МИШЕННЫЙ УЗЕЛ ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ

МПК F02K 99/00
МИШЕННЫЙ УЗЕЛ ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Полезная модель относится к области ракетной техники, в частности, к компонентам реактивных двигателей, основанных на лазерной абляции.
Известен лазерно-плазменный двигатель (ЛПД) [C.R.Phipps, J.Luke. Laser plasma thruster // Патент США US 6530212 F02K 11/00, H05H 1/24, Photonic Associates, USA, 11.03.2003], в составе которого используется мишенный узел в виде прозрачной ленты, на одну из сторон которой нанесено непрозрачное покрытие из рабочего вещества ЛПД. При воздействии лазерного излучения со стороны нанесенного покрытия происходит абляция рабочего тела с образованием реактивной струи, направленной перпендикулярно к плоскости ленты. При воздействии лазерного излучения со стороны прозрачной ленты также происходит формирование реактивной струи в том же направлении. В результате абляции происходит унос рабочего вещества, и для воспроизведения процесса требуется перемещение ленты, осуществляемое лентопротяжным механизмом. Необходимость использования лентопротяжного механизма является одним из недостатков данного мишенного узла, поскольку утяжеляет ЛПД и увеличивает его габариты. Кроме того, для подачи рабочего тела в зону абляции используется носитель (лента) масса которой является также неиспользуемой. Кроме того, в качестве материалов ленты используются органические полимеры, не обладающие радиационной стойкостью и имеющие ограниченный срок эксплуатации в условиях космического пространства.
Известен ЛПД [Чумаков А.П., Босак Н.А., Петренко A.M., Рябцев Г.И., Богданович М.В., Енжиевский А.И., Безъязычная Т.В., Рябцев А.Г., Щемелев М.А., Красковский А.С. Лазерно-плазменный двигатель // Патент РФ (19) RU (11) 2338918(13) F02K 11/00 (2006.01). - Заявл. 14.02.2007. - БИ №32. - 20.11.2008], в составе которого используется твердотельная мишень, не требующая носителя и представляющая собой цилиндр, изготовленный из рабочего вещества. В результате абляции происходит унос рабочего вещества, и поверхность мишени оказывается вне зоны фокуса лазерного излучения. Для продолжения работы ЛПД в составе мишенного узла предусмотрен механизм перемещения мишени. В данном мишенном узле по сравнению с [C.R.Phipps, J.Luke. Laser plasma thruster // Патент США US 6530212 F02K 11/00, H05H 1/24, Photonic Associates, USA, 11.03.2003] улучшены массогабаритные характеристики за счет более компактного механизма позиционирования рабочего тела и за счет полного использования рабочего вещества. Однако данный мишенный узел сохраняет недостаток предыдущего устройства, заключающийся в необходимости использования механизма позиционирования рабочего тела.
Известен мишенный узел ЛПД [S.A.Popov, A.N.Panchenko, A.V.Batrakov, F.N.Ljubchenko, V.V.Mataibaev. Experimental Study of the Laser Ablation Plasma Flow From the Liquid Ga-In Target // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2011. - vol.39. - issue 6. - pp.1412-1417], взятый нами за прототип, не требующий использования механизма позиционирования рабочего тела и обеспечивающий поступление рабочего вещества в зону лазерной абляции ЛПД без использования дополнительного носителя. Мишенный узел ЛПД представляет собой герметичный резервуар, заполненный рабочим веществом - жидким металлом или иной жидкостью с низким давлением насыщенных паров, герметично соединенный с капилляром, открытый торец которого является зоной абляции, находящейся в области фокуса лазерного излучения ЛПД. Подобное устройство используется в космических двигателях на основе полевой эмиссии ионов из жидкого металла [M.Tajmar, A.Genovese, W.Steiger. Indium FEEP Microthruster Experimental Characterization // AIAA Journal of Propulsion and Power. - 2004. - Vol.20. - No.2. - pp.211-218]. При работе ЛПД происходит унос рабочего вещества за счет абляции и его естественное поступление, восстанавливающее форму зоны абляции (мениск на торце капилляра) за счет капиллярных сил. Поступление рабочего вещества из резервуара в зону абляции обеспечивается превышением отрицательного давления мениска в капилляре над отрицательным давлением мениска в резервуаре, в результате чего результирующее давление оказывается отрицательным вплоть до восстановления поверхности в области абляции. Прототип мишенного узла [S.A.Popov, A.N.Panchenko, A.V.Batrakov, F.N.Ljubchenko, V.V.Mataibaev. Experimental Study of the Laser Ablation Plasma Flow From the Liquid Ga-In Target // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2011. - vol.39. - issue 6. - pp.1412-1417] лишен недостатков мишенных узлов [C.R.Phipps, J.Luke. Laser plasma thruster // Патент США US 6530212 F02K 11/00, H05H 1/24, Photonic Associates, USA, 11.03.2003] и [Чумаков А.