ЛАЗЕРНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ УСКОРЕНИЕМ РАБОЧЕГО ТЕЛА
LASER ROCKET ENGINE WITH ELECTROSTATIC ACCELERATION OF THE WORKING MEDIUM

Лазерный ракетный двигатель с электростатическим ускорением рабочего тела относится к области ракетных двигателей (РД) для ускорения ракетно-космической техники при помощи лазерного излучения.
В настоящее время для запуска ракет используются химические ракетные двигатели, работающие благодаря химической реакции топлива и окислителя в камере сгорания. Чем выше скорость истечения продуктов сгорания из ракетного двигателя, тем выше эффективность ракетного двигателя, т.к. при этом требуется меньше рабочего тела для ускорения единицы массы полезной нагрузки до требуемой конечной скорости ракеты. Максимальная скорость истечения рабочего тела (РТ) для наиболее эффективного химического топлива «кислород с водородом» составляет 5,2 км/с [1].
Известны лазерные ракетные двигатели (ЛРД), тяга в которых создается благодаря направленному на него лазерному излучению, источник которого может быть размещен вне ракеты, например, на земле, в воздухе, в космосе и т.д. На самой ракете находится рабочее тело в твердом или жидком состоянии, которое благодаря лазерному облучению, быстро нагреваясь и расширяясь, с большой скоростью выбрасывается из ракеты, создавая тем самым силу тяги ЛРД. Согласно теоретическим расчетам, приведенным в источнике [1], скорость истечения рабочего тела из ЛРД благодаря лазерному испарению графита должна составить примерно 6 км/с. Данное ЛРД на твердом рабочем теле с испарительным механизмом тяги, т.е. ЛРД в котором сила тяги создается за счет давления паров испаряющегося РТ под термическим воздействием лазерного излучения, примем в качестве прототипа предлагаемого устройства. Такое ЛРД еще называется «ЛРД на основе абляции твердых материалов» далее, для краткости, будем называть «абляционным ЛРД». Учитывая, что реальные скорости истечения РТ из современных химических РД составляют 3÷4 км/с, данный результат (6 км/с) для ЛРД является существенным, но значительно меньшим, чем у современных электрореактивных двигателей и не достаточным для радикального повышения экономичности ракетного двигателя.
Задачей данного изобретения является значительное увеличение скорости истечения рабочего тела из ЛРД сопоставимое с электрореактивными двигателями и уменьшение стоимости затрат на доставку грузов на требуемую траекторию движения. Поставленная задача решается тем, что в лазерном ракетном двигателе с электростатическим ускорением рабочего тела, содержащем рабочее тело на которое подаются излучения высокой плотности мощности от источников лазерного излучения достаточные для ионизации рабочего тела, систему подачи рабочего тела, отличающийся тем, что на поверхность, имеющую возможность создавать электростатические заряды для ускорения ионов рабочего тела и их последующего отбрасывания, подаются излучения малой плотности мощности от источников лазерного излучения с плотностями мощностей достаточными для электронной эмиссии.
Для обеспечения работы предлагаемого устройства на стартовой поверхности или на летательном аппарате имеются не менее одного источника лазерного излучения (далее коротко будем называть - ИЛИ) вместе с их системами накачки, охлаждения, управления и т.д. В частном случае ИЛИ может составлять и один лазер. При этом ИЛИ могут находиться на поверхности Земли (в здании, в подземных сооружениях, а также на каком-либо плавательном средстве), в воздухе, на космической орбите, поверхности других планет и их спутников (например, на Луне). Источниками лазерного излучения могут быть всевозможные типы лазеров, отличающиеся длиной волны излучения, способом накачки лазера т.д. Одной из важных характеристик лазерного излучения является плотность мощности излучения (или плотность мощности), которая согласно ГОСТ 24453-80, ГОСТ 24286-88 представляет собой величину мощности в импульсе излучения отнесенную к единице площади поверхности облучения. Излучениями малой плотности мощности, согласно источнику [1] являются излучения столь малой плотности мощности, что за время действия светового импульса поверхность материала не подвергается заметному разрушению. Конкретные максимальные числовые значения излучений малой плотности различных твердых материалов могут быть различными в зависимости от их температуры плавления или сублимации, коэффициента теплопроводности, длительности импульсов и перерывов между импульсами лазерного излучения и т.д.
