О системах подачи рабочего вещества в импульсных лазерных микроинжекторах

О системах подачи рабочего вещества в импульсных лазерных микроинжекторах Гайворонский И. А. , Анищенко Ю. В.

1Гайворонский Илья Алексеевич / Gaivoronskiy Ilya Alexeevich - бакалавр техники и технологии, магистрант;

2.Анищенко Юлия Викторовна /Anishchenko Yuliya Viktorovna - студент, кафедра плазменных энергетических установок,

Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, г. Москва

Аннотация: в работе предложена классификация систем подачи рабочего вещества в импульсных лазерных микроинжекторах, сформулированы требования к системам подачи, проведен анализ их соответствия выработанным требованиям. Проведено экспериментальное изучение работы пьезоэлектрической системы подачи жидкостей с точки зрения массового расхода и удельного импульса отдачи.

Ключевые слова: лазерный микроинжектор, лазерный микродвигатель, система подачи рабочего вещества, пьезоэлектрическая система.

Как известно, лазерно-стимулированные процессы фазовых переходов «твердое тело - пар», их динамика - помимо общефизического представляют и несомненный практический технологический интерес, что связано с исследованиями и разработками устройств и систем фотонных технологий (формообразования и модификации поверхностей) и фотонной энергетики - конверторов мощного лазерного излучения в кинетическую энергию (лазерных двигателей) и электрическую энергию, систем активной теплозащиты летательных аппаратов и др.

С развитием лазерной техники начали рассматриваться возможности использования оптических генераторов для создания реактивной тяги. Идея применения лазерных источников излучения в ракетостроении была сформулирована в работе [1] и получила развитие в большом количестве работ как у нас в стране, так и за рубежом (см., к примеру, [2-5]). Ввиду отсутствия мощных и компактных устройств, на начальных этапах рассмотрения задачи лазерного ускорения изучались системы, использующие установки наземного базирования с прохождением излучения на орбиту сквозь атмосферу Земли. Такие системы были чрезвычайно сложными и дорогими, а факт прохождения излучения сквозь атмосферу значительно усложнял наведение луча на цель и выбор оптимальных параметров работы установки. Вместе с тем считалось перспективным использование таких систем [3] на всех стадиях космического полета: запуска летательного аппарата, выведения на расчетную орбиту и межпланетного полета. Такие установки на основе наземных лазеров являются чрезвычайно экономичными, поскольку на стадии запуска в качестве рабочего вещества используют атмосферный воздух, а в космосе они функционируют, имея на борту незначительный запас рабочего тела. Также стоит отметить их экологичность по сравнению с химическими двигателями.

На современном этапе исследований, с созданием мощных и компактных лазерных источников (волоконные и диодные лазеры), одной из практических задач, для решения которых могут использоваться лазерные системы реактивной тяги, является разработка системы управления, ориентации и стабилизации (далее - СУОС) низкоорбитальных спутников. Проектирование таких устройств связано с решением целого набора сложных инженерных задач. Одной из основных задач является создание надежной, эффективной и быстродействующей системы подачи топлива в сопло двигателя.

Требования к системам подачи рабочего вещества в импульсных лазерных ускорителях и микроинжекторах.

Задача создания эффективной и надежной системы подачи рабочего вещества в зону лазерного воздействия - одна из наиболее трудоемких в процессе проектирования энергодвигательных и технологических установок. Исходя из принципа работы импульсных лазерных микроинжекторов и микродвигателей, можно сформулировать ряд требований к этой системе.

Во-первых, требуется высокая точность ввода рабочего тела в зону фокусировки лазерного луча.

Падающий на поверхность рабочего тела луч с энергией Е нагревает некоторый слой д до температуры, превышающей температуру испарения данного материала (Рис.1). Из слоя 5 испаряется некоторое количество вещества массой m ’. Таким образом, после прохождения импульса поверхность испаряемого тела уходит из области фокусировки, и эффективность испарения существенно снижается, а, следовательно, нарушается рабочий режим всей установки. Поэтому необходима прецизионная подача рабочего вещества в зону фокусировки для каждого импульса.

