ЛАЗЕРНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ

Автор ronatu, 29.12.2008 03:57:21

« предыдущая - следующая »

0 Пользователей и 1 гость просматривают эту тему.

ronatu

Первые упоминания о том, что с помощью расположенного на Земле лазера можно летать в космос, причем делать это с гораздо большим кпд, нежели при сгорании топлива, появились в начале семидесятых годов прошлого века. Так, доктор Артур Канторович из американской компании "AVCO-Everett Labs" в 1972 году предложил использовать для космического полета эффект лазерной абляции, то есть испарения материала в мощном луче лазера. Спустя год В.П.Коробейников из Математического института АН СССР решил задачу о движении тела под действием внешнего источника энергии, чему, впрочем, предшествовали работы Г.А.Аскарьяна из ФИАНа -- именно он определил давление, которое возникает при испарении вещества в мощном потоке излучения. Развивая эти работы, один из создателей лазера академик А.М.Прохоров вместе с В.Ф.Бункиным в 1976 году предложили теорию формирования тяги в лазерном движителе. Согласно их идеям, если облучать газ мощным лучом импульсного лазера, сфокусированным линзой, то возникают локальные взрывы, которые порождают ударные волны. Они-то и служат источником реактивного импульса. Теория Прохорова стала основой для расчета элементов конструкции двигателей, которые работают в атмосфере. А работы американца Энтони Пирри помогли рассчитать двигатель для полетов в вакууме. В 1997 году расчеты наконец- то воплотились в металл: профессор Лейк Мирабо провел первые успешные запуски аппарата с лазерным реактивным двигателем на полигоне Уайт-Сэнд в штате Нью-Мексико.

В 2002 году профессор отделения механики Токийского института технологии Такаси Хабэ и Клод Фипс, президент компании "Photonics Associates" из Санта-Фе, предложили концепцию использования стационарных лазеров для путешествий в околоземном и окололунном (!) пространствах. Согласно их плану, лазерные станции, размещенные на Земле, на Луне и на околоземных орбитах, сделают три важных дела. Во-первых, обеспечат экологически чистый запуск спутников, то есть такой, при котором сгорает немного кислорода, во-вторых, позволят легко корректировать орбиты искусственных спутников, а в-третьих, дадут возможность космическим кораблям путешествовать по маршруту Земля-Луна и обратно без значительных затрат топлива.

В общем, расстояние тут не имеет особого значения -- свет в космосе распространяется без всякого поглощения, разве что увеличивается диаметр луча. В этом случае просто понадобится еще одно зеркало, перехватывающее весь луч и фокусирующее его в двигатель.

Поскольку источником энергии для лазеров, размещенных в космосе, будет служить свет Солнца, преобразуемый в электричество с помощью солнечных батарей, такая транспортная система, будучи однажды построенной, сможет устойчиво работать неограниченно долгое время, а ее содержание обойдется совсем недорого. Правда, первичные затраты довольно велики, но не чрезмерны, а вполне сопоставимы со стоимостью подготовки марсианской экспедиции на ракете с ядерным двигателем. Кстати, похожую концепцию межпланетных перелетов, только с использованием потоков плазмы и плазменных парусов, точнее, пузырей, предлагает Роберт Уингли из университета штата Вашингтон (см. "Химию и жизнь", 2004, №12) Что же касается конкретных разработок лазерных движителей, то они
начались уже в XXI веке. В нашей стране -- например, в МГТУ им.
Н.Э.Баумана или в Сосновом Бору.
.............
Всего предложено три типа лазерных движителей. В первом из них за счет чрезвычайно высокой концентрации электромагнитного поля в мощном луче лазера происходит оптический пробой воздуха, своеобразная рукотворная молния. В канале образуется плазма, возникают ударные волны, которые, как сказано выше, и обеспечивают движение, отталкиваясь от стенок сопла. Этот подход дает не самый большой импульс реактивной отдачи, а вот удельный импульс тяги оказывается вполне высоким, тысячи секунд. (С помощью этих параметров сравнивают эффективность двигателей и ракетных топлив. Первый ввели специально для лазерных двигателей, он представляет собой величину тяги, отнесенную к мощности лазера, и измеряется в ньютонах на ватт. Второе же понятие соответствует тому импульсу, который дает килограмм топлива, сгорающий за одну секунду. А измеряется этот параметр в секундах. У хороших ракетных топлив величина удельного импульса тяги составляет 300-500 с.) Большой удельный импульс отдачи нужен космическому кораблю для того, чтобы оторваться от поверхности Земли, а большой удельный импульс тяги -- чтобы легко маневрировать в космосе, расходуя при этом как можно меньше топлива.