Под понятием «поверхность, имеющая возможность создавать электростатические заряды» понимается поверхность, на которую воздействуют излучения малой плотности и с которой под воздействием излучения происходит эмиссия электронов с образованием положительного заряда. При твердом рабочем теле такой поверхностью может быть любая часть внешней поверхности РТ и благодаря эмиссии электронов на поверхности рабочего тела возникает положительный заряд. В случае если РТ находится в жидком или газообразном состоянии такой поверхностью может быть катодная поверхность, на которой в результате эмиссии электронов также возникает положительный заряд. Катодная поверхность представляет собой поверхность, изготавливаемую из любого электропроводного материала (например, из металла, графита и т.д.) и может иметь как плоскую, так и изогнутую форму. Наиболее рациональным представляется, чтобы твердое рабочее тело обладало электропроводностью, а катодная поверхность (или ее внешнее покрытие со стороны излучения) была выполнена из твердого материала стойкого к сильному нагреву и также обладающего электропроводностью. Это связано с тем, что результатом воздействия излучения малой плотности на электропроводный материал (различные металлы, графит и др.) является не только эмиссия электронов с поверхности материала благодаря одно- или многофотонному фотоэффектам как у неметаллов, но и термоэлектронная эмиссия при нагреве поверхности металла выше определенной температуры. Согласно источнику [1], интенсивность термоэлектронной эмиссии значительно превышает эмиссию электронов вызываемой фотоэффектом. Электроны, вылетающие с поверхности, имеют определенную кинетическую энергию, величина которой зависит от энергии квантов света поглощенных при фотоэффекте и температуре нагрева (для металла). При достаточной плотности мощности излучений часть электронов после начала облучения может покинуть безвозвратно поверхность, от которой они «оторвались». Но при этом поверхность, потерявшая часть электронов, приобретает положительный заряд, который в свою очередь начинает тормозить движение электронов от поверхности. Чем выше плотности мощности излучений, тем большее число электронов вырываются с поверхности металла, но при этом все больший положительный заряд накапливается на поверхности металла препятствующий дальнейшему выходу электронов и притягивающих их обратно к себе. Возникает динамическое равновесие между количеством вылетающих с поверхности облучаемого металла электронов и числом электронов, возвращающихся обратно на поверхность металла. В результате такого процесса над поверхностью металла возникает электронное облако с отрицательным зарядом, а сама поверхность приобретает определенный положительный электростатический заряд. Таким образом, возникает некая «батарея». Поскольку потенциальная энергия, сдерживающая эмиссию электронов, равна максимальной кинетической энергии эмитированных электронов, то если электрон будет обладать энергией 1 эв(электрон-вольт) разность потенциалов должна составить 1 в(вольт). Согласно источнику [1], энергия эмитированных электронов может быть порядка 2÷15 эв. То есть разность потенциалов может составить от единиц до десятка вольт. Для рабочего тела в жидком или газообразном состоянии «поверхностью, имеющей возможность создавать электростатические заряды» может быть только катодная поверхность, а для рабочего тела в твердом состоянии такой поверхностью может быть и катодная поверхность и(или) любая часть его поверхности. Катодная поверхность, как сказано выше, должна быть изготовлена из тугоплавкого металла (или из другого электропроводного материала, например, графита). Для улучшения эмиссии электронов катодная поверхность может быть покрыта окислами щелочных металлов, уменьшающие энергию выхода электронов. Положительный заряд, возникающий на поверхности твердого рабочего тела или на катодной поверхности необходим для ускорения ионов, возникающих под воздействием излучений высокой плотности мощности. Излучениями высокой плотности мощности, согласно источнику [1], являются излучения от ИЛИ, вызывающих ионизацию облучаемого материала. В ограничительной части формулы изобретения указано: «рабочее тело, на которое подаются излучения высокой плотности мощности от источников лазерного излучения достаточные для ионизации рабочего тела». Здесь имеется в виду, что излучения высокой плотности являются таковыми в момент воздействия на РТ. Но до воздействия на РТ эти излучения могут быть и малой плотности. В результате такого воздействия материал рабочего тела ионизируется, т.е. разделяется на положительно заряженные ионы и свободные электроны. Если рабочее тело является твердым, то излучения высокой плотности могут воздействовать непосредственно на поверхность РТ и от этой поверхности испаряются атомы, переходящие в ионизированное состояние. В случае если РТ находится в жидком состоянии, то его нагревают известным способом, и он переходит в газообразное состояние. Далее на РТ в газообразном состоянии подаются излучения высокой плотности, и РТ ионизируется благодаря непрерывному оптическому разряду (HOP). Для преобразования газообразного РТ в плазму может использоваться оптический плазмотрон. Согласно источнику [2], плазмотрон - это генератор низкотемпературной плазмы, а оптический плазмотрон - плазмотрон в котором плазма генерируется с помощью непрерывного оптического разряда, возникающего благодаря воздействию на газ лазерного излучения высокой плотности. При этом РТ, пропускаемое через оптический плазмотрон, переходит в состояние так называемой холодной плазмы (температура порядка 15000÷20000K).
