Лучевая двигательная установка , также известная как направленная энергетическая установка, представляет собой класс двигателей для самолетов или космических аппаратов , которые используют энергию, передаваемую на космический аппарат с удаленной электростанции для обеспечения энергией. Луч обычно представляет собой либо микроволновый , либо лазерный луч, и он либо импульсный, либо непрерывный. Непрерывный луч подходит для тепловых ракет , фотонных двигателей и световых парусов . Напротив, импульсный луч подходит для абляционных двигателей и импульсных детонационных двигателей . [1]
Обычно цитируется следующее эмпирическое правило: для того, чтобы аппарат достиг низкой околоземной орбиты , ему необходимо передать мегаватт мощности на килограмм полезной нагрузки во время ускорения . [2]
Помимо запуска на орбиту, также предлагались приложения для быстрого перемещения по всему миру.
Ракеты — это импульсные машины; они используют массу, выбрасываемую из ракеты, для придания импульса ракете. Импульс — это произведение массы и скорости, поэтому ракеты обычно пытаются придать своей рабочей массе как можно больше скорости, тем самым минимизируя необходимую рабочую массу. Для ускорения рабочей массы требуется энергия . В обычной ракете топливо химически соединяется для получения энергии, а полученные топливные продукты, зола или выхлоп, используются в качестве рабочей массы.
Нет особой причины, по которой одно и то же топливо должно использоваться и для энергии, и для импульса. Например, в реактивном двигателе топливо используется только для производства энергии, а воздух обеспечивает рабочую массу, через которую летит реактивный самолет. В современных реактивных двигателях количество воздуха, приводимого в движение, гораздо значительнее, чем количество, используемое для получения энергии. Однако это не решение для ракет, поскольку они быстро поднимаются на высоты, где воздух слишком разрежен, чтобы быть полезным в качестве источника рабочей массы.
Ракеты могут нести свою рабочую массу и использовать другие источники энергии. Проблема заключается в поиске источника энергии с соотношением мощности к весу , которое конкурирует с химическим топливом. Небольшие ядерные реакторы могут конкурировать в этом отношении, и значительная работа по ядерному тепловому движению была проведена в 1960-х годах, но экологические проблемы и растущие расходы привели к закрытию большинства этих программ.
Дальнейшее улучшение может быть достигнуто путем удаления энергии, создаваемой космическим аппаратом. Если ядерный реактор оставить на земле и передать его энергию космическому аппарату, его вес также будет удален. Тогда проблема заключается в том, чтобы доставить энергию в космический аппарат. Это идея, лежащая в основе лучевой энергии.
С помощью лучевого движения можно оставить источник питания неподвижным на земле и напрямую (или через теплообменник ) нагревать топливо на космическом аппарате с помощью мазера или лазерного луча от стационарной установки. Это позволяет космическому аппарату оставлять свой источник питания дома, что значительно экономит массу и значительно улучшает производительность.
Поскольку лазер может нагревать топливо до чрезвычайно высоких температур, это потенциально значительно повышает эффективность ракеты, поскольку скорость истечения пропорциональна квадратному корню температуры. Обычные химические ракеты имеют скорость истечения, ограниченную фиксированным количеством энергии в топливе, но лучевые двигательные системы не имеют определенного теоретического предела (хотя на практике существуют температурные ограничения). [ необходима цитата ]
В микроволновом тепловом движении внешний микроволновый луч используется для нагрева огнеупорного теплообменника до >1500 К, нагревая топливо, такое как водород, метан или аммиак. Это улучшает удельный импульс двигательной системы и отношение тяги к весу по сравнению с обычным ракетным движением. Например, водород может обеспечить удельный импульс 700–900 секунд и отношение тяги к весу 50–150. [3]
Вариант, разработанный братьями Джеймсом Бенфордом и Грегори Бенфордом , заключается в использовании термической десорбции топлива, заключенного в материале массивного микроволнового паруса . Это создает очень высокое ускорение по сравнению с парусами, толкаемыми только микроволнами.
Некоторые предлагаемые механизмы движения космических аппаратов используют электрическое движение космических аппаратов , в котором электрическая энергия используется электрическим ракетным двигателем, таким как ионный двигатель или плазменный двигатель . Обычно эти схемы предполагают либо солнечные батареи, либо бортовой реактор. Однако оба источника энергии тяжелые.
Лучевой двигатель в форме лазера может передавать мощность на фотоэлектрическую панель для лазерного электрического двигателя. В этой системе, если на солнечную батарею падает высокая интенсивность, необходимо тщательно проектировать панели, чтобы избежать падения эффективности преобразования из-за эффектов нагрева. Джон Брофи проанализировал передачу мощности лазера на фотоэлектрическую батарею, питающую высокоэффективную электрическую двигательную систему, как средство выполнения миссий с высоким дельта-V, таких как межзвездная миссия-предшественник в проекте NASA Innovative Advanced Concepts . [4]
Микроволновый луч можно использовать для передачи мощности на ректенну для микроволнового электрического движителя . Мощность микроволнового вещания была практически продемонстрирована несколько раз (например, в Голдстоуне, Калифорния, в 1974 году). Ректенны потенциально легкие и могут выдерживать большую мощность при высокой эффективности преобразования. Однако ректенны должны быть огромными для захвата значительного количества энергии.