Самый мощный, в десятки тысяч секунд, импульс тяги лазерного движителя получается за счет сильного испарения -- абляции материала зеркала. Но отдача при этом оказывается совсем маленькой, в десять раз меньше, чем нужно для отрыва от Земли. Ее удается повысить в сто раз, если испаряется многослойный материал со специально организованной внутренней структурой, но при этом импульс тяги падает в тысячу раз.

Как оказалось, оптимальное сочетание получается, если испарившееся вещество вступает в химическую реакцию, например, с воздухом и его частицы приобретают дополнительную скорость. У такого двигателя импульс тяги измеряется сотнями секунд, а реактивная отдача достаточно велика, чтобы вывести корабль за пределы атмосферы. Поскольку кислорода там нет, гореть материал не сможет, и корабль для маневрирования на орбите будет использовать второй принцип -- абляции материала. Конечно, можно загрузить на него окислитель, и тогда удастся и в космосе получить хорошую реактивную тягу, но при этом вес корабля увеличится, и он уже не будет напоминать космическую яхту. Именно идею испарения и сгорания вещества при реакции с кислородом атмосферы выбрали ученые из Соснового Бора, создавая прототип лазерного движителя.


http://www.inauka.ru/space/article63399.html
Когда жизнь экзаменует - первыми сдают нервы.

Кенгуру

ЦитатаЭтот подход дает не самый большой импульс реактивной отдачи, а вот удельный импульс тяги оказывается вполне высоким, тысячи секунд.

Почему-то я сомневаюсь, что испарённый материал может отлетать от корабля со скоростями хотя бы в 10 км в секунду.

А по какой формуле это рассчитывается?
http://goo.gl/vbKbqn">Самообеспечивающаяся станция-сфера с центрифугой Будущее за независимыми от Земли станциями добывающими полезные ископаемые на астероидах http://goo.gl/KNfIuz">Материалы

RadioactiveRainbow

Кенгуру, вы удивитесь, но удельный импульс не обязательно численно равен скорости истечения рабочего тела :)
Для вакуумных двигателей, например, УИ больше скорости истечения.

УИ - это по определению отношение тяги к расходу рабочего тела. Не более.
Глупость наказуема

поверхностный

ЦитатаДля вакуумных двигателей, например, УИ больше скорости истечения.
А почему, RR? Я еще могу понять для не-вакуумных.

Кенгуру

ЦитатаКенгуру, вы удивитесь, но удельный импульс не обязательно численно равен скорости истечения рабочего тела :)

Для вакуумных двигателей, например, УИ больше скорости истечения.

УИ - это по определению отношение тяги к расходу рабочего тела. Не более.

1) Тяга - это сила.

F = m * a (закон Ньютона)

, где ускорение - это a = dV/dt

2) Расход - это масса в секунду, то есть:

m / dt


Делим одно на другое:

m * a / ( m / dt ) = a * dt = (dV / dt) * dt = dV

Таким образом получается, что удельный импульс - это и есть скорость (изменение скорости).
http://goo.gl/vbKbqn">Самообеспечивающаяся станция-сфера с центрифугой Будущее за независимыми от Земли станциями добывающими полезные ископаемые на астероидах http://goo.gl/KNfIuz">Материалы

KBOB

Судя по дате обновления сайта
http://www.lightcrafttechnologies.com/news.html
идея уже вышла из моды
Россия больше чем Плутон.

Кенгуру

Я подумал, может быть эффективнее было бы светить лазером в небольшую солнечную батарею спутника, чтобы он полученную энергию использовал в своём ионном двигателе?
http://goo.gl/vbKbqn">Самообеспечивающаяся станция-сфера с центрифугой Будущее за независимыми от Земли станциями добывающими полезные ископаемые на астероидах http://goo.gl/KNfIuz">Материалы

RadioactiveRainbow

Цитата
ЦитатаДля вакуумных двигателей, например, УИ больше скорости истечения.
А почему, RR? Я еще могу понять для не-вакуумных.