Признак «электростатические заряды для ускорения ионов рабочего тела и их последующего отбрасывания» означает то, что возникающие в результате воздействия излучений малой плотности электростатические заряды в дальнейшем используются, путем их расположения относительно места ионизации РТ, для ускорения положительных ионов и отбрасывания их из ЛРД. В случае, когда излучения малой плотности воздействуют на поверхность твердого РТ, поверхность, на которую направляются излучения высокой плотности, уже к этому моменту обладает положительным зарядом и этот заряд, отталкивая от себя положительные ионы, ионизированного РТ, ускоряет их. Таким образом, создаваемый на поверхности твердого РТ, положительный электростатический заряд служит для отталкивания и ускорения положительных ионов рабочего тела. При этом электроны плазмы притягиваются к поверхности твердого РТ и заряд его, приобретенный благодаря воздействию излучений малой плотности, уменьшается практически до нулевого значения. Следовательно, при этом эффект электростатического ускорения РТ уменьшается от некоторого максимального значения до нулевого. Когда излучения малой плотности от ИЛИ направляются на катодную поверхность, вследствие эмиссии электронов, на катодной поверхности возникает положительный заряд, перетекающий через электропроводную связь (кабель, провод, шина и т.д.) на электропроводную поверхность, изготавливаемую из электропроводного материала. Электропроводная поверхность, представляет собой поверхность, изготовленную из электропроводного материала (металла, графита и т.д.) и может иметь как плоскую, так и изогнутую форму. Электропроводная поверхность, обладающая положительным зарядом, необходима для того, чтобы, действуя силой электростатического отталкивания, она ускоряла и отбрасывала от ЛРД положительные ионы РТ и тем самым создавала реактивную силу ЛРД. Данное условие может быть реализовано благодаря тому, что переход РТ в состояние плазмы под действием излучений высокой плотности происходит вблизи электропроводной поверхности. Положительно заряженная электропроводная поверхность из плазмы вытягивает в свою сторону электроны, уменьшая свой заряд. Соответственно уменьшается и положительный заряд на катодной поверхности, вследствие чего часть электронов из облака электронов отрываются и улетают прочь от катодной поверхности, приобретающей при этом дополнительный положительный заряд. Следовательно, катодная поверхность служит для создания на электропроводной поверхности положительного заряда и для «откачивания» лишних электронов с ее поверхности, поддерживая при этом определенное значение положительного заряда на электропроводной поверхности, который используется для ускорения и отбрасывания ионов РТ из ЛРД. В частном случае катодная и электропроводная поверхности могут быть совмещены друг с другом в одну поверхность, которая должна располагаться вблизи зоны ионизации РТ и на которую должны быть направлены излучения малой плотности. Согласно закону сохранения импульсов, на ЛРД при отбрасывании из него ионов РТ, будет действовать реактивная сила (или сила тяги ЛРД). Таким образом, в предлагаемом устройстве создается дополнительная сила тяги РД, благодаря электростатическим силам отталкивания положительных электростатических зарядов.
Под действием излучений малой плотности на катодной поверхности возникает положительный заряд. Но, если рядом с катодной поверхностью поместить анодную поверхность, то на ней благодаря оседанию «выбитых» электронов возникает отрицательный заряд. Анодная поверхность, как и катодная поверхность, изготавливается из любого электропроводного материала. В этом варианте предлагаемого устройства электроны, покидающие катодную поверхность, попадают на анодную поверхность и передают ей отрицательный заряд, который через электропроводную связь или электропроводник (кабель, электропровод и т.д.) передается на замкнутый контур, выполненный из электропроводного материала, и размещенный со стороны противоположной электропроводной поверхности от места ионизации РТ. Замкнутый контур может быть в форме тора, квадратной рамки или в форме другой замкнутой фигуры и изготавливается из электропроводящего материала. Положительные ионы, образующиеся благодаря непрерывному оптическому разряду в РТ, ускоряются между электропроводной поверхностью и замкнутым контуром и отбрасываются через внутреннее пространство замкнутого контура за пределы ЛРД. Таким образом, катодная поверхность при наличии анодной поверхности может создать не только положительный заряд на электропроводной поверхности, но и отрицательный заряд на замкнутом контуре для ускорения ионов РТ.
При этом характеристики излучений малой и высокой плотностей мощности должны быть согласованы между собой таким образом, чтобы средний электростатический заряд поверхности, на которую направляются излучения малой плотности мощности, оставался на одном уровне в течение времени работы лазерного ракетного двигателя. Это означает, что для эффективной работы предлагаемого устройства заряд создаваемый излучениями малой плотности на поверхности твердого РТ должен быть не меньше суммарного заряда электронов того объема плазмы, который образуется при воздействии на твердое РТ излучений высокой плотности. При этом величина заряда поверхности РТ сначала возрастает, а затем уменьшается до нуля или до определенного минимального значения и средний заряд за много циклов и(или) в течение времени работы лазерного ракетного двигателя остается примерно на одном уровне. А при воздействии излучений малой плотности на катодную поверхность характеристики излучений малой и высокой плотностей мощности должны быть согласованы между собой таким образом, что величина заряда катодной поверхности находится около определенного среднего значения за период времени значительно превышающий промежуток времени между двумя последовательными импульсами излучения или за время работы ЛРД.
