БОЕВОЙ ОРБИТАЛЬНЫЙ ЛАЗЕР С ЯДЕРНОЙ НАКАЧКОЙ Российский патент 2013 года по МПК F41H13/00 H01S3/09 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании импульсных газовых лазеров с ядерной накачкой.

Лазер - это устройство для получения высокоинтенсивных и узконаправленных

пучков монохроматического светового излучения. Лазер создан в 1955 г. советскими учеными Прохоровым А. М. и Басовым Н. Г. Существуют различные типы лазеров - газовые, жидкостные и твердотельные. Лазерное излучение может быть непрерывным и импульсным. В практике используют лазеры различных мощностей. Наиболее мощные лазеры используют в вооружении. Действие лазерного излучения основано на резком повышении температуры в облучаемом месте, что вызывает разрушение материала:

оплавление или испарение.

Известен газовый лазер. Недостатком указанного лазера является низкая энергия генерации.

Наиболее близким по технической сущности является газовый лазер с ядерной накачкой, по патенту РФ №1140668, МПК H01S 3/09, опубл. 30.06.1994 г., прототип

Этот лазер содержит резонатор, газодинамический тракт с нанесенным на внутреннюю поверхность внутренней стенки слоем, включающим ядра урана 235, наполненную рабочей газовой средой, а также ядра урана 235 внедренные в стенку канала.

Недостатком такого лазера является низкая выходная энергия генерации из-за того, что активная область генерации не охватывает весь объем газа, заполняющего кювету. Это возникает по той причине, что при работе лазера газовый объем разделяется на две части: активную область генерации и область, не охваченную генерацией, то есть пассивную зону. Пассивная зона образуется вследствие охлаждения непосредственно прилегающей к ураносодержащему слою части газа. Охлаждение происходит за счет передачи тепла трубке кюветы, теплоемкость единицы объема которой значительно превосходит теплоемкость единицы объема газа. В пределах пассивной зоны градиент температуры отрицателен, и соответственно положительны градиенты плотности и показателя преломления; в активной области - наоборот. В активной области потерь световой энергии нет, так как световые лучи, имевшие первоначальное направление, параллельное оси симметрии лазера, беспрепятственно выходят за пределы его кюветы. В пассивной же зоне имеют место потери световой энергии ввиду того, что при положительном градиенте показателя преломления световые лучи загибаются на стенку кюветы и там поглощаются. С течением времени пассивная зона расширяется. При длительности нейтронного импульса накачки ^τ≈10^-3 c размер пассивной зоны примерно равен 1 мм. При увеличении длительности облучения до значения 10^-2 с размер пассивной зоны к концу облучения возрастает до 3 мм. При длительности облучения нейтронным потоком газового лазера с ядерной накачкой порядка или больше 0,8 с пассивная зона может охватить весь рабочий объем лазера.

Целью этого изобретения было повышение выходной энергии лазера.

Цель достигнута тем, что в газовом лазере с ядерной накачкой, содержащем цилиндрическую трубку с нанесенным на ее внутреннюю поверхность слоем, включающем ядра урана 235, наполненную рабочей газовой средой, ядра урана ²³⁵U внедрены также и в стенку трубки, при этом концентрация N ядер урана ²³⁵U в стенке выбрана из соотношения

$$N=N_1\left(\frac{c_1{\rho }_1{r}_1^2+c_2{\rho }_2(r_2^2-r_1^2)+c_3{\rho }_3(r_3^2-r_2^2)}{c_1{\rho }_1{r}_1^2}\in -1\right)\cdot \frac{(r_2^2-r_1^2)}{(r_3^2-r_2^2)}$$

где N₁ - концентрация ядер урана ²³⁵U в единице объема урансодержащего слоя;

С₁ С₂, С₃ - удельные теплоемкости (при постоянном объеме) рабочей среды, урансодержащего слоя и цилиндрической трубки соответственно;

ρ₁, ρ₂, ρ₃ - плотность активной среды, урансодержащего слоя и цилиндрической трубки, соответственно;

r₁ - внутренний радиус урансодержащего слоя;

r₂ - внешний радиус урансодержащего слоя;

r₃ - внешний радиус цилиндрической трубки;

∈ - эффективно передаваемая рабочей среде доля энергии осколков от деления, происходящего в урансодержащем слое.

Выражение для выбора оптимальной концентрации N ядер урана ²³⁵U, внедренных в стенку трубки, получено из балансных энергетических соотношений. Значение оптимальной концентрации не зависит от динамики работы лазера, что было подтверждено расчетом.

Работает газовый лазер с ядерной накачкой следующим образом.

