Лазерно-плазменный двигатель

Изобретение относится к области ракетной техники, в частности к реактивным двигателям, основанным на лазерной абляции и предназначенным для управления малыми космическими аппаратами. Предложен лазерно-плазменный двигатель, состоящий из источника питания и лазера, электрически связанных между собой, объектива и рабочего тела из абляционного материала. Рабочее тело двигателя выполнено в виде цилиндрического стержня, снабженного системой перемещения рабочего тела вдоль и вокруг оси симметрии, причем продольное перемещение осуществляется независимо от вращения вокруг оси симметрии, а минимальный шаг продольного перемещения не превышает диаметра лазерного пятна. Изобретение позволяет повысить надежность и увеличить ресурс работы лазерно-плазменного двигателя. 2 ил.

 

Изобретение относится к технике реактивных двигательных установок, в частности к созданию реактивных двигателей, основанных на лазерной абляции и предназначенных для управления малыми космическими аппаратами.

Известен лазерный двигатель [1], содержащий лазер с источником питания, зеркальный объектив и рабочее тело в виде сверхзвуковой струи водорода, разогреваемого лазерным излучением и истекающего из сопла.

Недостатком данного двигателя является громоздкость устройства из-за необходимости размещения рабочего тела (водород) в баллоне и невысокий ресурс работы, ограниченный емкостью баллона и низким коэффициентом поглощения лазерного излучения водородом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является лазерно-плазменный двигатель, состоящий из источника питания, лазера, электрически связанных между собой, объектива и рабочего тела в виде ленты из абляционного материала [2]. В процессе работы лента из абляционного материала перемещается поперек пятна лазерного облучения при посредстве механизма поперечной подачи ленты-мишени.

Недостатком данного устройства является невысокий ресурс работы и недостаточная надежность, обусловленные малой площадью ленты-мишени, используемой для испарения рабочего тела и образования плазмы, и необходимостью размещения механизма поперечной подачи ленты-мишени и кассеты с лентой в газовой среде, тогда как облучаемая часть ленты-мишени должна находиться в вакууме, на поверхности космического аппарата. Это приводит к противоречивым требованиям к механизму подачи ленты-мишени, к вакуумным уплотнителям места вывода ленты-мишени из корпуса, а также к прочностным и геометрическим характеристикам ленты-мишени [2-5].

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение ресурса работы, повышение надежности и расширение функциональных возможностей лазерно-плазменного двигателя.

Для выполнения поставленной задачи предложен лазерно-плазменный двигатель, состоящий из источника питания и лазера, электрически связанных между собой, объектива и рабочего тела из абляционного материала.

Новым, по мнению авторов, является то, что рабочее тело выполнено в виде цилиндрического стержня, снабженного системой перемещения рабочего тела вдоль и вокруг оси симметрии, причем продольное перемещение осуществляется независимо от вращения вокруг оси симметрии, а минимальный шаг продольного перемещения не превышает диаметра пятна пучка лазерного излучения на облучаемой поверхности.

Предлагаемое устройство изображено на фиг.1-2, где 1 - источник питания, 2 - лазер, 3 - объектив, 4 - рабочее тело, 5 - вакуумное уплотнение, 6 - система перемещения рабочего тела.

Устройство работает следующим образом. Генерируемое лазером излучение, фокусируясь на поверхности рабочего тела, инициирует испарение рабочего тела (например, графита) и образование плазменной струи, истекающей перпендикулярно его поверхности и обеспечивающей передачу рабочему телу противоположно направленного реактивного импульса отдачи. Однако воздействие сфокусированного лазерного излучения вызывает испарение рабочего тела, изменяющее положение испаряющейся поверхности относительно пятна фокусировка. Необходимое положение испаряющейся поверхности относительно пятна фокусировка обеспечивается системой перемещения рабочего тела вдоль и вокруг его оси симметрии, что обеспечивает полное и экономное использование рабочего тела, существенно повышающее ресурс работы лазерно-плазменного двигателя. Так как рабочее тело находится в открытом космическом пространстве (глубоком вакууме), а система перемещения рабочего тела представляет собой электронно-механический узел, то для повышения надежности работы и увеличения ресурса лазерно-плазменного двигателя используется вакуумное уплотнение места выхода рабочего органа системы перемещения из корпуса двигателя. По сравнению с известными [2] предлагаемое устройство имеет простую конфигурацию рабочего тела в виде цилиндра, имеющего возможность перемещаться вдоль и вокруг оси симметрии, причем продольное перемещение осуществляется независимо от вращения вокруг оси симметрии, что не вызывает трудностей с разработкой и изготовлением системы передачи механических перемещений со стороны механизмов, находящихся в герметизированной полости, к механизмам, расположенным в открытом космическом пространстве, и с герметизацией подвижных соединений. Кроме того, независимое продольное перемещение рабочего тела позволяет сместить пятно лазерного облучения на боковую поверхность рабочего тела и тем самым повернуть направление вектора тяги на 90 градусов относительно первоначального его положения (фиг.2). Такой управляемый поворот вектора тяги позволяет расширить функциональные возможности лазерно-плазменного двигателя и использовать один и тот же двигатель для решения двух задач: продольного перемещения космического аппарата и его поворота вокруг центра масс, что уменьшает количество потребных двигателей и, соответственно, массу системы управления космическим аппаратом, а также существенно повышает ее надежность.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает по сравнению с прототипом повышенный ресурс работы и более высокую надежность лазерно-плазменного двигателя, а также расширение его функциональных возможностей за счет использования рабочего тела в виде тонкого цилиндра (например, из углеродного композита), перемещаемого вдоль и вокруг оси специальной системой перемещения.

Используемая литература

1. Патент №4036012 США, Int. C1. H05H 001/24,1977.

2. Патент №6530212 США, Int. C1. F02K 011/00; H05H 001/24, 2003.

3. Бункин Ф.В., Прохоров A.M. Использование лазерного источника энергии для создания реактивной тяги. / Успехи физ. наук. - 1976. - Т. 119, №3. - С.425-446.

4. Pakhomov A.V., Gregory D.A. Ablative Laser Propulsion: An Advance Concert for Space Transportation. Young Faculty Research Proceeding, The University of Alabama in Huntsville. - 2000. - P.63-72.

5. Протасов Ю.С., Протасов Ю.Ю. Исследование и разработка космических лазерных микродвигателей. Ч. I. О тягово-энергетических характеристиках лазерных двигателей эрозионного типа // Изв. вузов. Сер. Машиностроение, 2002, №5, 35-40.

Лазерно-плазменный двигатель, состоящий из источника питания и лазера, электрически связанных между собой, объектива и рабочего тела из абляционного материала, отличающийся тем, что рабочее тело выполнено в виде цилиндрического стержня, снабженного системой перемещения рабочего тела вдоль и вокруг оси симметрии, причем продольное перемещение осуществляется независимо от вращения вокруг оси симметрии, а минимальный шаг продольного перемещения не превышает диаметра лазерного пятна.