В лазерных излучениях малой и высокой плотности мощности могут быть излучения как от одного ИЛИ, так и от двух и более ИЛИ. При этом излучения малой и высокой плотности мощности могут быть как непрерывными, так и импульсно-периодическими. Назначение лазерных излучений малой плотности мощности - обеспечить с помощью явления термоэлектронной эмиссии и(или) фотоэффекта выход электронов с максимальной кинетической энергией с поверхности твердого РТ или катодной поверхности. Чем больше количество «вырванных» электронов и чем больше их кинетическая энергия, тем больший положительный заряд можно получить для ускорения ионов рабочего тела. В предлагаемом устройстве излучения малой плотности мощности являются таковыми в момент контакта с поверхностью РТ или с катодной поверхностью, а излучения высокой плотности мощности являются таковыми в момент контакта с РТ. Лазерные излучения высокой плотности мощности могут подаваться непосредственно от ИЛИ. Но при подаче лазерных излучений высокой плотности через атмосферу или через оптические системы (зеркала, стекла и т.д.) в них может возникнуть оптический разряд, который сделает невозможным дальнейшее распространение лазерного излучения. Поэтому более рациональным является, если при подводе лазерных излучений к ЛРД, они имеют малую плотность мощности, а перед непосредственным воздействием на РТ эти излучения с помощью линзы или параболического зеркала преобразуются в излучения высокой плотности. Таким образом, излучения высокой плотности могут быть изначально при излучении от ИЛИ излучениями высокой плотности, но могут направляться от ИЛИ к предлагаемому устройству и не высокой плотности мощности, а становится таковыми при концентрировании излучений от различных источников в одной области или при прохождении их через какой-либо концентратор излучений. Назначение излучения высокой плотности мощности - ионизировать РТ.
В случае, когда излучения малой плотности подаются на поверхность твердого РТ, то излучения высокой плотности должны подаваться от импульсно-периодических источников лазерного излучения. Это необходимо в связи с тем, что когда излучения малой плотности направлены также как и излучения высокой плотности на поверхность РТ, то благодаря перерывам в импульсах излучений высокой плотности в этих промежутках излучения малой плотности успевают вырвать из РТ электроны и зарядить РТ положительным зарядом. И если излучения высокой плотности будут непрерывными, то никакого положительного заряда на поверхности РТ образовываться не будет.
Следует заметить, что в случае, когда излучения малой плотности подаются на поверхность твердого РТ и являются импульсно-периодическими, они не должны накладываться полностью на излучения высокой плотности. Это значит, что длительности и периоды импульсов обоих типов могут быть разными, но могут быть и одинаковыми. Единственным требованием здесь является то, что если их периоды совпадают, то начало этих импульсов не должны совпадать, т.е. они не должны накладываться друг на друга или воздействовать на поверхность РТ одновременно и каждый период. Если это требование не выполняется то в этом случае эти излучения полностью накладываются друг на друга и весь эффект изобретения пропадает. Важно, чтобы эти импульсы были разделены во времени: сначала действуют импульсы малой плотности, затем следуют импульсы высокой плотности и т.д.
Зависимости значений мощности излучений малой и высокой плотности от времени могут быть различными. Излучения малой и высокой плотности могут быть как от одних ИЛИ, так и от разных ИЛИ. Между импульсами излучений малой и высокой плотности могут быть промежутки во времени - перерывы, но могут и не быть перерывы. В последнем случае и при воздействии на поверхность твердого РТ излучения малой плотности могут плавно (без скачков) переходить в излучения высокой плотности.
Для более оптимального использования излучений от ИЛИ, эти излучения могут целиком направляться на катодную поверхность, а затем отраженная этой поверхностью часть излучений может направляться с помощью зеркал и линзы на РТ для его ионизации, т.е. преобразовываться в излучение высокой плотности. Таким образом, повышается эффективность использования подаваемых на устройство излучений.
Под системой подачи рабочего тела предлагаемого устройства понимаются известные способы подачи РТ, которые используются, например в РД или ЭРД. Если РТ твердое, то можно подавать его с помощью механического привода по мере его расходования, а если РТ находится в сжиженном состоянии, то его можно подавать насосами через элементы теплообмена, преобразуя его в газообразное состояние и используя его в системе охлаждения устройства.
Главным отличием предлагаемого устройства от прототипа является то, что ионы РТ, отбрасываются от ЛРД не только благодаря тепловой кинетической энергии приобретаемой ими при тепловом воздействии лазерного излучения, но и это самое главное, благодаря дополнительному ускорению в электростатическом поле, т.е. предлагаемое устройство, приобретает свойство электрического ракетного двигателя. В соответствии с [3] даже при малых разностях потенциалов (десятки вольт, как в нашем случае) электрического ракетного двигателя скорость истечения достигает значений до 20 км/с. Из вышесказанного следует, что у предлагаемого устройства скорость истечения выше, чем у прототипа. А значит выше и его экономическая эффективность доставки полезных грузов на требуемую траекторию.