При облучении лазера нейтронным потоком происходит деление ядер урана 235 как урансодержащего слоя нанесенного на внутреннюю стенку трубки, так и ядер урана, внедренных в стенку трубки. При этом осколки деления ядер урансодержащего слоя обеспечивают создание инверсной заселенности активной среды газового лазера. Энергия, выделяемая при делении ядер урана, внедренных в стенку, приводит к повышению температуры стенки и тем самым устраняет причину возникновения пассивных зон.

Рассмотрим газовый лазер с ядерной накачкой, полость цилиндрической трубки которого заполнена смесью НЕ+Хе (в отношении 200:1) с начальной плотностью ρ₁=0,9256·10³ г/см³. Внешний радиус урансодержащего слоя -2r₂=1 см, его толщина δ=0,5181·10^-3 см. Материал слоя - двуокись урана, характеризующая плотностью ρ₂=10,96 г/см³ и концентрацией ядер урана ²³⁵U N₁=2,47·10²² яд/см³. Внешний радиус цилиндрической трубки -3r₃=1,1 см, ее толщина Δr₃=0,1 см; трубка сплошная. Материал трубки - сплав: цирконий с добавкой урана ²³⁵U его плотность ρ₃=6,44 г/см³. Начальная температура всей системы Т₀=303 К. Выполнены термогазодинамические расчеты на ЭВМ при нарастании потока тепловых нейтронов накачки по закону Ф_(t)=Ф₀e^t _/τ_н с заданным периодом τ_н=1,5с. Ф_о полагалась равной 10¹³ н/см² с. В расчетах варьировалась концентрация ²³⁵U в материале стенки трубки. Кривая 5 на фиг.2 изображает зависимость координаты границы активной области генерации от концентрации ядер урана-235 в стенке трубки. Таким образом, прямые расчеты подтверждают, что приведенные выше формулы определяют оптимальное значение концентрации ядер урана в трубке лазерной кюветы, которое необходимо обеспечить для эффективной компенсации влияния неоднородностей температуры и плотности, возникающих в рабочем газе.

Эффективность действия такого лазера с оптимальной концентрацией ядер ²³⁵U в трубке проверена в расчетах термогазодинамических и оптических характеристик при работе его в режиме накачки потоком тепловых нейтронов, имеющем временную зависимость, близкую по форме к прямоугольной, с длительностью τ=1с. Величина Ф_m=0,683·10¹⁴ н/см² есть максимальное значение потока тепловых нейтронов. На основе полученных пространственно-временных распределений температуры и плотности газовой смеси с использованием временной зависимости импульса накачки тепловых нейтронов и известных соотношений, описывающих связь между плотностью газа и его показателем преломления, распределением показателя преломления и расходимостью оптического излучения и т.п., рассчитано изменение во времени относительной средней интенсивности лазерного излучения.

Оптимальная концентрация ядер урана 235 в трубке кюветы лазера определяется геометрическими размерами и теплофизическими параметрами самой трубки, урансодержащего слоя и рабочей газовой среды. При изменении концентрации ядер урана 235 в материале трубки от нуля до оптимальной величины выходная энергия излучения лазера монотонно растет до максимально возможного значения. При дальнейшем увеличении концентрации выходная энергия излучения остается неизменной.

Таким образом, внедрение ядер урана 235 с оптимальной концентрацией N в стенку трубки лазера с ядерной накачкой, позволяет существенно в 15-30 раз (при длительности накачки τ≈1 с) увеличить энергию выходного излучения лазера по сравнению с прототипом. Кроме того, такое устройство полностью исключает возможность отказа нагрева стенки трубки и обеспечивает синхронность слежения разогрева трубки за разогревом рабочей газовой среды.

Таким образом известный газовый лазер с ядерной накачкой по патенту РФ №1140668, МПК H01S 3/09, опубл. 30.06.1994 г. Также обладает недостатками..

Недостатки описанного выше лазера низкая мощность и низкая боевая готовность и поражающее действие.

Задачами создания боевого орбитального лазера с ядерной накачкой является значительное повышение его мощности и поражающих свойств.

Решение указанных задач достигнуто в боевом орбитальном лазере с ядерной накачкой, содержащем резонатор, газодинамический тракт с нанесенным на внутреннюю поверхность внутренней стенки слоем, включающим ядра урана 235, наполненную рабочей газовой средой, а также ядра урана 235 внедренные в стенку канала, отличающийся тем, что газодинамический тракт выполнен в виде сопла камеры сгорания жидкостно-ракетного двигателя, расширяющаяся часть которого выполнена Расширяющаяся часть сопла выполнена круглого сечения - в критическом сечении и прямоугольного - в выходном сечении с плавным переходом от круглого к прямоугольному сечению, резонатор установлен перпендикулярно продольно оси сопла, применены ядерный реактор, установленный внутри камеры сгорания.

Боевой лазер может содержать дополнительно второе сопло установленное оппозитно первому, оба сопла газоводами соединены с турбонасосным агрегатом, установленным под турбонасосным агрегатом. Турбонасосный агрегат содержит турбину, насос окислителя, насос горючего, дополнительный насос горючего и пусковую турбину. В одном из газоводов может быть установлении регулятор расхода газа.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1…6, где

- на фиг.1 - приведена схема боевого орбитального лазера с ядерной накачкой,

- на фиг.2 - приведен вид А,

- на фиг.3 - приведен вид Б,

- на фиг.4 - приведена схема боевого орбитального лазера с двумя камерами сгорания,

- на фиг.5 - приведена схема боевого лазера с двумя ракетными двигателями,

- на фиг.6 - приведена схема боевого лазера с одним ракетным двигателем, имеющим один ТНА и две камеры сгорания.

Боевой орбитальный лазер с ядерной накачкой содержит (фиг.1…6) резонатор 1, который, в свою очередь, содержит зеркала 2, диафрагму 3, объектив 4. Резонатор 1 установлен перпендикулярно газодинамическому тракту, который выполнен в виде сопла 5 камеры сгорания 6 жидкостного ракетного двигателя 7. Жидкостные ракетные двигатели 7 не используются для создания реактивной тяги (или если применена одна камера сгорания - используют для создания очень небольшой силы тяги. Это достигается низким давлением в камере сгорания 6 примерно 2…3 атм и маленьким расходом окислителя и горючего.

ЖРД 7 служит (служат) в первую очередь для накачки боевого лазера. Камера сгорания 6 жидкостного ракетного двигателя 7 содержит головку 8 и цилиндрическую часть 9. Сопло 5 содержит сужающуюся часть 10 и расширяющуюся часть 11. Расширяющаяся часть 11 выполнена круглого сечения - в критическом сечении и прямоугольного - в выходном сечении с плавным переходом от круглого к прямоугольному сечению. Как сужающаяся 10, так и расширяющаяся часть 11 выполнены с возможностью регенеративного охлаждения (фиг.1) и содержат две стенки ; внутреннюю стенку 12 и наружную стенку 13 с зазором между ними 14. На внутренней поверхности внутренней стенки 12 нанесен слой урана 235-15, а в саму внутреннюю стенку 12 внедрены частицы урана 238-16.

Резонатор 2 размещен перпендикулярно продольной оси сопла 5 камеры сгорания 6, предпочтительно в районе расширяющейся части 11.

Боевой лазер содержит ядерный реактор 17.

Боевой орбитальный лазер (фиг.4…6) может содержать один или предпочтительно два жидкостных ракетных двигателя 7, одну или предпочтительно две камеры сгорания 6 и турбонасосный агрегат (ТНА) 18 Турбонасосный агрегат 18, в свою очередь, содержит установленные на валу 19 ТНА 18 центробежное рабочее колесо насоса окислителя 20, центробежное рабочее колесо насоса горючего 21, датчик частоты вращения 22, дополнительный насос горючего 23, с валом дополнительного насоса горючего 24, соединенным мультипликатором 25, размещенным в корпусе 26 с валом 19 ТНА 18, основную турбину 27, выполненную в верхней части турбонасосного агрегата 18. Газогенератор 28 установлен над основной турбиной 27 соосно с турбонасосным агрегатом 18. Камера сгорания 6 имеет силовой пояс 29, к ней прикреплен ТНА 18 при помощи тяг 30. Внутри камеры сгорания 6 выполнены наружная плита 31 и внутренняя плита 32 с зазором между ними (фиг.4). Внутри головки 8 камеры сгорания 6 установлены форсунки окислителя 33 и форсунки горючего 34. Форсунки окислителя 33 сообщают полость 35 с внутренней полостью камеры сгорания 36, а форсунки горючего 34 сообщают полость 37 с внутренней полостью камеры сгорания 38. На наружной поверхности камеры сгорания 21 установлен коллектор горючего 39, от которого отходят топливопроводы 40 к нижней части сопла 33. К коллектору горючего 39 подключен выход из клапана горючего 41, вход которого трубопроводом горючего 42 соединен с выходом из центробежного рабочего колеса насоса горючего 25. Выход из дополнительного насоса горючего 27 соединен топливопроводом высокого давления 43 через регулятор расхода 44, имеющий привод 45 и клапан высокого давления 46 с газогенератором 32,. Выход из центоробежного рабочего колеса насоса окислителя 24 трубопроводом окислителя 47 через клапан 48 тоже соединен с генератором 32, конкретно с его полстью 38. На головке 35 камеры сгорания 21 установлены запальные устройства 49, а на газогенераторе 31 - запальные устройства 50 (фиг.4).

К датчику частоты вращения 26 подсоединена электрическая связь 51, которая соединена с блоком управления 52 и обеспечивает все другие электрические коммутации.

К блоку управления 52 электрическими связями 51 подключены электрозапальные устройства 49 и 50, клапан горючего 41, клапан окислителя 48, привод регулятора расхода 45, клапан высокого давления 46, пусковой клапан 53 и регулятор расхода газа 54, при его наличии установленный в газоводе 55 одной из камер сгорания 9. Регулятор расхода газа 54 имеет привод 56 и обеспечивает равенство силы тяги двух оппозитно установленных жидкостных ракетных двигателей 7 для обеспечения точности стрельбы лучом лазера. Стрельба с объекта, вооруженного боевым лазером, но движущегося с огромной скоростью и ускорением менее точна и предъявляет большие требования к системе наведения.

К коллектору горючего 39 подключен продувочный трубопровод 57 с клапаном продувки 58. Камера сгорания 9 (или камеры сгорания) могут быть установлены на цапфах 59.

Боевой лазер содержит баллон сжатого воздуха 60, с которым соединен трубопровод высокого давления 61, имеющий клапан 62. Другой конец трубопровода высокого давления 61 соединен с пусковой турбиной 63. К пусковой турбине 63 подсоединена выхлопная труба 64.

При запуске боевого орбитального лазера с ядерной накачкой сначала запускают ядерный реактор 17, потом жидкостный ракетный двигатель 8 (жидкостные ракетные двигатели при наличии двух двигателей). Для запуска двигателя 8 открывают клапан 62 и сжатый воздух по трубопроводу высокого давления 61 поступает в пусковую турбину 64. Потом открывают клапаны 41, 48 и 69 и включают запальники 49 и 50 (фиг.4). Топливо (окислитель и горючее) при сгорании в камере сгорания 9 сгорает при относительно низкой температуре до 500 град. С. Дальнейший подогрев продуктов сгорания до 3 000…4000 град. С осуществляется ядерным реактором 17. Кроме значительного нагрева продукты сгорания подвергаются радиоактивному облучению, это способствует повышению мощности лазера 1.

Выключение боевого лазера осуществляется в обратном порядке.

Применение изобретения позволило

1. Повысить мощность боевого лазера во много раз за счет дополнительного радиоактивного облучения продуктов сгорания и повышения их температуры в резонаторе, что позволит передать лучу лазера большую энергию. Особеено повышает облучение продуктов сгорания уставка ядерного реактора внцутри камеры сгорания.

2. Повысить боеготовность лазера.

3. Повысить КПД боевого лазера.

4. Повысить точность попадания луча лазера в цель.

5. Значительно улучшить обороноспособность страны.

Изобретение относится к боевой технике и может быть использовано в космических войсках. Боевой орбитальный лазер с ядерной накачкой содержит резонатор, газодинамический тракт с нанесенным на внутреннюю поверхность внутренней стенки слоем, включающим ядра урана 235 и наполненным рабочей газовой средой, а также ядра урана 235, внедренные в стенку канала. Газодинамический тракт выполнен в виде сопла камеры сгорания жидкостно-ракетного двигателя, расширяющаяся часть которого выполнена круглого сечения - в критическом сечении - и прямоугольного - в выходном сечении - с плавным переходом от круглого к прямоугольному сечению. Камера сгорания прикреплена к турбонасосному агрегату, к которому присоединен газогенератор, резонатор установлен перпендикулярно продольно оси сопла, применен ядерный реактор, установленный внутри камеры сгорания. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения мощности и боевой готовности лазера. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Боевой орбитальный лазер с ядерной накачкой, содержащий резонатор, газодинамический тракт с нанесенным на внутреннюю поверхность внутренней стенки слоем, включающим ядра урана 235, наполненный рабочей газовой средой, а также ядра урана 235, внедренные в стенку канала, отличающийся тем, что газодинамический тракт выполнен в виде сопла камеры сгорания жидкостно-ракетного двигателя, расширяющаяся часть которого выполнена круглого сечения в критическом сечении и прямоугольного в выходном сечении с плавным переходом от круглого к прямоугольному сечению, камера сгорания прикреплена к турбонасосному агрегату, к которому присоединен газогенератор, резонатор установлен перпендикулярно продольно оси сопла, применен ядерный реактор, установленный внутри камеры сгорания.

2. Боевой орбитальный лазер по п.1, отличающийся тем, он содержит дополнительно второе сопло, установленное оппозитно первому, оба сопла газоводами соединены с генератором.

3. Боевой орбитальный лазер по п.2, отличающийся тем, что турбонасосный агрегат содержит турбину, насос окислителя, насос горючего, дополнительный насос горючего и пусковую турбину.

4. Боевой орбитальный лазер по п.2 или 3, отличающийся тем, что в одном из газоводов установлен регулятор расхода.