СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В ЛАЗЕРНОМ РАКЕТНОМ ДВИГАТЕЛЕ И ЛАЗЕРНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
LASER ROCKET ENGINE AND METHOD OF ITS OPERATION

Изобретение относится к реактивным двигателям летательных аппаратов, преимущественно орбитальных и аэрокосмических аппаратов.
Известен лазерный ракетный двигатель (ЛРД) (патент RU №2266420, МПК F02K 7/00, F24J 2/06, B64G 1/26, опубл. 20.12.2005), который содержит источник импульсно-периодического лазерного излучения, оптический узел с концентратором излучения и отражателями, систему формирования плоского фронта излучения и соосный концентратору газодинамический узел. Формирующая система осуществляет прием и согласование апертуры лазерного пучка с габаритами оптического узла. Первый отражатель концентратора выполнен в форме конусообразной фигуры вращения с образующей поверхности в виде части короткофокусной параболы. Газодинамический узел выполнен в виде приемника импульса давления, расположенного с тыльной стороны и на основании первого отражателя, а также реактивного сопла, установленного на расстоянии от основания и образующего щель для ввода лазерного излучения. Концентратор снабжен дополнительным отражателем, соосным первому отражателю и выполненным в форме фигуры вращения, образующая поверхности которой представляет собой дугу. Этот дополнительный отражатель размещен на пути фокусируемого первым отражателем пучка так, что фокальная область концентратора расположена в области указанной щели.
Известен лазерный ракетный двигатель и способ организации рабочего процесса в нем (патент US №4036012, МПК Н05Н 1/24, опубл. 19.07.1977), 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 рабочего процесса в двигателе осуществляется следующим образом. 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.
ω
Однако в известном лазерном ракетном двигателе происходит неполное поглощение подводимого лазерного излучения в плазме непрерывного оптического разряда. Известно (Райзер Ю.П. Непрерывный оптический разряд - поддержание и генерация плотной низкотемпературной плазмы лазерным излучением / Соросовский образовательный журнал, 1996, №3, с.87-94), что коэффициент поглощения света в плазме µ зависит от частоты волны, и при длине волны λ=10,6 мкм примерно 50% подводимого лазерного излучения проходит через плазму без поглощения, из поглощенной энергии лазерного излучения 20% теряется на переизлучение, и только 30% затрачивается на нагрев рабочего тела. Вследствие этого КПД лазерного ракетного двигателя составляет не более 30%.
Технический результат на достижение, которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении КПД лазерного ракетного двигателя.
Технический результат достигается тем, что в способе организации рабочего процесса в лазерном ракетном двигателе, включающем подачу в камеру поглощения рабочего тела, создание в ней плазменного ядра, путем фокусирования лазерного излучения и инициирования оптического разряда за счет поглощения лазерного излучения его непрерывную стабилизацию, нагрев рабочего тела, которое обтекает плазменное ядро и истекает из сверхзвукового сопла, образуя реактивную струю, новым является то, что прошедшее через плазму непоглощенное лазерное излучение перефокусируют в приосевую область камеры поглощения путем отражения от поверхности стенок дозвуковой части сопла.
Непоглощенное лазерное излучение перефокусируют в расположенное в приосевой области плазменное ядро непрерывного оптического разряда.
Непоглощенное лазерное излучение перефокусируют в приосевую область в зоне нагретого газа за плазменным ядром непрерывного оптического разряда и инициируют дополнительный оптический разряд.
В лазерном ракетном двигателе, содержащем систему отражающих зеркал, фокусирующую систему, камеру поглощения, систему подачи рабочего тела, сверхзвуковое сопло, тракт охлаждения, новым является то, что внутренняя поверхность дозвуковой части сопла выполнена вогнутой, из материала, отражающего лазерное излучение.
Фокусное расстояние вогнутой отражающей поверхности дозвуковой части сопла равно фокусному расстоянию фокусирующей системы.
Фокусное расстояние вогнутой отражающей поверхности дозвуковой части сопла меньше фокусного расстояния фокусирующей системы.
Сущность способа заключается в фокусировании лазерного излучения в камеру лазерного ракетного двигателя и поглощение его в непрерывном оптическом разряде, а прошедшее через плазму непоглощенное лазерное излучение возвращается обратно в зону оптического разряда либо за ней отражающей поверхностью стенок дозвуковой части сопла.
На фиг.1 изображена схема лазерного ракетного двигателя с фокусным расстоянием отражающей поверхности дозвуковой части сопла, равной фокусному расстоянию фокусирующей системы.
На фиг.2 изображена схема лазерного ракетного двигателя с фокусным расстоянием отражающей поверхности дозвуковой части сопла, меньше фокусного расстояния фокусирующей системы.
Лазерный ракетный двигатель содержит систему отражающих зеркал 1, фокусирующую систему 2, камеру поглощения 3, вогнутую отражающую поверхность в дозвуковой части сопла 4, сверхзвуковое сопло 5 и тракт охлаждения 6.
