Лазерный ракетный двигатель

Полезная модель относится к технике создания ракетных двигателей и может быть использована для орбитальных и аэрокосмических аппаратов и позволяет существенно увеличить удельный импульс и КПД лазерного ракетного двигателя. Лазерный ракетный двигатель включает систему поворотных зеркал (1), фокусирующую линзу (2), камеру поглощения (3), систему охлаждения и подвода рабочего тела (6) и сверхзвукового сопла (7). В фокусе длиннофокусной линзы и последовательно по оси луча расположены, по меньшей мере, два конца проволоки (4) из легкоионизируемого металла, которые снабжены системой их непрерывной подачи (5) в зону непрерывного оптического разряда. Лазерный луч, генерируемый независимым источником постоянного лазерного излучения, попадая на систему поворотных и фокусирующих зеркал (1), поступает на длиннофокусную линзу (2), фокусирует в камере поглощения (3) лазерный луч на поверхность легкоионизируемой металлической проволоки (4), которая служит для увеличения коэффициента поглощения лазерного излучения и лучшей инициации непрерывного оптического разряда (НОР). Плазменный след по оси первого НОР, попадая на металлические проволоки (4), инициирует возникновение последующих НОР. Стабилизация и поддержание нескольких НОР в камере за период работы ЛРД осуществляется системой непрерывной подачей (5) источников ионов металла (проволоки) в зону НОР. Рабочее тело из в системе (6) охлаждения и подачи рабочего тела нагревается, обтекая плазменные ядра и истекая из сверхзвукового сопла (7), создает тягу ЛРД.

Полезная модель относится к технике создания ракетных двигательных установок и может быть использована для орбитальных и аэрокосмических аппаратов.

Известен способ создания непрерывного оптического разряда (НОР) в газовой среде за счет концентрации излучения короткофокусной оптической системой (патент РФ2326263 МПК H05SH 1/24, опубл. 14.05.2007). Однако в данном способе создается только один непрерывный оптический разряд (НОР), что приводит к частичному выделение энергии лазерного излучения в камере и малому значению относительной величины объема тепловыделения НОР к объему камеры.

Известен лазерный ракетный двигатель (ЛРД) и способ организации рабочего процесса в нем (патент US 4036012, МПК Н05Н 1/24, опубликованный 17.07.1977), наиболее близкий по технической сущности к заявляемому и принятый за прототип. Лазерный ракетный двигатель (ЛРД) 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. Лазерный луч, попадая в 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 инициации оптического разряда и образования плазменного ядра, нагрев рабочего тела, которое обтекает плазменное ядро и истекает из сверхзвукового сопла, образуя плазменную струю. В известном техническом решении охлаждение осуществляется регенеративным путем, при помощи жидкого водорода, поступающего в рубашку охлаждения из баллонов.

Однако при длиннофокусной оптической системе достаточно сложно инициировать НОР, в связи с тем, что лазерный луч, представляющий собой кольцевое энергетическое образование имеет фокус, который растянут по оси луча, уменьшая концентрацию энергии лазерного излучения, что приводит к низкой эффективности стабилизации плазмы в приосевой области и низкому коэффициенту поглощения рабочим телом (водородом) энергии лазерного излучения, с, следовательно, к снижению удельного импульса, открытое газодинамическое сопло делает невозможным использование двигателя в космосе.

Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении удельного импульса и увеличении ресурса работы ЛРД.

Технический результат достигается тем, что в лазерном ракетном двигателе, содержащем систему поворотных и фокусирующих зеркал, камеру поглощения с фокусирующей линзой, сопло, систему охлаждения и подвода рабочего тела в камеру поглощения, новым является то, что в фокусе длиннофокусной линзы и последовательно по оси камеры поглощения расположены, по меньшей мере, два конца проволоки из легкоионизируемого металла для увеличения коэффициента поглощения лазерного луча.

Лазерный ракетный двигатель снабжен системой непрерывной подачи проволоки из легкоионизируемого металла в камеру поглощения по ее оси в зону непрерывного оптического разряда.

Сущность предлагаемой полезной модели представлена на фигурах.

На фиг.1 представлена общая схема создания нескольких НОР в камере ЛРД с длиннофокусной оптической системой.

На фиг.2 представлены экспериментально полученные многофокусные образования при мощности подводимого лазерного излучения 8 кВт.

Лазерный ракетный двигатель включает: систему поворотных и фокусирующих зеркал - 1; длиннофокусную линзу - 2; камеру поглощения - 3; проволоки из легкоионизируемого металла - 4; систему подачи проволоки - 5; тракт охлаждения - 6; сверхзвуковое сопло - 7.

При использовании в ЛРД в качестве источника энергии для нагрева рабочего тела оптического разряда, основной причиной интенсивного роста температуры стенок камеры поглощения, сопла и других элементов конструкции является лучистое излучение, что связано с высокой температурой рабочего тела (15000-20000 К) в ядре разряда. Увеличить энерго- вклад в рабочее тело ЛРД и снизить потери на излучение можно путем организации в камере множественных плазменных образований

При длиннофокусной оптической системе в первом НОР, который инициируется в фокусе линзы, выделяется не более 50% энергии лазерного излучения. При расположении в следе плазмы по оси за первым НОР нескольких источников ионов металла инициируются новые НОР, в которых реализуется основная часть лазерной энергии. Рабочее тело по тракту охлаждения 6 попадает в камеру поглощения, омывая и охлаждая оптическую линзу, нагреваясь и обтекая плазменные ядра НОР, истекает из сверхзвукового сопла 7, создает тягу ЛРД.

Лазерный ракетный двигатель содержит: систему зеркал - 1; длиннофокусную линзу - 2, в фокусе которой и последовательно на оси луча в камере поглощения 3 расположены концы проволок из легкоионизируемого металла 4, подачу которых обеспечивает механизм подачи 5, тракт охлаждения 6 передает тепло от стенок камеры рабочему телу; сверхзвуковое сопло - 7.

Работает лазерный ракетный двигатель следующим образом. Лазерный луч, генерируемый независимым источником постоянного лазерного излучения, попадая на систему поворотных и фокусирующих зеркал 1, поступает на длиннофокусную линзу 2, которая фокусирует в камере поглощения 3 лазерный луч на поверхность легкоионизируемой металлической проволоки 4, которая служит для увеличения коэффициента поглощения лазерного излучения и лучшей инициации непрерывного оптического разряда (НОР). Плазменный след от первого НОР, попадая на металлические проволоки, расположенные последовательно по оси луча инициирует возникновение последующих НОР. Высокотемпературная плазма плавит и испаряет металл проволок, расположенных в фокусе линзы и последовательно по оси камеры поглощения, в связи с чем возникает необходимость постоянной подачи ионизирующего материала (проволок) в зону НОР при помощи системы подачи 5. Стабилизация и поддержание нескольких НОР в камере за период работы ЛРД осуществляется непрерывной подачей 5 источников ионов металла (проволоки) в зону НОР. Рабочее тело из тракта охлаждения 6 нагревается, обтекая плазменные ядра и истекая из сверхзвукового сопла 7, создает тягу ЛРД.

Предлагаемый ЛРД с созданием нескольких НОР в камере поглощения существенно увеличивает передачу энергии от лазерного излучения рабочему телу, в результате чего значительно увеличивается тяга, удельный импульс и КПД, а также увеличивается ресурс работы ЛРД.

1. Лазерный ракетный двигатель, включающий источник лазерного излучения, систему поворотных и фокусирующих зеркал, камеру поглощения с фокусирующей линзой, сопло, систему подвода рабочего тела в камеру поглощения, отличающийся тем, что в фокусе длиннофокусной линзы и последовательно по оси камеры поглощения расположены, по меньшей мере, два конца проволоки из легкоионизируемого металла.

2. Лазерный ракетный двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен системой непрерывной подачи проволоки из легкоионизируемого металла в камеру поглощения по ее оси.