР в камере поглощения существенно увеличивает передачу энергии от лазерного излучения рабочему телу, в результате чего значительно увеличивается тяга, удельный импульс и КПД лазерного ракетного двигателя, а за счет снижения потерь на излучение и уменьшения нагрева стенок камеры поглощения увеличивается ресурс его работы.