Во-вторых, должны быть обеспечены высокая точность синхронизации работы системы подачи и лазера и необходимое быстродействие. Система подачи должна быстро реагировать на изменение параметров излучения (например, на изменение частоты следования импульсов), т. е. обладать низкой инерционностью, а также должна обеспечивать высокую скорость подачи рабочего вещества для реализации частотного режима следования импульсов. Например, для частоты источника излучения f=100Гц подающее устройство должно выполнять рабочий цикл за T=10'2c.

В-третьих, система должна обеспечивать высокий коэффициент использования рабочего тела. Пусть т' -масса испаренного вещества за один импульс излучения, тогда

N  т' - масса испаренного вещества за все время работы двигателя, где

N - количество произведенных импульсов. Если начальный запас топлива имел массу т, то коэффициент

_ _ N-rrn

использования рабочего тела будет равняться е =--.

В-четвертых, необходима высокая надежность и минимальные масса и габариты. Установка должна обеспечивать безотказную работу в течение заданного ресурса (в задачах коррекции орбит ЛА минимальный ресурс двигателя составляет 3000 часов).

Наиболее популярные схемы систем подачи можно классифицировать по агрегатному состоянию рабочего вещества. Это твердотельные и жидкостные системы. Для твердотельных устройств подачи отметим цилиндрическую систему с испарением рабочего тела с торцевой или боковой поверхностей и ленточную систему с испарением рабочего вещества с фронтальной и с обратной стороны ленты.

Для жидкостных систем подачи рассмотрим капиллярную и пьезоэлектрическую.

Системы подачи с твердым рабочим веществом.

Такие системы стали первыми, практически реализованными в экспериментах (см. [7, 8] и цитируемую там литературу). Их преимущество заключается в простоте реализации и достаточно высокой точности взаимодействия с источником излучения. Стандартизованность используемых приводов и микродвигателей для обеспечения движения подачи, а также сопутствующей элементной базы позволяет создавать автоматизированные и четко синхронизируемые устройства.

Одной из первых предложенных является схема, использующая в качестве топлива цилиндр, перемещаемый при помощи шагового двигателя в одном или нескольких направлениях. Идея такого устройства получила развитие и реализацию в работе [10] (Рис.2). Подача рабочего вещества 4 в нем осуществляется путем поступательного и вращательного перемещений цилиндра при помощи системы шаговых двигателей 6.

Рис. 2. Устройство лазерного микродвигателя с цилиндрической системой подачи 1 - источник питания, 2 - лазер, 3 - объектив, 4 - рабочее тело, 5 - вакуумное уплотнение, 6 - система

перемещения рабочего тела

Независимое продольное перемещение рабочего тела позволяет сместить пятно фокусировки лазерного излучения на боковую поверхность цилиндра и тем самым повернуть направление вектора тяги на 90 градусов. Такой управляемый поворот вектора тяги позволяет расширить функциональные возможности лазерно-плазменного двигателя. Недостатком такой схемы является напыление абляционного материала на элементы оптической системы и, как следствие, падение эффективности работы двигателя.

Экспериментальные данные для системы, работающей по рассмотренному выше принципу, получены в работе [2].

Экспериментальный стенд состоит из диодного лазера, оптической системы, лазерного микродвигателя и системы измерения импульса отдачи. Двигатель испытывается в двух режимах: режиме абляции и режиме лазерного поджига (Рис.3).

Рис. 3. Режим лазерной абляции и режим лазерного поджига

Рабочее вещество состоит из полимерного и пиротехнического материалов. Когда излучение воздействует на поверхность полимера, реализуется режим абляции. Когда лазерный луч попадает на поверхность пиротехнического материала, помещенного в специальные ячейки, происходит детонация; реализуется режим поджига.