В предлагаемом устройстве излучения малой плотности направляются на «поверхность, имеющую возможность создавать электростатические заряды для ускорения ионов рабочего тела и их последующего отбрасывания» (функциональный признак п. 1 формулы изобретения). Если рабочее тело твердое, то такой поверхностью может быть любая часть поверхности рабочего тела (п. 2 формулы изобретения), в том числе и та ее часть, с которой происходит испарение или сублимация РТ. Но РТ может подаваться в ЛРД не только в твердом состоянии, но и в жидком или газообразном состоянии. При любом фазовом состоянии РТ излучения от ИЛИ малой плотности могут направляться на «катодную поверхность, связанную электропроводной связью с электропроводной поверхностью, расположенной не далее чем на десять ее максимальных линейных размеров от того места, где на рабочее тело подаются излучения высокой плотности» (п. 3 формулы изобретения). Электропроводная поверхность должна быть, как можно ближе расположена к месту, где на РТ подаются излучения высокой плотности, т.е. к месту в котором происходит ионизация РТ. Это связано с тем, что чем ближе находятся ионы к электропроводной поверхности, тем больше сила их взаимного электростатического отталкивания. В п. 3 формулы изобретения указано, что это расстояние должно быть не более десяти максимальных линейных размеров электропроводной поверхности. Под максимальным линейным размером электропроводной поверхности понимается наибольший габаритный размер ее, например: длина, высота, диаметр и т.д. На самом деле эта величина чисто условная, необходимая только для формулировки признака, а эффект электростатического отталкивания зарядов будет и на большем расстоянии, но он сильно уменьшается с увеличением расстояния между ними.
Рядом с катодной поверхностью может быть размещена анодная поверхность, на которую могут попадать эмитированные с катодной поверхности электроны, причем анодная поверхность связана электропроводной связью с замкнутым контуром, выполненным из электропроводного материала, сквозь внутреннюю полость которого могут проходить ионы рабочего тела и расположенного с противоположной стороны от электропроводной поверхности относительно места, где на рабочее тело подаются излучения высокой плотности (п. 4 формулы изобретения). В этом варианте предлагаемого устройства электропроводная поверхность эквивалентна аноду, а замкнутый контур эквивалентен катоду электростатического РД (ЭРД). Положительно заряженные ионы, ускоряясь между электропроводной поверхностью и замкнутым контуром, пролетая через внутреннее пространство замкнутого контура, отбрасываются от ЛРД, создавая силу тяги. Отличием данного варианта предлагаемого устройства от электростатического РД является то, что в предлагаемом устройстве ионизация РТ происходит под действием лазерного излучения высокой плотности, а в ЭРД в результате электрического разряда в РТ между анодом и катодом ЭРД. Поскольку перемещение электронов от катодной поверхности к анодной поверхности возможно только в вакууме, то при применении такого варианта ЛРДЭУРТ в атмосфере катодная и анодные поверхности предлагаемого устройства должны быть заключены внутри вакуумной камеры или колбы с прозрачным окном, через которое проходят лазерные излучения малой плотности для воздействия на катодную поверхность. Избыточный отрицательный заряд, который образуется при работе устройства, может удаляться с него либо с помощью электронной пушки либо благодаря термоэлектронной эмиссии как в ЭРД. В источнике [3] такой элемент ЭРД называется нейтрализатором. При наличии одновременно катодной и анодной поверхностей в устройстве можно ионизировать РТ не с помощью лазерного излучения, а путем электрического разряда как в ЭРД, т.е. лазерное излучение будет создавать только разность потенциалов. Обеспечить попадание эмитированных с катодной поверхности электронов на анодную поверхность можно путем выбора их взаимного расположения или с помощью магнитного поля, которое, как известно, не совершает работу, но меняет направление движение электронов, а также с помощью электрического поля.
В предлагаемом устройстве при газообразном или жидком РТ зеркала и другие оптические элементы, различные части конструкции (сопло и другие элементы), подвергающиеся высоким температурным воздействиям, могут охлаждаться рабочим телом, пропускаемым вблизи нагревающихся поверхностей.
Данное изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1, 2 схематически показан вариант предлагаемого устройства с твердым РТ и с воздействием излучения малой плотности на его поверхность по п. 2 формулы изобретения. На фиг. 3 изображена зависимость плотности мощности импульса лазерного излучения, устройства изображенного на фиг. 1, 2, от времени. На фиг. 4 показан вариант предлагаемого устройства с водородным РТ и с воздействием излучения малой плотности на катодную поверхность по п. 3 формулы изобретения. На фиг. 5 изображено предлагаемое устройство, в котором дополнительно с катодной поверхностью имеется анодная поверхность (п. 4 формулы изобретения). На фиг. 6 показана схема предлагаемого устройства подобная той, что изображена на фиг. 5, но в которой один поток лазерного излучения сначала направляется на катодную поверхность, а затем на РТ.
