Лазерно-плазменный микродвигатель
Полезная модель относится к области ракетной техники, в частности к реактивным двигателям микроньютоновского диапазона тяг, основанным на лазерной абляции и предназначенным для генерации тягового импульса в системах управления, ориентации и стабилизации нового класса малых космических аппаратов - микро- и наноспутников. Предложен лазерно-плазменный микродвигатель, состоящий из источника лазерного излучения, световода, подключенного через систему ввода излучения к источнику лазерного излучения, рабочего тела из абляционного материала в виде выходного конца световода с поглощающим энергию упомянутого источника лазерного излучения торцем и сопловой камеры с механизмом подачи световода. Выходной конец световода снабжен вакуумным уплотнением, а сопловая камера имеет полусферический рабочий профиль и приосевую трубку держателя конца световода. Кроме того, в качестве источника лазерного излучения используется твердотельный микролазер с модулированной добротностью и диодной накачкой. Полезная модель позволяет повысить надежность работы двигателя, обеспечивает упрощение его конструкции, способствует снижению потерь импульса отдачи. 1 ил.
Полезная модель относится к технике реактивных двигательных установок микроньютоновского диапазона тяг, основанных на лазерной абляции и предназначенных для управления нового класса малых космических аппаратов - микро- и наноспутников.
Известен лазерно-плазменный двигатель, состоящий из лазера с источником питания, объектива и рабочего тела из абляционного материала (Патент 
2338918 C1, МПК F02K 11/00, опубл. 20.11.2008). Рабочее тело двигателя выполнено в виде цилиндрического стержня, снабженного системой перемещения рабочего тела. В процессе работы поверхность цилиндрического стержня перемещается через пятно лазерного излучения, которое инициирует испарение материала рабочего тела и образование плазменной струи. Плазменная струя ориентирована перпендикулярно к поверхности стержня и обеспечивает передачу рабочему телу противоположно направленного реактивного импульса отдачи.
К недостаткам двигателя относится его малая надежность работы, связанная с необходимостью сохранения в открытом космосе (глубоком вакууме) единой оптической оси лазера, объектива и цилиндра рабочего тела. К недостаткам следует также отнести сложность системы перемещения рабочего тела, обеспечивающей независимые движения вдоль и вокруг оси симметрии цилиндрического стержня. Недостатком данного устройства является малая величина получаемого реактивного импульса отдачи, связанная с угловой ориентацией лазера и объектива относительно эродирующей поверхности рабочего тела и формируемой плазменной струи. Отсутствие сопловой камеры приводит к полусферической геометрии расширения паров абляционного материала, что снижает уровень развиваемого импульса отдачи.
Известен импульсный лазерно-плазменный микродвигатель, основанный на использовании твердотельного лазера с модулированной добротностью излучения и диодной накачкой, фокусирующего объектива с поворотным зеркалом и твердого рабочего тела из абляционного материала с узлом подачи (Новая концепция лазерно-плазменного микродвигателя /Ф.Н. Любченко, А.В. Феденев, Н.А. Босак и др. // Космонавтика и ракетостроение, 2009, 3). В конструкции микродвигателя получил применение волоконный световод, обеспечивающий транспортировку излучения накачки от диодной матрицы к лазерному кристаллу активной среды импульсного твердотельного лазера. Однако отсутствие световода для транспортировки излучения твердотельного лазера к поверхности рабочего тела приводит к усложнению оптической системы переноса излучения; снижает эффективность преобразования энергии лазерного пучка в кинетическую энергию реактивной струи; затрудняет применение профилированной мишенной или сопловой камеры.
Наиболее близким по конструкции и составу функциональных элементов к заявляемой полезной модели является устройство многоразового лазерного поджига топливных смесей в ракетных двигателях, включающее источник лазерного излучения, световод, подключенный через систему ввода излучения к источнику лазерного излучения, при этом выходной торец световода выполнен поглощающим энергию упомянутого источника лазерного излучения и снабжен механизмом подачи световода для повторного поджига топливной смеси в камере сгорания ракетного двигателя (Патент 2406863 C1, МПК F02K 9/95, опубл. 20.12.2010).
Особенностью устройства является возможность работы введенного в камеру сгорания выходного конца световода в режиме расходования массы, когда нагретый лазерным излучением выходной торец световода начинает гореть сам, разбрызгивая при этом раскаленные частицы своего вещества (кварца) и окружающего волокно металлического кожуха. Данный режим является прообразом рабочего процесса реактивного двигателя. Однако выходной конец световода располагается не на оси камеры сгорания и его горение не определяет развивающиеся в камере рабочие процессы формирования реактивной тяги.
