ЛАЗЕРНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2015 года по МПК F02K99/00 B64C39/02 

Изобретение относится к реактивным двигателям летательных аппаратов, преимущественно орбитальных и аэрокосмических аппаратов.

Известен лазерный ракетный двигатель (ЛРД) (патент РФ №2266420, MПK F02K 7/00, F24J 2/06, B64G 1/26, опубликованный 20.12.2005), который содержит источник импульсно-периодического лазерного излучения, оптический узел с концентратором излучения и отражателями, систему формирования плоского фронта излучения и соосный концентратору газодинамический узел. Формирующая система осуществляет прием и согласование апертуры лазерного пучка с габаритами оптического узла. Первый отражатель концентратора выполнен в форме конусообразной фигуры вращения с образующей поверхностью в виде части короткофокусной параболы. Газодинамический узел выполнен в виде приемника импульса давления, расположенного с тыльной стороны и на основании первого отражателя, а также реактивного сопла, установленного на расстоянии от основания и образующего щель для ввода лазерного излучения. Концентратор снабжен дополнительным отражателем, соосным первому отражателю и выполненным в форме фигуры вращения, образующая поверхности которой представляет собой дугу. Этот дополнительный отражатель размещен на пути фокусируемого первым отражателем пучка так, что фокальная область концентратора расположена в области щели.

Известен лазерный ракетный двигатель и способ организации рабочего процесса в нем (патент US №4036012, МПК Н05Н 1/24, опубликованный 19.07.1977), наиболее близкий по технической сущности к заявленному и принятый за прототип. Лазерный ракетный двигатель 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. Работает лазерный ракетный двигатель следующим образом. Лазерный луч, попадая на 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 инициирования оптического разряда и образования плазменного ядра, нагрев рабочего тела, которое обтекает плазменное ядро и истекает из сверхзвукового сопла, образуя реактивную струю.

Основными недостатками как прототипа, так и аналога является неэффективная работа газодинамических окон (ГДО) данных ЛРД в верхних разреженных слоях атмосферы Земли и тем более в условиях космического вакуума. Неэффективность проявляется в виде появления обратных токов рабочего тела из камеры поглощения (КП) через ГДО и их утечки в окружающую среду, что приводит к снижению удельного импульса ЛРД.

Кроме того, сравнительно высокий ожидаемый удельный импульс и обеспечение устойчивого «горения» непрерывного оптического разряда (НОР) предполагают небольшой расход рабочего тела с маленькой скоростью обдува НОРа. Данные требования налагают ограничения на эффективную работу ГДО, поэтому, чтобы ГДО справлялся со своей задачей, перепад давления между КП и окружающей средой должен быть небольшим, и как следствие трудно достичь давления критического перепада в минимальном сечении сопла ЛРД, также это ведет к уменьшению удельного импульса и тяги ЛРД в условиях атмосферы.

В условиях космоса (где давление практически равно нулю) камера поглощения с ГДО будет иметь сверхкритический перепад как со стороны сопла, так и со стороны ГДО, и в итоге возникнет две тяги, векторы которых направлены в разные стороны, что существенно уменьшит удельный импульс ЛРД.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении КПД, удельного импульса и ресурса работы ЛРД.

Технический результат (вариант 1) достигается тем, что в лазерном ракетном двигателе (фиг.1), содержащем систему отражающих и фокусирующих зеркал, газодинамическое окно, камеру поглощения, систему подачи рабочего тела, сверхзвуковое сопло, тракт охлаждения, новым является то, что система двух отражающих и фокусирующих зеркал находится в герметичной предварительной камере, сообщенной с камерой поглощения посредством газодинамического окна, вход для лазерного излучения в предварительную камеру обеспечивается двумя твердыми охлаждаемыми окнами, прозрачными для применяемого вида лазерного излучения, при этом давление в предварительной камере выше, чем в камере поглощения, а два зеркала, отражающие внешнее лазерное излучение, расположены снаружи лазерного ракетного двигателя.

Технический результат (вариант 2) достигается тем, что в лазерном ракетном двигателе, содержащем систему отражающих и фокусирующих зеркал, газодинамическое окно, камеру поглощения, систему подачи рабочего тела, тракт охлаждения, сверхзвуковое сопло, новым является то, что система конического отражающего и фокусирующего зеркал находится в герметичной предварительной камере, сообщенной с камерой поглощения посредством газодинамического окна, вход лазерного излучения в предварительную камеру обеспечивается кольцевым твердым охлаждаемым окном, прозрачным для лазерного излучения, причем давление в предварительной камере выше, чем в камере поглощения, а коническое зеркало, отражающее внешнее лазерное излучение в двигатель, расположено снаружи лазерного ракетного двигателя.

Оптические центры наружного, внутреннего отражающих зеркал и твердого окна находятся на одной оси.

На фиг.1 представлена схема лазерного ракетного двигателя (вариант 1).

На фиг.2 представлена схема лазерного ракетного двигателя (вариант 2).

Лазерный ракетный двигатель (фиг.1) содержит два внешних поворотных зеркала 1, прозрачные для ввода лазерного луча, два твердых окна 2, два внутренних поворотных зеркала 3, фокусирующее зеркало (концентратор) 4, герметичную предварительную камеру 5, газодинамическое окно 6, камеру поглощения 7, сверхзвуковое сопло 8, тракт охлаждения двигателя 9, систему подачи рабочего тела - коллектор 10.

Лазерный ракетный двигатель работает следующим образом. Лазерный луч, отражаясь от двух поворотных зеркал 1, проходя через твердые окна 2, попадает в герметичную предварительную камеру 5, где, отражаясь от двух поворотных зеркал 3 и с помощью фокусирующего зеркала 4, через газодинамическое окно 6 фокусируется в камере поглощения 7. Для инициирования непрерывного оптического разряда вместе с рабочим телом подается аэрозоль с солями щелочных металлов, снижающая порог пробоя оптического разряда. В образовавшемся непрерывном оптическом разряде поглощение лазерного луча в основном происходит в процессе, обратном тормозному излучению. Образовавшийся непрерывный оптический разряд газодинамически стабилизируется в приосевой области камеры поглощения, обдуваясь осесимметричным осевым потоком рабочего тела, истекающего из газодинамического окна. Поступающее по тракту охлаждения 9 в газодинамическое окно 6 рабочее тело, например водород, охлаждает стенки камеры поглощения 7 ЛРД и твердые окна 2. Рабочее тело, обтекая и частично проходя через плазму НОРа, нагревается и истекает, ускоряясь в сверхзвуковом сопле 8, образуя сверхзвуковую реактивную струю.

При высоких уровнях мощности лазерного излучения твердые окна из прозрачных диэлектриков смогут работать сравнительно недолго.

Увеличение ресурса работы твердых окон ЛРД достигается увеличением площади окон, что пропорционально уменьшает энергию и нагрев единицы площади окна.

Для равномерного охлаждения окон 2 предварительной камеры 5 через коллектор 10, имеющий отверстия по периметру окон 2, прокачивается холодное рабочее тело, например газообразный или жидкий водород. Поступающее через коллектор 10 в предварительную камеру 5 рабочее тело приводит к появлению по сравнению с окружающей средой избыточного давления. Создание избыточного давления в предварительной камере перед ГДО и как следствие уменьшение перепада давления между камерой поглощения 7 и предварительной камерой 5 (на входе в газодинамическое окно 6 (ГДО 6)) позволит создавать более высокие давления в камере поглощения 7. Повышение давления в камере поглощения 7 ЛРД приводит к увеличению КПД и удельного импульса ЛРД.

При работе такого двигателя со стороны предварительной камеры 5, то есть в канале ГДО 6, образуется газовая подушка, препятствующая перетеканию рабочего тела из камеры поглощения 7 через ГДО 6 в сторону предварительной камеры 5. Перетекание будет возможным только из предварительной камеры 5 в камеру поглощения 7, что будет соответствовать нормальной работе ЛРД.