*
*
*
На фиг. 1, 2 показана схематично ракета поз. 1, в кормовой части которой размещен ЛРДЭУРТ включающий в себя рабочее тело поз. 2, представляющее собой цилиндрический стержень из лития. С тыльного торца РТ поз. 2 ввинчен толкатель поз. 3, который служит для того, чтобы перемещать РТ поз. 2 вдоль оси ЛРДЭУРТ по мере его испарения (абляции) под действием лазерного излучения. На поверхность облучения РТ подается импульсно-периодическое излучение от одного лазера с изменяемой мощностью излучения по времени. На фиг. 3 показано изменение мощности лазерного излучения Е по времени t во время одного импульса. Как видно из этой зависимости? вначале действия импульса его мощность Е<Е не высокая и соответствует излучению малой плотности, а затем мощность импульса быстро увеличивается, превращаясь в излучение высокой плотности Е>Е (Е - плотность мощности при котором происходит разрушение (испарение) РТ).
+
+
+
Предлагаемое устройство (по п. 2 формулы изобретения) работает следующим образом. На фиг. 1 показано действие на РТ поз. 2 излучения малой плотности (здесь и далее указано сокращенно как ИМП), которое благодаря термоэлектронной эмиссии и фотоэффекту «выбивает» из поверхности облучения РТ поз. 2 электроны. А РТ поз. 2 вследствие потери части своих электронов приобретает положительный электростатический заряд, который распределяется по ее наружной поверхности. Само РТ поз. 2 при этом не испаряется. На фиг. 2 показан момент, когда после действия первой части импульса лазера (излучение малой плотности) на РТ поз. 2 начинает действовать вторая часть импульса лазера (излучение высокой плотности). Под действием излучения высокой плотности (здесь и далее указано сокращенно как ИВП) на поверхности РТ поз. 2 начинается испарение и затем ионизация атомов лития. Атомы лития, переходя в ионизированное состояние, разделяются на положительно заряженные ионы лития Li и электроны. На положительные ионы Li, начинает отталкивающие действие положительный заряд, имеющийся на поверхности РТ поз. 2, и они начинают ускоряться в электростатическом поле. При этом свободные электроны плазмы притягиваются к поверхности РТ поз. 2. Через некоторый момент, притягиваемые из плазмы электроны нейтрализуют заряд на поверхности РТ поз. 2. Длительности воздействия излучений малой и высокой плотностей согласованы между собой таким образом, что заряд возникающий на поверхности РТ поз. 2, в результате действия излучения малой плотности, равен по модулю заряду всех электронов, которые притягиваются из плазмы возникающей после действия излучения высокой плотности в течении одного импульса. Поскольку масса и импульс электронов на несколько порядков меньше массы и импульса ионов, на РТ поз. 2 действует сила тяги, направленная в сторону противоположную от направления движения ионов Na. Толкатель поз. 3 перемещает РТ поз. 2 по мере его испарения.
На фиг. 4 показана схематично ракета поз. 1, в кормовой части которой размещен ЛРДЭУРТ (по п. 3 формулы изобретения), включающий в себя корпус поз. 4, состоящий из двух металлических стенок между которыми пропускается низкотемпературный молекулярный водород для их охлаждения. В корпус поз. 4 встроена герметично оптическая линза поз. 5. Корпус поз. 4 по форме напоминает обычный РД на химическом топливе состоящий из камеры к которой присоединено сопло Лаваля. За расширяющейся частью корпуса поз. 4 концентрично с ней и с небольшим перехлестом размещена электростатическая поверхность поз. 6, представляющая собой цилиндрическую сетку, соединенную механически с корпусом ракеты поз. 1, но электрически изолированную от остальных частей ракеты поз. 1 и ЛРДЭУРТ, кроме катодной поверхности поз. 7 на которую направляются непрерывное излучение малой плотности от внешнего источника ИЛИ. Катодная поверхность поз. 7 представляет собой вольфрамовый лист, покрытый окислами бария или стронция, внешняя сторона которого совмещена с внешней поверхности ракеты поз. 1, а к внутренней стороне с определенным зазором прикреплена еще одна металлическая стенка, между которыми пропускается газообразный водород РТ для охлаждения катодной поверхности поз. 7. Электростатическая поверхность поз. 6 и катодная поверхность поз. 7 соединены между собой электрической связью через проводник поз. 8. Через двухстеночное плоское прозрачное окно поз. 9 в корпусе ракеты поз. 1 на плоское зеркало поз. 10 направляется лазерное излучение малой плотности от внешних источников ИЛИ, которое расположено так, чтобы отраженное от зеркала поз. 10 лазерное излучение было направлено перпендикулярно на линзу поз. 5. Зеркало поз. 10, подобно катодной поверхности поз. 7, с тыльной стороны имеет дополнительную стенку между которыми пропускается газообразный водород РТ для его охлаждения.
