Способ работы импульсного лазерного ракетного двигателя для систем ориентации, стабилизации и коррекции орбитальных космических летательных аппаратов с малой массой Российский патент 2022 года по МПК B64G1/26 F02K7/00 

Изобретение относится к космическим летательным аппаратам и их управляющим устройствам, в частности, для ориентации, стабилизации и коррекции аппаратов в пространстве.

Известно устройство «Двигатель системы ориентации и стабилизации космических летательных аппаратов» (патент РФ №2281890, МПК B64G 1/34 (2006.01), опубликовано 20.08.2006). Устройство состоит из корпуса, рабочего тела в виде вещества, сублимирующего при нагревании, электронагревателей и холодильников. Устройство содержит герметичный корпус, внутри которого размещены рабочее тело и электронагреватели, а на торцах корпуса расположены холодильники. Устройство работает следующим образом: при включении электронагревателя происходит нагрев рабочего тела, оно переходит в газообразное состояние и распределяется внутри герметичного корпуса. Включение холодильника на противоположном торце корпуса создает больший градиент температур по длине корпуса, при этом рабочее тело будет конденсироваться преимущественно на холодной части корпуса, создавая больший момент сил. Если необходимо изменить направление момента сил, то нужно включить противоположную пару электронагреватель - холодильник. При данной конструкции двигателя система электронагреватель-холодильник включается и выключается попарно.

Недостатком данного решения является повышенные энергозатраты двигателя вследствие применения нагревателя и холодильника, что влияет на габариты и массу двигателя, а также низкая надежность двигателя вследствие выполнения условий обеспечения герметичности корпуса для осуществления рабочего процесса.

Известно техническое решение «LASER-ABLATIVE THRUSTER MICROLAS», приведенное в публикации Overview of Laser Ablation Micropropulsion Research Activities at DLR Stuttgart (Hans-Albert Eckel, Stefan Scharring, Stephanie Karg, Christian Illg, and Johannes Peter, International High Power Laser Ablation and Beamed Energy Propulsion Symposium (HPLA/BEP (2014), 21-25 апреля 2014 (https://core.ac.uk/download/pdf/31010835.pdf). Устройство состоит из импульсного лазера, электрооптической линзы с изменяющимся фокусным расстоянием, электрооптическим устройством для плоскостного продольного управления лазерным лучом, f-theta линзы с зафиксированным фокусным расстоянием, плоским отражателем (зеркало) и металлической мишени. Устройство работает следующим образом: луч импульсного лазера проходит через электрооптическую линзу и поступает в электрооптическое устройство, откуда выходит через f-theta линзу, поступает на отражатель и фокусируется на металлической мишени. Недостатком данного решения является сложность наведения и получения лазерного пятна необходимого размера из-за наличия отражающего зеркала, а также размеры устройства, затрудняющее применение в системах стабилизации и ориентации для малых космических аппаратов.

f-theta линза – это линза, позволяющая сфокусировать лазерный луч на заданном (фокусном) расстоянии.

Наиболее близким по технической сущности является устройство «Лазерно-плазменный микродвигатель» (патент РФ № 139344, МПК F02K 1/00 (2006.01), опубликовано 20.04.2014). Устройство состоит из источника лазерного излучения, системы ввода излучения в световод, световод, механизма подачи световода в сопловую камеру, вакуумного уплотнения, сопловой камеры, приосевой трубки держателя конца световода. Устройство работает следующим образом: лазерное излучение от источника подается через систему ввода излучения в световод, где, взаимодействуя на выходе из световода с поглощающим излучение торцом, инициирует оптический пробой материала выходного конца световода как рабочего тела в сопловой камере с формированием приосевой газово-плазменной струи, обеспечивающей передачу стенкам сопловой камеры противоположно направленного реактивного импульса отдачи. Для обеспечения квазинепрерывного режима работы двигателя генерация импульсов излучения лазера согласуется со скоростью работы механизма подачи световода в сопловую камеру для восстановления исходного положения поглощающего излучение торца световода над срезом приосевой трубки держателя конца световода.

Недостатком данного решения является сложность конструкции, заключающаяся в наличии вакуумного уплотнения, сложность практической реализации устройства в связи с высокими требованиями к материалу торца световода, который должен поглощать энергию источника лазерного излучения, другим существенным недостатком является износ торца в связи с испарением материала, а также сложность использования в двигателях ориентации КЛА с малой массой вследствие того, что рабочий процесс протекает при условии организации квазинепрерывного режима подачи лазерных импульсов.

Технической проблемой изобретения является создание импульсного лазерного ракетного двигателя для ориентации, стабилизации и коррекции орбитальных космических летательных аппаратов с малой массой

Техническим результатом является повышение удельного импульса двигателя лазерного ракетного двигателя для ориентации, стабилизации и коррекции орбитальных космических летательных аппаратов с малой массой, уменьшение расхода рабочего тела и снижение массогабаритных характеристик.

Технический результат достигается тем, что создаваемый лазерным источником и фокусирующийся при помощи линзы на задней стенке цилиндрической камеры импульсный приповерхностный оптический разряд обладает высокой температурой (в точке разряда температура достигает нескольких сотен тысяч градусов и быстро убывает до десятков тысяч на границе разряда с окружающей средой). При возникновении на задней стенке цилиндрической камеры импульсного приповерхностного оптического разряда происходит нагрев рабочего тела до высоких температур. Благодаря этому газ приобретает большую температуру и увеличивается внутренняя энергия, вследствие чего достигается высокая скорость истечения из цилиндрической камеры, а скорость истечения оценивается параметром удельного импульса. Таким образом возможно использовать небольшое количество рабочего тела за счет импульсного приповерхностного оптического разряда. Преимущество импульсного приповерхностного оптического разряда заключается в возможности создания разряда в условиях низкого давления, когда требуется высокая плотность мощности (порядка 10¹² Вт/см²) благодаря наличию, например, металлической поверхности вследствие наличия паров вещества на металлической поверхности, где концентрации электронов достаточно для возникновения импульсного приповерхностного оптического разряда. Снижение массогабаритных характеристик достигается за счет применения компактного лазера (масса 1 кг, размер 25 см х 15 см х 15 см), способного обеспечить импульсный режим лазерного излучения.

Предлагаемый способ работает следующим образом. Лазерное излучение, подающееся от лазера (1), проходит через фокусирующую линзу (2) и фокусируется на задней стенке цилиндрической камеры (6), где создает у поверхности задней стенки цилиндрической камеры импульсный приповерхностный оптический разряд. В то же самое время рабочее тело, которое хранится в баке (5) под давлением, передается посредством канала произвольного сечения (7) через электроклапан (4), регулирующий подачу рабочего тела, в предварительный канал (3). Ввиду высокого давления рабочего тела (порядка 10⁶ Па) и низкого давления окружающей среды (вакуум) рабочее тело стремится в окружающую среду через прохождение предварительной (3) и цилиндрической камеры (6), создавая область внутри цилиндрической камеры (6), заполненной рабочим телом. Импульсный приповерхностный оптический разряд, создаваемый внутри цилиндрической камеры, происходит внутри заполненной рабочим телом области. Вследствие того, что импульсный приповерхностный оптический разряд обладает высокой температурой (температура разряда составляет порядка нескольких сотен тысяч градусов Кельвина), у рабочего тела, находящегося внутри цилиндрической камеры (6), увеличивается внутренняя энергия и повышается температура. Далее разогретое рабочее тело разгоняется внутри цилиндрической камеры (6) и вылетает из нее, создавая импульс тяги. Созданный импульс тяги порядка нескольких десятков мкНс способен стабилизировать орбитальный космический летательный аппарат с малой массой. Параметр удельного импульса характеризуется скоростью вылета рабочего тела из цилиндрической камеры, а скорость вылета разогретого рабочего газа из цилиндрической камеры выше, чем если бы рабочий газ вылетал без импульсного приповерхностного оптического разряда.

Скорость истечения газа можно рассчитать по следующей формуле

где – скорость истечения газа [м/с], Т– температура газа [К], - удельная теплоёмкость при постоянном давлении [Дж/кг*К], – молекулярная масса.

Как видно из формулы, при повышении температуры газа скорость истечения газа вырастает.

Импульсный лазерный ракетный двигатель для систем ориентации, стабилизации и коррекции орбитальных космических летательных аппаратов с малой массой представлен на фиг. 1.

Пример реализации

В баке под давлением 13,61 МПа хранится рабочее тело (воздух). При открытом положении электроклапана воздух из бака через трубопровод поступает в предварительную камеру. Источник лазерного излучения LQ 529B с энергией 0,35 Дж, длительностью импульса 10 нс и длиной волны 1064 нм создает лазерный импульс, проходящий через фокусирующую линзу с фокусным расстоянием 7 см, и образует импульсный оптический приповерхностный разряд на поверхности цилиндрической камеры, выполненной из алюминия. В момент поступления воздуха в цилиндрическую камеру происходит импульсный оптический приповерхностный разряд, вследствие чего воздух приобретает температуру до 900000 К и вылетает из цилиндрического канала диаметром 3 мм и длиной 12 мм, создавая импульс тяги 17 мкНс.

Изобретение относится к космическим аппаратам (КА) и их управляющим устройствам, в частности к двигателям ориентации, стабилизации и коррекции КА в пространстве. В двигателе происходит генерирование лазерного излучения и подача его в импульсном режиме через фокусирующую линзу на заднюю стенку цилиндрического канала. Одновременно с этим в цилиндрический канал с помощью электроклапана подают из бака находящееся под давлением рабочее тело. На задней стенке цилиндрического канала возникает импульсный приповерхностный оптический разряд. Поток рабочего тела разогревается, ускоряется и истекает во внешнее пространство, создавая импульс тяги. Достигается повышение удельного импульса лазерного ракетного двигателя КА с малой массой, уменьшение расхода рабочего тела и снижение массогабаритных характеристик. 1 ил.

Способ работы импульсного лазерного ракетного двигателя для систем ориентации, стабилизации и коррекции орбитальных космических летательных аппаратов с малой массой, включающий генерирование лазерного излучения и его подачу через фокусирующую линзу на заднюю стенку цилиндрического канала одновременно с подачей находящегося под давлением рабочего тела из бака через канал произвольного сечения, с помощью электроклапана происходит истечение потока рабочего тела во внешнее пространство, отличающийся тем, что лазерное излучение подается в импульсном режиме, проходит через фокусирующую линзу, импульсный приповерхностный оптический разряд возникает вблизи поверхности материала, разогревая и ускоряя рабочее тело в цилиндрическом канале для создания импульса тяги.