Балка также могла создавать импульс, непосредственно «толкая» парус.
Одним из примеров является использование солнечного паруса для отражения лазерного луча. Эта концепция, называемая лазерно-толкаемым световым парусом, была первоначально предложена Г. Марксом [5], но впервые подробно проанализирована и разработана физиком Робертом Л. Форвардом в 1989 году [6] как метод межзвездного путешествия , который позволит избежать чрезвычайно высоких соотношений масс , не перевозя топливо. Дальнейший анализ концепции был проведен Лэндисом , [7] [8] Малловом и Мэтлоффом, [9] Эндрюсом [10] Любиным, [11] и другими.
В более поздней статье Форвард предложил толкать парус с помощью микроволнового луча. [12] Это имеет то преимущество, что парус не обязательно должен быть непрерывной поверхностью. Форвард назвал свое предложение о сверхлегком парусе « Starwisp ». Более поздний анализ Лэндиса [13] показал, что концепция Starwisp, изначально предложенная Форвардом, не будет работать, но вариации этого предложения могут быть реализованы.
Луч должен иметь большой диаметр, чтобы только небольшая часть луча не попала в парус из-за дифракции , а лазерная или микроволновая антенна должны иметь хорошую устойчивость наведения, чтобы корабль мог наклонять свои паруса достаточно быстро, чтобы следовать за центром луча. Это становится еще важнее при переходе от межпланетного путешествия к межзвездному путешествию и при переходе от пролетной миссии к посадочной миссии к миссии возвращения. Лазер или микроволновый передатчик, вероятно, будет представлять собой большую фазированную решетку небольших устройств, которые получают свою энергию непосредственно от солнечного излучения. Размер решетки сводит на нет необходимость в линзе или зеркале.
Другая концепция, основанная на толкании пучка, заключается в использовании магнитного паруса или паруса MMPP для отклонения пучка заряженных частиц от ускорителя частиц или плазменной струи. [14] Лэндис предложил парус, толкаемый пучком частиц, в 1989 году [7] и более подробно проанализировал его в статье 2004 года. [15] Джордин Каре предложил вариант, в котором «пучок» небольших лазерно-ускоренных световых парусов будет передавать импульс транспортному средству с магнитным парусом. [16]
Другая концепция, толкаемая лучом, использует гранулы или снаряды из обычной материи. Поток гранул от стационарного двигателя массы «отражается» космическим аппаратом, ср. двигатель массы . [17] Космическому аппарату не нужна ни энергия, ни реактивная масса для собственного движения.
Легкий летательный аппарат — это транспортное средство, находящееся в настоящее время [ когда? ] в стадии разработки, которое использует внешний импульсный источник лазерной или мазерной энергии для обеспечения мощности для создания тяги.
Лазер светит на параболический отражатель на днище транспортного средства, концентрируя свет для создания области чрезвычайно высокой температуры. Воздух в этой области нагревается и резко расширяется, создавая тягу с каждым импульсом лазерного света. Легкое судно должно поставлять этот газ из бортовых баков или абляционного твердого тела в космосе. Оставив источник питания транспортного средства на земле и используя окружающую атмосферу в качестве реакционной массы для большей части своего подъема, легкое судно может доставить существенный процент своей стартовой массы на орбиту. Он также может быть потенциально очень дешевым в производстве.
Рано утром 2 октября 2000 года на испытательном полигоне высокоэнергетических лазерных систем (HELSTF) компания Lightcraft Technologies, Inc. (LTI) при помощи Франклина Б. Мида из Исследовательской лаборатории ВВС США и Лейка Мирабо установила новый мировой рекорд высоты полета в 233 фута (71 м) для своей ракеты диаметром 4,8 дюйма (12,2 см), весом 1,8 унции (51 г), работающей на лазерном ускорителе, в полете, длившемся 12,7 секунды. [18] Хотя большая часть полета в 8:35 утра прошла в зависании на высоте более 230 футов, Lightcraft установил мировой рекорд по самому длительному свободному полету с лазерным ускорителем и самому большому «времени полета» (т. е. от запуска до посадки/возвращения) с легкого объекта. Это сопоставимо с первым испытательным полетом ракеты Роберта Годдарда . Увеличение мощности лазера до 100 киловатт позволит совершать полеты на высоту до 30 километров. Они стремятся разогнать микроспутник весом в один килограмм до низкой околоземной орбиты с помощью специально изготовленного наземного лазера мощностью в один мегаватт. Такая система будет использовать электроэнергию стоимостью всего около 20 долларов, что сделает стоимость запуска на килограмм во много раз ниже текущей стоимости запуска (которая измеряется тысячами долларов). [ необходима цитата ]
Конструкция " lightcraft " от Myrabo представляет собой отражающий воронкообразный корабль, который направляет тепло от лазера к центру, используя отражающую параболическую поверхность, заставляя лазер взрывать воздух под собой, создавая подъемную силу. Отражающие поверхности в корабле фокусируют луч в кольцо, где он нагревает воздух до температуры, почти в пять раз превышающей температуру поверхности Солнца, заставляя воздух взрывообразно расширяться для создания тяги.