-
Устройство, изображенное на фиг. 4, работает следующим образом. Жидкий водород подается с помощью насоса из бака с жидким водородом (насос и бак на рисунке не показаны) в области среза сопла Лаваля. Жидкий водород, охлаждая стенки корпуса поз. 4, переходит в состояние газа. Параллельно этот газообразный водород пропускается между стеклянными стенками окна поз. 9, а также между стенками в катодной поверхности поз. 7 и зеркала поз.10 для их охлаждения. Далее весь водород, прошедший между всеми стенками для их охлаждения, поступает внутрь корпуса поз. 4 вблизи линзы поз. 5. При этом подогретый водород, подаваемый под высоким давлением внутрь корпуса поз. 4 далее расширяется и ускоряется, двигаясь через сопло Лаваля и достигая сверхзвуковой скорости за критическим сечением сопла. На катодную поверхность поз. 7 воздействует излучение малой плотности от лазера с непрерывным режимом работы, благодаря которому с ее поверхности вырываются электроны e. Поскольку катодная поверхность поз. 7 теряет свои электроны, она приобретает положительный заряд, который по проводнику поз. 8 перетекает на электропроводную поверхность поз. 6. Таким образом, на электропроводной поверхности поз. 6 поддерживается положительный заряд. На окно поз. 9 направлено излучение малой плотности от лазера с непрерывным режимом работы, которое далее попадает на зеркало поз. 10, отражаясь от которого направляется на линзу поз. 5. Лазерные лучи, проходящие через линзу поз. 5, концентрируются ею на газообразном водороде в сверхзвуковой части сопла Лаваля. В районе фокуса линзы лазерное излучение становится излучением высокой плотности, благодаря которому возникает непрерывный оптический разряд (здесь и далее сокращенно обозначим как HOP). Согласно источнику [4] оптический разряд возможен в сверхзвуковом потоке газа. В результате оптического разряда газ переходит в ионизированное состояние и нагревается. При этом газ двигается в сторону среза сопла и далее через внутреннюю часть электропроводной поверхности поз. 6. При выходе плазмы из электропроводной поверхности поз. 6 на нее начинает действовать положительный заряд электропроводной поверхности поз. 6. При этом положительные ионы водорода отталкиваются от ЛРДЭУРТ, создавая тягу РД. А электроны притягиваются к электропроводной поверхности поз. 6. Электропроводная поверхность поз. 6 имеет сетчатую структуру для того, чтобы значительная часть электронов пролетала сквозь нее. Часть электронов будет попадать на электропроводную поверхность поз. 6, уменьшая ее заряд. Этот заряд компенсируется перетеканием положительного заряда с катодной поверхности поз. 7 через проводник поз. 8 на электропроводную поверхность поз. 6.
На фиг. 5 изображена ракета поз. 1 с ЛРДЭУРТ (по п. 4 формулы изобретения), который содержит в себе корпус поз. 4, оптическую линзу поз. 5, катодную поверхность поз. 7, проводник поз. 8 назначение и устройство которых аналогично тем, которые показаны на фиг. 4. Отличием данного варианта предлагаемого устройства от описанного в п. 3 формулы изобретения и показанного на фиг. 4 является следующее. Корпус поз. 4 выполнен из металла и является одновременно электропроводной поверхностью, соединенной через проводник поз. 8 с катодной поверхностью поз. 7. Катодная поверхность поз. 7 находится внутри корпуса ракеты поз. 1. Рядом с катодной поверхностью поз. 7 расположена анодная поверхность поз. 11, выполненная из металла со стенками для его охлаждения водородом как у катодной поверхности поз. 7. За срезом сопла Лаваля помещен торообразный замкнутый контур поз. 12, который соединен механически с корпусом ракеты поз. 1, но электрически изолирован от нее. Анодная поверхность поз. 11 и замкнутый контур поз. 12 соединены между собой электрическим проводником поз. 13. Катодная поверхность поз. 7 и анодная поверхность поз. 11 заключены внутрь прозрачной колбы, в которой создан вакуум. Сама вакуумная колба на фиг. 5 не показана, чтобы не загромождать схему. Излучение малой плотности подается на катодную поверхность поз. 7 через внешний корпус ракеты поз. 1 через окно поз. 14, устройство которого аналогично устройству окна поз. 9. В близи замкнутого контура поз. 12 с внешней стороны установлен нейтрализатор поз. 15, который соединен через проводник поз. 16 с замкнутым контуром поз. 12. Необходимость нейтрализатора поз. 15 вызвана тем, что, согласно источнику [3], при истечении одноименно заряженных частиц из электрически изолированной и первоначально электрически нейтральной ракеты на ней будет накапливаться заряд противоположного знака, сопровождающийся появлением все возрастающих электростатических сил притяжения между ракетой и истекающими частицами, что вскоре приведет к полному прекращению истечения (эффект "запирания" РД). Чтобы избежать этого с помощью нейтрализатора поз. 15 излишний отрицательный заряд передается реактивной струе РД. Нейтрализатор поз. 15 представляет собой поверхность из вольфрама, нагреваемая до температуры 2000-2500 K. Испускаемые нейтрализатором поз. 15 электроны, втягиваются в струю положительных ионов, отбрасываемых ЛРДЭУРТ.
+
Данный вид предлагаемого устройства работает следующим образом. Непрерывное излучение малой плотности, подаваемое через окно поз. 14, проникают внутрь прозрачной колбы на катодную поверхность поз. 7 и «выбивает» с нее электроны, которые оседают на анодной поверхности поз. 11. В результате катодная поверхность поз. 7 приобретает положительный заряд, который по проводнику поз. 8 передается на корпус поз. 4, а анодная поверхность поз. 11 получает отрицательный заряд, передаваемый по проводнику поз. 13 на замкнутый контур поз. 12. Подаваемое через окно поз. 9 непрерывное излучение малой плотности, отражаясь от зеркала поз. 10 и пройдя через линзу поз. 5, концентрируется и переходит в состояние высокой плотности вблизи оптического фокуса линзы поз. 5 с образованием непрерывного оптического разряда (НОР) в РТ. Система подачи РТ (водорода) в рассматриваемом варианте ЛРДЭУРТ и охлаждения его частей (поз. 4, 7, 9, 10, 11) аналогична той, что описана в варианте предлагаемого устройства, показанном на фиг. 4. Поскольку корпус поз. 4 и замкнутый контур поз. 12 имеют на себе разноименные электростатические заряды, электроны из плазмы вытягиваются на корпус поз. 4 и далее по проводнику поз. 8 устремляются к катодной поверхности поз. 7, а положительные ионы, ускоряясь между корпусом поз. 4 и замкнутым контуром поз. 12, отбрасываются из ЛРДЭУРТ. Электроны с анодной поверхности поз. 11 по проводнику поз. 13 переходят на замкнутый контур поз. 12 и через проводник поз. 16 на нейтрализатор поз. 15 (для сброса избыточных электронов). Благодаря выбросу ускоренных положительных ионов водорода H, возникает сила тяги ЛРДЭУРТ.
На фиг. 6 показан вариант предлагаемого устройства подобный, тому который показан на фиг. 5, но в котором введено дополнительное зеркало поз. 17 и электромагнит поз. 18, включенный последовательно между проводниками поз. 8 и 19. Электромагнит поз. 18 представляет собой электромагнитную катушку, а зеркало поз. 17 имеет такое же строение что и зеркало поз. 10.
Данный вариант ЛРДЭУРТ работает аналогично тому варианту, который показан на фиг. 5. Отличие заключается в том, что на предлагаемое устройство подается одно излучение малой плотности, которое через окно поз. 9 попадает на катодную поверхность поз. 7 и при этом часть энергии излучения переходит в кинетическую энергию выбиваемых электронов, а другая часть, отражаясь от катодной поверхности поз. 7, попадает на зеркало поз. 17 и далее на зеркало поз. 10 и через линзу поз. 5 на РТ. Электрический ток, протекающий через проводники поз. 8, 19 проходит через электромагнит поз. 18, который создает вокруг себя магнитное поле такой величины и направлений линий магнитной индукции, что электроны, вылетающие с катодной поверхности поз. 7 устремляются на анодную поверхность поз. 11. Назначение электромагнита поз. 18 заключается в том, что магнитное поле, не изменяя энергию вылетающих с катодной поверхности электронов, изменяет их направления в сторону анодной поверхности поз. 11. В противном случае, при отсутствии электромагнита поз. 18, электроны с катодной поверхности поз. 7 устремились бы на зеркало поз. 17. Можно было бы анодную поверхность поз. 11 совместить с зеркалом поз. 17, но при этом может снизиться мощность переотражаемого зеркалом поз. 17 светового потока в сторону зеркала поз. 10. Остальные части устройства работают как в устройстве, показанном на фиг. 5. Такая схема предлагаемого устройства более сложная в сравнении со схемами, показанными на фиг. 4 и 5, но при этом она более экономичнее их, т.к. вместо двух излучений малой плотности на устройство направляется одно излучение малой плотности. В остальном текст описания работы предлагаемого устройства, показанного на фиг. 5, применим к описанию устройства показанного на фиг. 6.
1. Ф.В. Бункин, A.M. Прохоров. Использование лазерного источника энергии для создания реактивной тяги. Успехи Физических Наук, т. 119, вып. 3, стр. 425-446, 1976 г.
2. Ю.П. Райзер. Непрерывный оптический разряд-поддержание и генерация плотной низкотемпературной плазмы лазерным излучением. Соровский образовательный журнал, №3, 1996. С. 87-94.
3. «Энциклопедия "Космонавтика"», под редакцией В.П. Глушко. Москва. "Советская Энциклопедия", 1985.
2
4. Малов А.Н., Оришич A.M., Бобарыкина Т.А., Чиркашенко В.Ф. Исследование оптического разряда и поглощения энергии мощного импульсно-периодического СО-лазера в сверхзвуковой струе воздуха. Оптика атмосферы и океана, 25, №3 (2012). С. 244-249.