К недостаткам устройства следует отнести непрерывный режим излучения применяемого источника в виде лазерной диодной матрицы, приводящий к быстрому разогреву не только поглощающего конца, но и всей длины световода. Для исключения перегрева как диодной матрицы, так и световода в целом потребовалось нанесение на поверхность световода горючего материала в виде термитной смеси, что усложняет конструкцию, делает ее пожароопасной.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение надежности работы лазерно-плазменного микродвигателя при упрощении его конструкции и снижении потерь импульса отдачи.
Для выполнения поставленной задачи предложен лазерно-плазменный микродвигатель, состоящий из источника лазерного излучения, световода, подключенного через систему ввода излучения к источнику лазерного излучения, рабочего тела из абляционного материала в виде выходного конца световода с поглощающим энергию упомянутого источника лазерного излучения торцем и сопловой камеры с механизмом подачи световода, согласно полезной модели, выходной конец световода снабжен вакуумным уплотнением, а сопловая камера имеет полусферический рабочий профиль и приосевую трубку держателя конца световода.
Кроме того, источник лазерного излучения выполнен в виде твердотельного микролазера с модулированной добротностью и диодной накачкой.
Новым в устройстве является то, что выходной конец световода снабжен вакуумным уплотнением, сопловая камера имеет полусферический рабочий профиль и приосевую трубку держателя конца световода, а в качестве источника лазерного излучения применен твердотельный микролазер с модулированной добротностью и диодной накачкой.
На чертеже представлена схема реализации предлагаемого устройства, где 1 - источник лазерного излучения, 2 - система ввода излучения в световод, 3 - световод, 4 - механизм подачи световода в сопловую камеру, 5 - вакуумное уплотнение, 6 - сопловая камера, 7 - приосевая трубка держателя конца световода.
Устройство работает следующим образом. Лазерное излучение от источника 1 подается через систему ввода излучения 2 в световод 3, где, взаимодействуя на выходе из световода с поглощающим излучение торцем, инициирует оптический пробой материала выходного конца световода как рабочего тела в сопловой камере 6 с формированием приосевой газово-плазменной струи, обеспечивающей передачу стенкам сопловой камеры 6 противоположно направленного реактивного импульса отдачи. Если в исходном состоянии торец световода 3 был покрыт светопоглощающим слоем, то после каждого последующего импульса пробоя материала световода выходной конец будет иметь восстанавливающийся поглощающий излучение торец, связанный с эрозионным уносом материала световолокна. Для обеспечения квазинепрерывного режима работы двигателя генерация импульсов излучения лазера 1 согласуется со скоростью работы механизма подачи 4 световода в сопловую камеру 6 для восстановления исходного положения поглощающего излучение торца световода 3 над срезом приосевой трубки 7 держателя конца световода.
Для повышения надежности работы двигателя, упрощения его конструкции сопловая камера с выходным концом световода как твердотельным рабочим телом, находящаяся в открытом космическом пространстве (глубоком вакууме), отделяется вакуумным уплотнением 5 от требующих специальной настройки электронно-механических узлов в виде источника 1 лазерного излучения, системы ввода излучения 2 и механизма подачи 4 световода. Механизм подачи световода представляет собой установленную стационарно цилиндрическую катушку с уложенными в ряд витками световода. Один конец световода жестко соединен с системой ввода излучения. Другой конец световода с помощью роликового устройства с направляющей фильерой перемещается в процессе последовательного бокового сноса витков с катушки и подается через вакуумное уплотнение в сопловую камеру с приосевой трубкой держателя конца световода.
Для снижения потерь реактивного импульса отдачи зона оптического пробоя твердого рабочего тела в сопловой камере, локализованная над срезом приосевой трубки держателя конца световода, представляет собой конечный участок световода небольшой длины, которая определяется условиями взаимодействия лазерного излучения с поглощающим энергию импульса торцем. Лазерный пробой материала световода приводит к возбуждению в газово-плазменной среде сферически симметричного течения, преобразуемого полусферическим профилем сопла в приосевую газово-плазменную струю.
Выполнение источника лазерного излучения в виде твердотельного микролазера с модулированной добротностью и диодной накачкой обеспечивает устойчивый режим генераций импульсов тяги и способствует упрощению конструкции за счет необходимости охлаждения только диодной матрицы.
1. Лазерно-плазменный микродвигатель, состоящий из источника лазерного излучения, световода, подключенного через систему ввода излучения к источнику лазерного излучения, рабочего тела из абляционного материала в виде выходного конца световода с поглощающим энергию упомянутого источника лазерного излучения торцем и сопловой камеры с механизмом подачи световода, отличающийся тем, что выходной конец световода снабжен вакуумным уплотнением, а сопловая камера имеет полусферический рабочий профиль и приосевую трубку держателя конца световода.
2. Лазерно-плазменный микродвигатель по п.1, отличающийся тем, что в нём источник лазерного излучения представляет собой твердотельный микролазер с модулированной добротностью и диодной накачкой.