Лазерная тепловая ракета — это тепловая ракета , в которой топливо нагревается энергией, обеспечиваемой внешним лазерным лучом. [19] [20] В 1992 году покойный Джордин Каре предложил более простую, ближайшую по времени концепцию с ракетой, содержащей жидкий водород. [21] Топливо нагревается в теплообменнике, на который попадает лазерный луч, прежде чем покинуть транспортное средство через обычное сопло. Эта концепция может использовать лазеры с непрерывным лучом, и полупроводниковые лазеры теперь экономически эффективны для этого применения. [22] [23]
В 2002 году Кевин LG Паркин предложил похожую систему с использованием микроволн. [3] [24] [25] [26] В мае 2012 года проект DARPA/NASA Millimeter-wave Thermal Launch System (MTLS) [27] начал первые шаги к реализации этой идеи. Проект MTLS был первым, в котором был продемонстрирован поглощающий миллиметровые волны огнеупорный теплообменник, впоследствии интегрированный в двигательную систему небольшой ракеты для создания первой миллиметровой тепловой ракеты. Одновременно он разработал первый высокомощный кооперативный целеуказатель миллиметрового луча и использовал его для попытки первого запуска миллиметровой тепловой ракеты. Было предпринято несколько запусков, но проблемы с указателем луча не удалось решить до окончания финансирования в марте 2014 года.
Мотивация к разработке систем тяги с использованием пучка исходит из экономических преимуществ, получаемых за счет улучшения характеристик тяги. В случае ракет-носителей с использованием пучка, улучшение характеристик тяги позволяет получить некоторую комбинацию из увеличенной доли полезной нагрузки, увеличенных структурных запасов и меньшего количества ступеней. Исследование JASON 1977 года лазерной тяги [28], автором которого является Фримен Дайсон , лаконично формулирует перспективы запуска с использованием пучка:
«Лазерная тяга как идея, которая может произвести революцию в космических технологиях. Одна лазерная установка на земле теоретически может запускать одноступенчатые аппараты на низкую или высокую околоземную орбиту. Полезная нагрузка может составлять 20% или 30% от взлетного веса аппарата. Она гораздо более экономична в использовании массы и энергии, чем химическая тяга, и гораздо более гибка в выводе одинаковых аппаратов на различные орбиты».
Это обещание было количественно оценено в исследовании Lockheed 1978 года [29], проведенном для NASA:
«Результаты исследования показали, что при использовании передовых технологий лазерная ракетная система с космическим или наземным лазерным передатчиком может сократить национальный бюджет, выделяемый на космические перевозки, на 10–345 миллиардов долларов в течение 10-летнего жизненного цикла по сравнению с передовыми химическими двигательными установками (LO 2 -LH 2 ) равной мощности».
Исследования 1970-х годов и другие с тех пор ссылались на стоимость направляющих пучков как на возможное препятствие для систем запуска с питанием от пучка. Недавний анализ затрат и выгод [30] оценивает, что микроволновые (или лазерные) тепловые ракеты будут экономичны, как только стоимость направляющих пучков упадет ниже 20 $/Вт. Текущая стоимость подходящих лазеров составляет <100 $/Вт, а стоимость подходящих микроволновых источников составляет <5 $/Вт. Массовое производство снизило себестоимость производства магнетронов для микроволновых печей до <0,01 $/Вт, а некоторых медицинских лазеров до <10 $/Вт, хотя они считаются непригодными для направляющих пучков.
В 1964 году Уильям С. Браун продемонстрировал миниатюрный вертолет, оснащенный комбинированным антенным и выпрямительным устройством, называемым ректенной . Ректенна преобразовывала микроволновую энергию в электричество, позволяя вертолету летать. [31]
В 2002 году японская группа запустила крошечный алюминиевый самолет, используя лазер для испарения капли воды, прилипшей к нему, а в 2003 году исследователи НАСА запустили модель самолета весом 11 унций (312 г) с пропеллером, работающим от солнечных панелей, освещаемых лазером. [32] Возможно, что такой привод с использованием луча может быть полезен для беспилотных самолетов или воздушных шаров, способных летать на большой высоте и рассчитанных на длительные полеты, возможно, предназначенных для использования в качестве ретрансляторов связи, научных платформ или платформ наблюдения.
« Лазерная метла » была предложена для уборки космического мусора с орбиты Земли. Это еще одно предлагаемое использование тяги с использованием луча, используемое на объектах, не предназначенных для движения с его помощью, например, на небольших кусках металлолома, отколотых («отколотых») спутниках. Метод работает, поскольку лазерная энергия уничтожает одну сторону объекта, давая импульс, который изменяет эксцентриситет орбиты объекта. Затем орбита пересечет атмосферу и сгорит.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )