Лазерный реактивный двигатель
LASER JET ENGINE

Изобретение относится к технике реактивных двигательных установок, в частности к созданию наноразмерных лазерных реактивных двигателей.
Способ лазерной тяги основывается на использовании энергии удаленного лазерного источника. Лазерное излучение, например, с поверхности Земли или спутника фокусируется на поверхности рабочего тела (мишени), испаряя и даже ионизируя часть материала, создаёт удельный импульс гораздо выше, по сравнению с классическими химическими, электротермическими и солнечными тепловыми ракетными двигателями. Особенностью процессов формирования лазерной тяги является то, что они возникают под воздействием интенсивного лазерного излучения. Обеспечение энергетической эффективности лазерной тяги и экономии топлива являются основной задачей в разработке современных лазерных систем реактивной тяги [Резунков, Ю.А. Лазерная реактивная тяга. Обзор исследований / Ю.А. Резунков // Оптический журнал. – 2007. – Т. 74, № 8. – С. 20–32]. Эффективность формирования тяги двигателя зависит от потерь передачи лазерной энергии к лазерному двигателю, эффективности фокусировки (концентрации) излучения на рабочее тело.
Известны различные конструкции лазерных двигателей как непрерывного, так и импульсно-периодического действия, например, [Ф.В. Бункин, А.М. Прохоров. Использование лазерного источника энергии для создания реактивной тяги // Успехи физических наук, 1976, 119,с.425–446; Патент США 4036012, МПК H05H 1/24]. Лазерный двигатель содержит лазер с источником питания, зеркальный объектив в виде системы поворотных и фокусирующих зеркал и рабочее тело в виде сверхзвуковой струи водорода, разогреваемого лазерным излучением и истекающего из сопла.
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 инициирования оптического разряда и образования плазменного ядра, нагрев рабочего тела, которое обтекает плазменное ядро и истекает из сверхзвукового сопла, образуя реактивную струю.
Известен лазерный двигатель [Патент США 6488233, МПК B64C 39/00], состоящий из источника импульсно-периодического инфракрасного излучения, размещенную около источника излучения формирующую оптику для согласования апертуры лазерного пучка с габаритами оптического концентратора и формирования плоского фронта излучения, концентратор излучения в виде внеосевого короткофокусного параболоида, сопло в виде двух частей, одна из которых  является внутренней частью сопла с центральным телом и представляет собой сам концентратор излучения, а вторая – внешняя часть сопла – представляет собой  кольцевой раструб.
Работа двигателя происходит следующим образом. От лазерного источника пучок проходит через формирующую оптику и попадает на главное фокусирующее зеркало – внеосевой параболоид. После отражения от него пучок фокусируется на кольцевом раструбе, в результате чего происходит пробой в рабочей среде вблизи поверхности раструба. Возникающая расширяющаяся плазма приводит к образованию ударных волн и спутных потоков за ними, в результате чего происходит выброс газа из сопла и создается тяга.
Известен лазерный реактивный двигатель [В.П. Агеев, А.И. Барчуков, Ф.В. Бункин, В.И. Конов, В.М. Прохоров, А.С. Силенок, Н.И. Чаплиев. Лазерный воздушно-реактивный двигатель // Квантовая электроника, т.4, № 12, 1977, с. 2501-2513], который включает в себя лазерный источник излучения, формирующую оптику для доставки излучения к оптическому концентратору, оптический концентратор излучения и совмещенное с ним сопло в виде параболоида вращения.
Энергия лазерного излучения собирается фокусирующим элементом в малый объем, ограниченный дифракционным пределом фокусирующего объектива, чтобы вызвать оптический пробой газа, заполняющего рабочую камеру лазерного двигателя. Развивающаяся в фокальной области искра возбуждает в газе ударную волну. Газовый поток, порожденный ударной волной, покидает через открытый срез камеру «сгорания».
Недостатком известных устройств является недостаточная концентрация лазерного излучения на рабочем теле лазерного реактивного двигателя, ограниченная размером области фокусировки и большие габариты двигателя, обусловленные габаритами фокусирующей системы.
Из технической литературы известно, что невозможно получить сфокусированный пучок с размером перетяжки (в поперечном относительно направления распространения излучения) размером меньше дифракционного предела (в работе [J.Barton, D. Alexander. Fifth-order corrected electromagnetic field components for a fundamental Gaussian beam // J. Appl. Phys. 66, 2800-2802 (1989)] показано, что Гауссовский пучок не может быть сфокусирован в поперечную область с размером перетяжки меньше 1,6 длины волны используемого излучения).
Невозможность сфокусировать свет в свободном пространстве в пятно с размерами меньше некоторого дифракционного предела следует и из соотношения типа соотношения неопределенностей Гейзенберга [Minin I.V., Minin O.V. Experimental verification 3D subwavelength resolution beyond the diffraction limit with zone plate in millimeter wave // Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 56, No. 10, October 2014, 2436-2439].
Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) электромагнитного поля с помощью оптических систем [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970]:
-1
h=2,44 лFD,
где л - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы оптической системы, F - фокусное расстояние оптической системы.
2
Размер продольной полуоси эллипсоида области фокусировки излучения примерно равен 8л(F/D)[Борн М. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973].
Известен лазерно-плазменный двигатель [Патент США 6530212, МПК F02K 11/00, H05H 1/24], состоящий из источника питания, лазера, электрически связанных между собой, объектива и рабочего тела в виде ленты из абляционного материала.
Известен аэрокосмический лазерный реактивный двигатель (патент РФ 2266420, МПК F02K7/00, F24J2/06, B64G1/26), содержащий источник импульсно-периодического лазерного излучения, оптический узел с двухзеркальным концентратором излучения и отражателями, выполненными в форме параболического зеркала при совмещении их фокальных областей, систему формирования плоского фронта излучения и соосный концентратору газодинамический узел, состоящий из приемника импульса давления и реактивного сопла.
Известен лазерно-плазменный двигатель [Патент РФ 2338918, МПК F02K11/00], состоящий из источника питания и лазера, электрически связанных между собой, объектива и рабочего тела из абляционного материала в виде цилиндрического стержня, снабженного системой перемещения рабочего тела вдоль и вокруг оси симметрии, с продольным шагом перемещения не более диаметра лазерного пятна.
Недостатком известных устройств является недостаточная концентрация лазерного излучения на рабочем теле лазерного реактивного двигателя, ограниченная размером области фокусировки и большие габариты двигателя, обусловленные габаритами концентратора излучения.
Наиболее близким устройством к заявляемому лазерному реактивному двигателю и  принятым за прототип, является лазерный реактивный двигатель, состоящий из лазерного источника излучения, формирующей оптики для доставки излучения к оптическому концентратору, оптический концентратор излучения для приема лазерного излучения и его фокусировки на рабочем теле, системы хранения рабочего вещества и его подвода в область взаимодействия с лазерным излучением [Nebolsine P.E., Pirri A.N. Laser propulsion: The early years // AIP Conference Proceedings. 2003. Vol. 664. – P. 11-21].
Недостатком лазерного реактивного двигателя является недостаточная концентрация лазерного излучения на рабочем теле лазерного реактивного двигателя, ограниченная размером области фокусировки и большие габариты двигателя, обусловленные габаритами оптического концентратора излучения.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно создание лазерного реактивного двигателя с высокой эффективностью концентрации излучения на рабочем теле и уменьшение габаритов двигателя, обусловленные габаритами оптического концентратора излучения.
Указанная задача решена благодаря тому, что в лазерном реактивном двигателе, содержащем лазерный источник излучения, формирующую оптику, оптический концентратор излучения, рабочее тело, системы хранения рабочего вещества (тела) и его подвода в область взаимодействия с лазерным излучением, новым является то, что оптический концентратор излучения выполнен в виде устройства формирующего фотонную струю.
Преодолеть дифракционный предел в оптике и увеличить концентрацию (интенсивность) излучения в области фокусировки можно различными способами, например с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006)). Поперечный размер фотонной наноструи составляет 1/3…1/4 длины волны излучения, что меньше дифракционного предела классической линзы.
http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook
При этом формировать локальные области концентрирования электромагнитной энергии вблизи поверхности диэлектрических частиц возможно с помощью частиц различной формы, например, в форме сферы, куба, пирамиды, при облучении их электромагнитной волной с плоским волновым фронтом и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016, ].
Устройства формирования фотонной струи могут работать в режиме как на «просвет», так и отражение падающего излучения [I.V.Minin and O.V.Minin.Photonics of isolated dielectric particles of arbitrary three-dimensional shape - a new direction in optical information technology // Vestnik NGU. Ser. “information technology”, №4, 2014; I.V. Minin, O. V. Minin, V. Pacheco-Pena, M. Beruete. Localized photonic jets from flat, three-dimensional dielectric cuboids in the reflection mode. // Optics Letters, June 1, 2015  No. 40(10), pp. 2329-2332; Minin I.V., Minin O.V., Kharitoshin N.A. Localized high field enhancements from hemispherical 3D mesoscale dielectric particles in the reflection mode // Proc. 16th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM) June 29 - July 3, 2015;Патент РФ 182549, Патент РФ 160834].