Лазерный ракетный двигатель (фиг.2) содержит коническое отражающее зеркало 1, кольцевое твердое окно 2, коническое отражающее зеркало 3, фокусирующее зеркало 4, предварительную герметичную камеру 5, ГДО 6, камеру поглощения 7, сверхзвуковое сопло 8, тракт охлаждения 9, систему охлаждения окна - коллектор 10.

Лазерный ракетный двигатель (фиг.2) работает следующим образом.

Внешнее лазерное излучение, отражаясь от конического зеркала 1, проходит через твердое кольцевое окно 2 в предварительную герметичную камеру 5, где, отражаясь от конического зеркала 3, поступает на фокусирующее зеркало 4. Дальнейший процесс происходит, как в предыдущем двигателе. За счет кольцевого твердого окна 1 удельная тепловая нагрузка на окне существенно ниже.

Изобретение относится к реактивным двигателям летательных аппаратов, преимущественно орбитальных и аэрокосмических аппаратов. Технический результат - повышение КПД, удельного импульса и ресурса работы лазерного ракетного двигателя. Лазерный ракетный двигатель (ЛРД) (вариант 1) содержит систему двух отражающих (3) и фокусирующих (4) зеркал, расположенных в герметичной предварительной камере (5), сообщенной с камерой поглощения (7) посредством газодинамического окна (6), систему подачи рабочего тела, сверхзвуковое сопло (8), тракт охлаждения (9). Вход для лазерного излучения в предварительную камеру (5) обеспечивается двумя твердыми охлаждаемыми окнами (2), прозрачными для применяемого вида лазерного излучения, при этом давление в предварительной камере (5) выше, чем в камере поглощения (7), а два зеркала (1), отражающие внешнее лазерное излучение, расположены снаружи лазерного ракетного двигателя. ЛРД (вариант 2) содержит систему конического отражающего (3) и фокусирующего (4) зеркал, расположенных в герметичной предварительной камере (5), сообщенной с камерой поглощения (7) посредством газодинамического окна (6), систему подачи рабочего тела - коллектор (10) тракт охлаждения (9), сверхзвуковое сопло (8). Вход лазерного излучения в предварительную камеру (5) обеспечивается кольцевым твердым охлаждаемым окном (2), прозрачным для лазерного излучения, причем давление в предварительной камере (5) выше, чем в камере поглощения (7), а коническое зеркало (1), отражающее внешнее лазерное излучение в двигатель, расположено снаружи лазерного ракетного двигателя. Оптические центры наружного (1), внутреннего (3) отражающих зеркал и твердого окна (2) находятся на одной оси. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Лазерный ракетный двигатель, содержащий систему отражающих и фокусирующих зеркал, газодинамическое окно, камеру поглощения, систему подачи рабочего тела, тракт охлаждения, сверхзвуковое сопло, отличающийся тем, что система двух отражающих и фокусирующих зеркал находится в герметичной предварительной камере, сообщенной с камерой поглощения посредством газодинамического окна, вход лазерного излучения в предварительную камеру обеспечивается двумя твердыми охлаждаемыми окнами, прозрачными для лазерного излучения, причем давление в предварительной камере выше, чем в камере поглощения, а два зеркала, отражающие внешнее лазерное излучение в двигатель, расположены снаружи лазерного ракетного двигателя.

2. Лазерный ракетный двигатель, содержащий систему отражающих и фокусирующих зеркал, газодинамическое окно, камеру поглощения, систему подачи рабочего тела, тракт охлаждения, сверхзвуковое сопло, отличающийся тем, что система конического отражающего и фокусирующего зеркал находится в герметичной предварительной камере, сообщенной с камерой поглощения посредством газодинамического окна, вход лазерного излучения в предварительную камеру обеспечивается кольцевым твердым охлаждаемым окном, прозрачным для лазерного излучения, причем давление в предварительной камере выше, чем в камере поглощения, а коническое зеркало, отражающее внешнее лазерное излучение в двигатель, расположено снаружи лазерного ракетного двигателя.