Главная проблема подобных систем - запыление оптики продуктами абляции. В качестве вариантов решения было предложено несколько идей: увеличить фокусное расстояние оптической системы, либо использовать специальные защитные пленки или экраны. Также недостатками твердотельных систем подачи являются: малый запас рабочего вещества и низкий коэффициент его использования. Применение подвижных элементов для управления системой понижает ее ресурс. Основным преимуществом системы является вариативность использования разных режимов работы микродвигателя/микроинжектора и видов рабочих веществ. Это реализуется путем поступательного перемещения цилиндра вдоль оси симметрии (Рис.4).

Рис. 4. Цилиндрическая система подачи рабочего вещества

В работе [9] предложен лазерный двигатель, в составе которого используется мишенный узел в виде прозрачной ленты, на одну из сторон которой нанесено непрозрачное покрытие из рабочего вещества (Рис.5).

1 - источник питания лазера, 2 - диодный полупроводниковый лазер, 3 - линза, 4 - плазменный факел, 5 - пятно

фокусировки, 6 - лента, 7 - вектор тяги

При фокусировке лазерного излучения на покрытие происходит абляция рабочего вещества с образованием реактивной струи 4, направленной нормально к плоскости ленты 6. В результате абляции происходит распыление рабочего вещества, для непрерывного протекания процесса требуется перемещение ленты с помощью специального механизма. Необходимость использования лентопротяжного механизма является одним из недостатков данной системы, поскольку приводит к ухудшению массогабаритных характеристик двигателя. Как и стержневые системы, ленточные обладают высокой точностью подачи и синхронизации. Коэффициент использования рабочего вещества зависит от шага перемещения ленты. При оптимальном выборе шага, когда абляционная лунка предыдущего импульса не вносит искажения в направление и величину вектора тяги последующего, коэффициент использования вещества невысок.

Более совершенная ленточная схема была экспериментально проверена в работе [11]. В отличие от системы, показанной выше, данная лента может работать в двух режимах: «Reflection mode» и «Transmission mode» (Рис.6).

1 Вт лазерный диод

Рис. 6. Двухрежимная ленточная схема системы подачи

В режиме «R-mode» оптическая система и абляционная струя находятся в одной полуплоскости относительно поверхности ленты. В этом случае удается достичь высокого удельного импульса отдачи и импульса тяги. Недостатком этого режима, как и для системы, предложенной в [9], является неудачное расположение и неминуемое загрязнение оптики продуктами абляции.

Режим «T-mode» позволяет решить проблему расположения оптических элементов путем их вынесения за тыльную сторону аблируемой поверхности. Другая сложность, возникающая при подобной компоновке -выбор материала подложки ленты. Такая подложка должна быть оптически прозрачной для проходящего излучения. В работе [8] материалом для такой подложки был выбран каптон производства фирмы «Дюпонт», а в работе [9] - ацетатная пленка. Еще одним недостатком режима «T-mode» являются потери излучения при прохождении через подложку и, соответственно, снижение эффективности лазерной абляции. В качестве материала аблянта в обоих режимах использовались: полиметилметакрилат, ПВХ, алюминий, углерод, нейлон и др. [8-11].

Жидкостные системы подачи рабочего вещества.

Создание жидкостных систем подачи было обусловлено необходимостью миниатюризации микроинжекторов и лазерных двигателей, а также минимизации числа подвижных элементов для повышения надежности и ресурса работы систем. Большинство созданных на сегодняшний день подобных схем используют эффект капилляра для доставки жидкости из резервуара к зоне фокусировки лазерного излучения. Такая система, к примеру, предложена в работе [12] (Рис.7).