Таким образом, устройства формирующие фотонную струю, производят фокусировку падающего излучения в пределах субволнового объема. На основании этого эффекта возможно повысить концентрацию лазерного излучения на рабочем теле лазерного реактивного двигателя.
В результате проведенных исследований было обнаружено, что диэлектрические мезочастицы, например, в форме куба или сферы с характерным размером не менее л/2, где л - длина волны используемого излучения, с коэффициентом преломления материала, лежащим в диапазоне от 1,2 до 1,7, при их облучении электромагнитной волной со сферически сходящимся волновым фронтом или плоским фронтом, формируют на их внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения локальную область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка л/3-л/4 и протяженностью не более 10л, при этом эффект формирования локальной области повышенной интенсивности излучения непосредственно на границе частицы сохраняется в широком диапазоне углов падения излучения, ±порядка 45°.
Для устройства формирования фотонной струи (диэлектрической частицы) с характерным размером порядка длины волны излучения интенсивность оптического излучения в области фотонной струи превосходит падающую интенсивность изучения примерно в 7-8 раз, для частицы с характерными размерами порядка двух длин волн - примерно в 20 раз. Для частиц большего размера величина этого отношения увеличивается еще сильнее.
Заявляемый лазерный реактивный двигатель обладает совокупностью существенных признаков, неизвестных из уровня техники для изделий подобного назначения и из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки на изобретение.
На Фиг. 1 приведена блок-схема устройства лазерного реактивного двигателя.
Обозначения: 1 – лазерный источник излучения, 2 – формирующая оптика, 3 – оптическое устройство формирования фотонной струи, 4 – фотонная струя, 5 – рабочее тело, 6 – система хранения рабочего тела и его подвода в область взаимодействия с фотонной струей.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Лазерный источник излучения 1 облучает формирующую оптику для доставки оптического излучения к оптическому устройству формирования фотонной струи 3. Сформированная фотонная струя 4 облучает рабочее тело 5 и  инициирует испарение материала рабочего тела (например, графита) с образованием плазменной струи, истекающей перпендикулярно его поверхности и обеспечивающего передачу рабочему телу 5 противоположно направленного реактивного импульса отдачи. Необходимое положение испаряющейся поверхности рабочего тела 5 относительно пятна фокусировки обеспечивается системой его хранения и его подвода 6 в область взаимодействия с фотонной струей 4.
В качестве материалов рабочего тела могут быть использованы различные газы, например, воздух, водород, жидкие и твердые материалы, например, металлы, полимеры [Патенты: JP 2008038638, JP 8049493, JP 10300468, US 3825211, Ю.А. Резунков. Лазерная реактивная тяга // Изв. Вузов. Приборостроение, 2011. Т. 54, № 2, с. 1-13; E. Yu. Loktionov, A. V. Ovchinnikov, Yu. S. Protasov, Yu. Yu. Protasov, D. S. Sitnikov, Gas-plasma flows under femtosecond laser ablation for metals in vacuum // High Temperature, 52:1 (2014), 132–134; E. Yu. Loktionov, A. V. Ovchinnikov, Yu. S. Protasov, Yu. Yu. Protasov, D. S. Sitnikov, Efficiency of the conversion of radiation energy into kinetic energy of a gas-plasma flow during femtosecond laser ablation of metals in vacuum // High Temperature, 51:6 (2013), 867–869; Локтионов Е. Ю., Протасов Ю. С., Протасов Ю. Ю. Экспериментальное исследование эффективности генерации импульса отдачи при ближней инфракрасной фемптосекундной лазерной абляции тугоплавких металлов в вакууме // Оптика и спектроскопия. – 2013. – т. 115, № 5. - С. 849-855; Протасов Ю. С., Протасов Ю. Ю. Исследование и разработка космических лазерных микродвигателей. Ч. 1. О тягово-энергетических характеристиках лазерных двигателей  эрозионного типа // Известия высших учебных заведений. Машиностроение, № 5, 2002, с. 35-40; Е.Ю. Локтинов, Ю.С. Протасов, Ю.Ю. Протасов, В.Д. Телех. Об эффективности лазерной абляции композиций в жидком и отвержденном состояниях // Оптика и спектроскопия. 2015, т. 118, № 2, с. 317-321].
Предлагаемый лазерный реактивный двигатель обладает высокой эффективностью субволновой концентрации оптического излучения на рабочем теле и меньшими габаритами двигателя, обусловленные габаритами оптического концентратора излучения на основе устройства формирования фотонной струи.