Потому что УИ - это отношение тяги к расходу.
А тяга в общем случае записывается следующим образом:

P=m*V+Fa*(pa-pн)

Р - тяга [Н]
m - массовый расход рабочего тела [кг/с]
Fa - площадь среза сопла [м^2]
pa - давление рабочего тела на срезе сопла
pн - давление окружающей среды


Для вакуума (рн=0) тяга:
P=m*V+Fa*pa

И, соответственно, УИ:
I=V+(Fa*pa)/m
Глупость наказуема

KBOB

ЦитатаЯ подумал, может быть эффективнее было бы светить лазером в небольшую солнечную батарею спутника, чтобы он полученную энергию использовал в своём ионном двигателе?

А может по этому спутнику как "засветить", чтобы он больше не летал.
Россия больше чем Плутон.

Chilik

ЦитатаПотому что УИ - это отношение тяги к расходу.
А тяга в общем случае записывается следующим образом:

P=m*V+Fa*(pa-pн)

Р - тяга [Н]
m - массовый расход рабочего тела [кг/с]
Fa - площадь среза сопла [м^2]
pa - давление рабочего тела на срезе сопла
pн - давление окружающей среды
А это точно правильная формула? Второе слагаемое справа явно лишнее.
Или я чего не понимаю?

RadioactiveRainbow

М? И почему же это оно лишнее?  :|

Ну, по крайней мере так нас учили в курсе общей теории ракетных двигателей.
Не знаю - может и врали :)
Глупость наказуема

SAV

ЦитатаПервые упоминания о том, что с помощью расположенного на Земле лазера можно летать в космос, причем делать это с гораздо большим кпд, нежели при сгорании топлива, появились в начале семидесятых годов прошлого века.
Идея точно начала 70-х?
Эту идею мне рассказывал мой одноклассник не позднее 69 г., а скорее в 1968 г. Если он сам это не придумал, то прочел где-то в популярном журнале.

ronatu

Цитата
ЦитатаПервые упоминания о том, что с помощью расположенного на Земле лазера можно летать в космос, причем делать это с гораздо большим кпд, нежели при сгорании топлива, появились в начале семидесятых годов прошлого века.
Идея точно начала 70-х?
Эту идею мне рассказывал мой одноклассник не позднее 69 г., а скорее в 1968 г. Если он сам это не придумал, то прочел где-то в популярном журнале.

Ec/\u Mo>keTe gokyMeHTa/\bHo nogTBepguTb - R u3MeHi0 Ha 60-e... :P  :wink:
Когда жизнь экзаменует - первыми сдают нервы.

Кенгуру

Цитата
Цитата
ЦитатаДля вакуумных двигателей, например, УИ больше скорости истечения.
А почему, RR? Я еще могу понять для не-вакуумных.

Потому что УИ - это отношение тяги к расходу.
А тяга в общем случае записывается следующим образом:

P=m*V+Fa*(pa-pн)

Р - тяга [Н]
m - массовый расход рабочего тела [кг/с]
Fa - площадь среза сопла [м^2]
pa - давление рабочего тела на срезе сопла
pн - давление окружающей среды

Для вакуума (рн=0) тяга:
P=m*V+Fa*pa

Объясните мне пожалуйста прибавку Fa*pa с точки зрения закона сохранения импульса.

P = m*V - это импульс.

Mракеты * Vракеты = Mгаза * Vгаза - здесь всё нормально. Ракета летит в одну сторону, газ - в другую.

а P = Fa*pa - это как бы дополнительный импульс.