Лазерный ракетный двигатель работает следующим образом. Лазерное излучение, отражаясь от системы зеркал 1, с помощью фокусирующей системы 2 фокусируется в камере поглощения 3, куда подается рабочее тело и аэрозоль раствора с солями щелочных металлов для инициирования оптического разряда, в котором часть поступающего лазерного излучения поглощается в процессе, обратном тормозному излучению. Прошедшее без поглощения сквозь плазму лазерное излучение перефокусируют в приосевую область камеры поглощения путем отражения от поверхности стенок дозвуковой части сопла.
При этом фокусное расстояние отражающей поверхности дозвуковой части сопла выбирают в зависимости от интенсивности поступающего лазерного излучения.
В случаях, когда интенсивность части лазерного излучения, которая прошла сквозь плазму непрерывного оптического разряда без поглощения, меньше порогового значения пробоя оптического разряда для применяемого вида рабочего газа, непоглощенную часть излучения возвращают в зону оптического разряда, при этом фокусное расстояние отражающей поверхности дозвуковой части сопла должно быть равно фокусному расстоянию основной фокусирующей системы:
осн
доп
1
где F- фокусное расстояние основной фокусирующей системы; F - фокусное расстояние вогнутой отражающей поверхности дозвуковой части сопла; l=0,9-1,1 - поправка к фокусному расстоянию вогнутой отражающей поверхности дозвуковой части сопла, необходимая для случая, когда положение непрерывного оптического разряда (НОР) может сместиться от фокуса основной фокусирующей системы на небольшое расстояние. В этом случае прошедшее без поглощения через плазму лазерное излучение возвращается обратно в зону оптического разряда отражающей поверхностью 4 вогнутых стенок дозвуковой части сопла и поглощается плазмой образованной непрерывным оптическим разрядом. Тем самым происходит уменьшение потерь лазерной энергии. К тому же дополнительное поступление лазерного излучения, направленного противоположно основному направлению излучения со стороны дозвуковой части сопла, приводит к увеличению размеров плазмы оптического разряда. А увеличение размеров непрерывного оптического разряда (НОР) позволяет холодному газу отбирать больше тепла от горячей плазмы, то есть интенсифицировать теплообмен между непрерывным оптическим разрядом (НОР) и рабочим газом, что приведет к увеличению удельного импульса.
В случаях, когда интенсивность части лазерного излучения, которая прошла сквозь плазму непрерывного оптического разряда без поглощения, больше порогового значения пробоя оптического разряда для применяемого вида рабочего газа или близка к нему, не поглощенную часть излучения направляют в зону за оптическим разрядом, при этом фокусное расстояние отражающей поверхности дозвуковой части сопла должно быть меньше фокусного расстояния основной фокусирующей системы:
осн
доп
2
где F- фокусное расстояние основной фокусирующей системы; F - фокусное расстояние вогнутой отражающей поверхности дозвуковой части сопла; l=0,1-0,8 - поправка к фокусному расстоянию вогнутой отражающей дозвуковой части сопла, выбирается из условия надежного инициирования и непрерывного поддержания оптического разряда. В этом случае прошедшее без поглощения через плазму лазерное излучение перефокусируют в приосевую область в зоне нагретого газа за плазменным ядром непрерывного оптического разряда и инициируют дополнительный оптический разряд. Процесс инициирования дополнительного оптического разряда происходит в нагретом рабочем газе, движущемся со стороны основного оптического разряда, содержащем ионы и свободные электроны, снижающие порог пробоя оптического разряда. Известно, что непрерывный оптический разряд имеет тенденцию движения в направлении подвода лазерного излучения, при этом газодинамическая стабилизация невозможна, так как направление движения рабочего газа способствует движению дополнительного НОРа в сторону подвода лазерного излучения (в сторону дозвуковой части сопла), что может привести к его «сдуванию». Поэтому для решения данной проблемы фокусное расстояние вогнутой отражающей поверхности дозвуковой части сопла должно выбираться из условия электродинамической стабилизации дополнительного непрерывного оптического разряда (патент RU №2250530 С2, МПК H01J 27/24. Лазерно-плазменный источник ионов и излучения / Козлов Г.И; патентообладатель Институт проблем механики Российской Академии наук. - №2003118704/28; заявл. 25.06.2003. опубл.):
-1
здесь µ - коэффициент поглощения плазмы на длине волны лазерного излучения, м; r - радиус поперечного сечения лазерного пучка в том месте, где локализуется. НОР; α - полуугол схождения сфокусированного лазерного пучка. Соблюдение этого условия в дополнение к условию (2) позволит непрерывно поддерживать дополнительный оптический разряд в режиме электродинамической стабилизации, при этом движущийся со стороны основного непрерывного оптического разряда нагретый газ будет дополнительно нагреваться, обтекая дополнительный непрерывный оптический разряд, что приведет к увеличению удельного импульса.
Таким образом, возвращение обратно в зону оптического разряда либо за ней прошедшего через плазму непоглощенного лазерного излучения, путем отражения его поверхностью стенок дозвуковой части сопла, приводит к увеличению удельного импульса и, следовательно, повышению КПД лазерного ракетного двигателя.
Для охлаждения стенок камеры лазерного ракетного двигателя 4 и для газодинамической стабилизации непрерывного оптического разряда 5 может использоваться рабочее тело, например водород, протекающий по тракту охлаждения 8, и, нагреваясь, в плазме непрерывного оптического разряда 5 истекает, ускоряясь в сверхзвуковом сопле 7, образуя реактивную струю.