Рис. 7. Мишенный узел лазерно-плазменного двигателя 1 - капилляр мишенного узла, 2 - резервуар, 3 - рабочее вещество, 4 - лазерный луч, 5 - эрозионная лунка

Капилляр мишенного узла 1 соединен с резервуаром 2, заполненным рабочим веществом (жидкостью) 3, и имеет внутренний диаметр меньший, чем диаметр фокального пятна лазерного излучения 4, вызывающего абляцию и формирующего реактивную струю. В начальный период функционирования (приработка) происходит интенсивная эрозия торца капилляра с образованием эрозионной лунки 5. Внешний диаметр полностью сформированной лунки 5 равен диаметру фокального пятна, 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 ввиду отсутствия жидкости в лунке.

Недостатками жидкостных систем подачи является то, что жидкости обладают высоким линейным коэффициентом поглощения лишь на отдельных участках спектра, при их интенсивном испарении происходит образование капель, а также рассеяние части кинетической энергии абляционного потока и ударных волн в объеме [14].

Системы подачи жидкого рабочего вещества с использованием пьезоэлемента.

За основу системы подачи, использующей пьезоэлемент для доставки рабочего вещества в зону воздействия, можно взять принцип работы обыкновенного струйного принтера. Рассмотрим схему на Рис. 8:

1. Состояние перед началом работ

Пммимт

PjSpm ищсио

Юосгояние во время максимальной деформации

З.Состоякие покоя

*

4. Забор яещеспаю peupiyipi

Рис. 8. Схема пьезоэлетрической системы подачи

Перед началом работы система подачи находится положении 1. В положении 2 на пьезоэлемент подается напряжение, он деформируется, и в зоне воздействия образуется капля, которая далее подвергается воздействию лазерного импульса. Далее система, проходя через состояние покоя 3, производит забор жидкости из резервуара (состояние 4) путем обратной деформации пьезоэлемента. В качестве преимущества этой системы можно отметить высокое быстродействие, которое ограничено лишь быстротой работы пьезоэлемента (характерное время срабатывания порядка 10-3 с.), высокую точность подачи малых объемов жидкости, а также отработанность технологии пьезоматериалов. Различные варианты пьезоэлектрических устройств рассмотрены в работе [6].

Нами было проведено экспериментальное исследование эффективности пьезоэлектрической системы подачи при работе с жидкостями, обладающими различными плотностью и вязкостью.

Схема экспериментальной установки приведена на Рис. 10.

Рис. 10. Схема экспериментальной установки для исследования пьезоэлектрической системы подачи S1 - канал сигнала впускного клапана насоса, S2 - канал рабочей камеры насоса,

S3 - канал выпускного клапана насоса

В качестве изучаемых жидкостей были выбраны: дистиллированная вода, этиловый спирт и гель на спиртовой основе. Значения плотности и вязкости жидкостей приведены в таблице 1.

Таблица 1. Значения плотности и вязкости рассматриваемых веществ

Плотность, кг/м3 Вязкость, мПа*с

Вода дистиллированная 998 0,894

Спирт этиловый 789 1,074

Гель спиртовой 880 1,950

Каждая жидкость прокачивалась через систему в течение времени Т=100с. Расход жидкости измерялся каждые t = 10с. В качестве измерительного устройства использовались весы с точностью измерения 10"7кг. Полученные результаты представлены на Рис. 11.

Рис.11. Массовый расход рабочего вещества в пьезоэлектрической системе подачи а - дистиллированная вода, б - спиртовой гель, в - этиловый спирт

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что при работе с жидкостями разных вязкостей, находящихся в пределах допустимых значений для пьезоэлектрического насоса, расход не зависит от вязкости жидкости и определяется лишь плотностью.

Согласно Рис. 11, вязкость напрямую влияет на скорость выхода системы на рабочий режим. Для дистиллированной воды рабочий режим достигается спустя 40 с. с момента начала работы системы, для этилового спирта - через 60 с. для спиртового геля - через 80 с. Также стоит отметить, что с повышением вязкости жидкости повышаются силы поверхностного натяжения, следовательно при использовании вязких веществ минимизируется риск срыва капель и образования брызг, что повышает точность работы системы подачи.