А где его вторая половина? Ракета благодаря ему летит быстрее, а в другую сторону ничего быстрее не летит. Как же так?
http://goo.gl/vbKbqn">Самообеспечивающаяся станция-сфера с центрифугой Будущее за независимыми от Земли станциями добывающими полезные ископаемые на астероидах http://goo.gl/KNfIuz">Материалы

RadioactiveRainbow

А тяга РД определяется не только законом сохранения импульса )
Этот дополнительный член получается при рассмотрении давлений, действующих на контур РД.

http://www.engineer.bmstu.ru/res/dorofeev/lec/gl_02/l02.htm
Учите матчасть (с) :)
Глупость наказуема

Кенгуру

ЦитатаА тяга РД определяется не только законом сохранения импульса )

Если закон сохранения импульса нарушается, то я сейчас быстренько сбацаю двигатель работающий без выброса рабочего тела.


ЦитатаУчите матчасть (с) :)

Тот, кто учил, тот может объяснить, а тот, кто не учил - тот ссылается на ссылки.
http://goo.gl/vbKbqn">Самообеспечивающаяся станция-сфера с центрифугой Будущее за независимыми от Земли станциями добывающими полезные ископаемые на астероидах http://goo.gl/KNfIuz">Материалы

RadioactiveRainbow

ЦитатаЕсли закон сохранения импульса нарушается, то я сейчас быстренько сбацаю двигатель работающий без выброса рабочего тела.
А кто вам сказал, что закон сохранения импульса нарушается? ;)
Ничего подобного. Я сказал, что тяга определяется не только ЗСИ. Есть и другие факторы.

Но вы все равно дерзайте - интересно будет посмотреть :)

ЦитатаТот, кто учил, тот может объяснить, а тот, кто не учил - тот ссылается на ссылки.
Вряд ли я лучше Дорофева объясню...
Но если вам именно меня хочется послушать - с удовольствием расскажу, попросите только :)
Глупость наказуема

Дмитрий В.

Не забудьте учесть, что закон сохранения импульса справедлив только для ЗАМКНУТЫХ систем ("Векторная сумма импульсов тел, образующих замкнутую систему постоянна"). Так что, надо еще суметь выделить эту замкнутую систему. А она, примерно, такова: Ракета, истекающие газы, атмосфера Земли) :wink:
Lingua latina non penis canina
StarShip - аналоговнет!

SAV

ЦитатаEc/\u Mo>keTe gokyMeHTa/\bHo nogTBepguTb - R u3MeHi0 Ha 60-e... :P  :wink:
Да мне самому интересно.

Я учился в восьмилетке, а потом перешел в другую школу поэтому это были еще 60-е годы. Мой товарищ по той восьмилетке Саша Ивченко на перемене в тетрадке нарисовал установленный на земле лазер и ракету с отражателем и объяснил идею. Откуда он знал об этом, я тогда спросить не удосужился. Может «Юный техник» или «Техника молодежи» что-то такое тогда напечатала. Тогда лазеры и космос были очень популярными темами.
В тему.
http://www.vniief.ru/netcat_files/Image/pl2.pdf

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/8ee5b564-372c-b4d0-b4d8-99adc22a6809/08-11_02_2006.pdf

Кенгуру

ЦитатаНе забудьте учесть, что закон сохранения импульса справедлив только для ЗАМКНУТЫХ систем ("Векторная сумма импульсов тел, образующих замкнутую систему постоянна"). Так что, надо еще суметь выделить эту замкнутую систему. А она, примерно, такова: Ракета, истекающие газы, атмосфера Земли) :wink:

А я могу быстренько замкнуть систему. Ставим за соплом огромный бак, куда попадает всё вылетевшее из сопла. Допустим ракета работает на водороде и кислороде, мы пар и воду собираем, подвергаем электролизу и получаем опять кислород и водород, который опять посылаем в двигатель, опять получаем эту прибавку импульса Fa*pa и летим таким образом без выброса вещества, благодаря этой прибавке.

Да, а атмосфера Земли отпадает, так как мы говорили о полёте в вакууме.


Могу дать и своё объяснение этому явлению: воздух отталкиваясь от сопла получает дополнительный импульс.

Так, что утверждение RadioactiveRainbow, что "А тяга РД определяется не только законом сохранения импульса" считаю не верным.
http://goo.gl/vbKbqn">Самообеспечивающаяся станция-сфера с центрифугой Будущее за независимыми от Земли станциями добывающими полезные ископаемые на астероидах http://goo.gl/KNfIuz">Материалы