П., Босак Н.А., Петренко A.M., Рябцев Г.И., Богданович М.В., Енжиевский А.И., Безъязычная Т.В., Рябцев А.Г., Щемелев М.А., Красковский А.С. Лазерно-плазменный двигатель // Патент РФ (19) RU (11) 2338918(13) F02K 11/00 (2006.01). - Заявл. 14.02.2007. - БИ №32. - 20.11.2008]. Однако устройство [S.A.Popov, A.N.Panchenko, A.V.Batrakov, F.N.Ljubchenko, V.V.Mataibaev. Experimental Study of the Laser Ablation Plasma Flow From the Liquid Ga-In Target // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2011. - vol.39. - issue 6. - pp.1412-1417] обладает собственным существенным недостатком, заключающимся в формировании поверхностной волны на поверхности жидкости при лазерной абляции, что приводит к формированию большого числа капель с их последующей эмиссией в пространство при отражении поверхностной волны от стенок капилляра. Еще одним механизмом формирования капель является формирование кумулятивной струи при восстановлении стационарного мениска на торце капилляра. Интенсивная эмиссия капель при работе ЛПД с мишенным узлом, выполненным в соответствии с прототипом [S.A.Popov, A.N.Panchenko, A.V.Batrakov, F.N.Ljubchenko, V.V.Mataibaev. Experimental Study of the Laser Ablation Plasma Flow From the Liquid Ga-In Target // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2011. - vol.39. - issue 6. - pp.1412-1417], приведет к снижению эффективности ЛПД вследствие потерь рабочего вещества.
Задача, решаемая в заявляемой полезной модели - повышение эффективности мишенного узла, что позволит повысить эффективность лазерно-плазменного двигателя.
Техническим результатом заявляемой модели является снижение паразитной эмиссии капель мишенного узла с жидким рабочим веществом, поступающим в зону абляции естественным образом за счет действия капиллярных сил.
Указанный технический результат достигается тем, что в мишенном узле ЛПД, содержащем резервуар, заполненным жидким рабочим веществом, и герметично соединенным с капилляром, открытый торец которого является зоной абляции и находится в области фокуса лазерного излучения ЛПД, согласно полезной модели, капилляр выполнен диаметром меньшим диаметра фокального пятна падающего лазерного излучения, а на открытом торце капилляра выполнена лунка, внешний диаметр которой совпадает с диаметром фокального пятна. При этом объем лунки равен объему жидкого рабочего вещества, испаряемого за один импульс лазерного излучения.
Конструкция мишенного узла ЛПД представлена на Фиг.1.
Капилляр мишенного узла 1 соединен с резервуаром 2, заполненным рабочим веществом (жидкостью) 3, и имеет внутренний диаметр меньший, чем диаметр фокального пятна ⌀F лазерного излучения 4, вызывающего абляцию и формирующего реактивную струю. В начальный период функционирования ЛПД (приработка) происходит интенсивная эрозия торца капилляра с образованием эрозионной лунки 5. Размеры эрозионной лунки 5 при работе ЛПД после приработки не изменяются, если неизменными остаются параметры лазерного излучения 4 в зоне абляции. Внешний диаметр полностью сформированной лунки 5 равен диаметру фокального пятна ⌀F, а ее глубина определяется количеством рабочего вещества, уносимого за один импульс лазерного излучения. При такой геометрии зоны абляции рабочее вещество (жидкость) уносится полностью из лунки с образованием реактивной струи, поверхностная волна не образуется в виду отсутствия жидкости в лунке, а кумулятивная струя имеет незначительные размеры в силу малости внутреннего диаметра капилляра. Поскольку энергия лазерного излучения тратится полностью на испарение рабочего вещества, заполняющего лунку, дальнейшая эрозия при длительной работе ЛПД не происходит. Эрозионная лунка заполняется рабочим веществом (жидкостью) в промежутки времени между импульсами лазерного излучения. Таким образом, представленный мишенный узел обеспечивает низкую интенсивность эмиссии капель и, как следствие, более высокую эффективность ЛПД.