Таким образом, для получения максимального массового расхода, в лазерно-плазменных микроинжекторах и микродвигателях рекомендуется применять жидкости с высокой плотностью и вязкостью, близкой к максимально допустимой для используемого пьезоэлектрического устройства.

Заключение.

Рассмотрены твердотельные и жидкостные системы подачи рабочего вещества в зону лазерного воздействия в энергодвигательных и технологических установках. Сформулированы требования к системам подачи. Соответствия устройств сформулированным требованиям представлены в таблице 2.

Для пьезоэлектрической системы подачи определены оптимальные режимы работы для получения оптимальных значений расхода жидкости и удельного импульса отдачи.

Таблица 2. Степень соответствия различных систем подачи сформулированным требованиям

^Требования Система подачи Точность ввода вещества в зону фокусировки Точность синхронизации системы с лазером Коэффициент использования рабочего тела Быстродействие системы Надежность Массогабаритные характеристики

Цилиндрическая система с торцевым испарением Высокая Высокая Средняя Высокая Средняя Низкая

Цилиндрическая система с испарением с боковой Высокая Высокая Высокая Высокая Низкая Низкая

поверхности

Ленточная система с фронтальным испарением Высокая Высокая Низкая- средняя Высокая Низкая Низкая

Ленточная система с тыльным испарением Высокая Высокая Низкая- средняя Высокая Средняя Низкая

Капиллярная система Высокая Низкая Средняя Низкая Высокая Высокая

Система с пьезоэлементом Высокая Высокая Высокая Высокая Высокая Высокая

Литература

1. Kantrowitz A. Propulsion to Orbit by Ground Based Lasers. // Astronautics and Aeronautics 10, 74 (1972).

2. Бункин Ф. В., Прохоров А. М. Использование лазерного источника энергии для создания реактивной тяги. // УФН. - 1976. - Т. 119 № 3.

3. Лобановский Ю. И. Концепция перспективной аэрокосмической транспортной системы. Препринт ЦАГИ, 95, 1994, 32 стр.

4. Агеев В. П., Барчуков А. И., Бункин Ф. В., Конов В. И., Прохоров A. М., Силенок А. С., Чаплиев Н. И. «Лазерный воздушно-реактивный двигатель», Квант. электрон., 4: 12 (1977), 2501-2513.

5. Ртп А. N., Wеiss R. F. AIAA Paper, No. 72-719 (1972).

6. Laser D. J., Santiago J. G. A review of micropumps. // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2004. V. 14, № 6. P. R 35.

7. Phipps C. R., Luke J. R. and McDuff G. G. «A Diode-laser-driven Microthruster», paper IEPC-01 - 220, 27th International Electric Propulsion Conference, Pasadena CA, October 15-19, 2001.

8. Phipps C. et al. «Review: Laser-Ablation Propulsion», Journal of Propulsion and Power, Vol. 26, No. 4, 2010, pp. 609-637.

9. Phipps C. R., Luke J. R., McDuff G. G. and Lippert T. «Laser Ablation Powered Mini-Thruster», SPIE Conference Proceedings, Vol. 4760, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, Bellingham, WA, 2002, pp. 833-842.

10. «Способ организации рабочего процесса в лазерном ракетном двигателе и лазерный ракетный двигатель». Патент РФ на изобретение № 2458248.

11. Koizumi K., Inoue T., Arakawa Y. and Nakano M. «Dual Propulsive Mode Microthruster Using a Diode Laser». Journal of Propulsion and Power, Vol. 21 (2005) No. 6, pp. 1133-1136.

12. Phipps C. R., Luke J. Laser plasma thruster. // Патент США US 6530212, F02K 11/00, H05H 1/24. - 2003.

13. Мишенный узел лазерно-плазменного двигателя. Патент РФ на полезную модель №: 129562 МПК F02K 99/00.

14. Sinko J. E., Pakhomov A. V. // Proc. AIP - 2008. - V. 997. - P. 195-208.