Концепция ракетного движителя, питаемого от удельного источника энергии посредством лазерного луча большой мощности, исследуется уже более 10 лет. Исследования показали, что потенциальными преимуществами такого движителя являются высокий удельный импульс, умеренные и большие величины тяги (ограниченные главным образом располагаемой средней лазерной мощностью), удаленный источник энергии, а также большое допустимое отношение полезной нагрузки к общей массе космического летательного аппарата. Сочетание высокого удельного импульса и большой тяги желательно для многих космических полетов. Удельный импульс химических двигателей ограничен величиной менее 500 с из-за ограниченной температуры продуктов сгорания. Электрический движитель может обеспечить высокий удельный импульс, однако ограничен малым уровнем тяги вследствие необходимости нести на борту КЛА источник электрической энергии или оборудование для его генерирования.
На рис. 2 показаны конфигурации движителей как для непрерывного, так и для импульсно-периодического (ИП) лазерного двигателя. В первом случае энергия непрерывного лазерного излучения собирается, фокусируется и поглощается в камере, через которую постоянно протекает рабочий газ. Этот рабочий газ нагревается до очень высокой температуры (которая ограничивается лишь располагаемой лазерной энергией и максимально допустимой температурой стенок камеры) и затем расширяется в сопле с преобразованием тепловой энергии в тягу. Энергия лазерного луча непрерывно подводится к рабочему телу, и тяга поддерживается постоянной. В таком движителе «камера сгорания» выглядит необычно, тогда как звуковая и сверхзвуковая части ракетного сопла имеют привычный вид. В отличие от описанного в ИП-движителе дозвуковой поток холодный, и рабочее тело «взрывообразно» нагревается импульсами лазерного излучения.
Рис 2. Два варианта лазерных движителей.
а — движитель с непрерывным источником лазерной мощности; б — движитель с импульсно-периодическим источником ядерной мощности. 1 — коллектор; 2 — подача рабочего тела, 3 — окно, 4 — область нагрева рабочего тела за счет поглощения лазерной энергии; 5 — сопло; 6 — инициированная лазером ударная волна.
Ниже дается обзор перспектив импульсного лазерного двигателя. Будут рассмотрены схемы такого двигателя и его преимущества, технические аспекты и выполненные к настоящему времени исследования. В заключение будут даны ключевые исследовательские проблемы, которые должны быть решены для того, чтобы импульсный лазерный двигатель мог быть создан еще в этом столетии.
В ранних схемах непрерывного движителя предусматривалось вводить лазерный луч в движитель со стороны сопла на расположенное в горловине твердое рабочее тело. Предполагалось, что энергия лазерного луча вызовет абляцию твердого топлива и нагрев образующегося газа лазерной энергией. Однако вскоре выяснилось, что в газообразных продуктах абляции возникают волны лазерного поглощения, которые экранируют твердое рабочее тело и препятствуют его дальнейшему нагреву и испарению, если первоначально образовавшийся газ не удален из сопла. Аналогичный эффект возникает и при замене твердого рабочего тела потоком газа, поглощающего лазерную энергию. Одно из решений этой проблемы может дать ИП-движитель, в котором нагрев газа осуществляется короткими периодическими лазерными импульсами. После каждого импульса нагретый газ выбрасывается из сопла, и цикл повторяется.
Рис. 2. Движитель, питаемый импульсно-периодическим лазером.
1 — область лазерного пробоя; 2 — поток холодного рабочего тела; 3 — камера; 4 — фокус параболоидного сопла; 5—алюминиевое сопло; 6 — ударная волна; 7 — полированная внутренняя поверхность сопла.
В показанной на рис. 2 схеме ИП-движителя параболические стенки сопла фокусируют падающий луч, чтобы вызвать пробой в рабочем теле в фокальной зоне параболоида. При пробое газа излучением мощного лазера возникает детонационная волна с плазмой высокого давления за ней. В случае короткого лазерного импульса детонационная волна быстро превращается во взрывную волну, которая движется к выходному сечению сопла, преобразуя высокое давление рабочего газа за ней в силу, действующую на стенки сопла. Рабочее тело подается в фокальную область сопла из ресивера. Индуцированная лазером волна блокирует поток рабочего тела из ресивера в сопло до тех пор, пока давление в горловине не уменьшится до величины, соответствующей звуковому течению, после чего поток рабочего тела возобновляется. Этот процесс повторяется при каждом последующем лазерном импульсе.
В дополнение к тому, что концепция ИП-движителя позволяет обойти проблему блокирования поглощения лазерного излучения, характерную для непрерывных движителей, она обладает также и другими преимуществами. К ним относятся сравнительно простая конструкция двигателя, не требующая окна и внешней фокусирующей оптики, и довольно мягкие требования к рабочему телу. Поскольку для инициирования процесса поглощения энергии используется оптический пробой газа под действием лазерного луча высокой интенсивности, импульсные движители с лазерным нагревом не требуют рабочих тел с какими-либо определенными поглощательными свойствами при низкой температуре.
Интерес к ИП-движителям усилился с развитием техники импульсных лазеров. Недавно был достигнут значительный прогресс в характеристиках импульсно-периодических лазерных устройств. К настоящему времени созданы или находятся в стадии разработки лазерные ИП-системы, сравнимые по средней выходной мощности с достаточно крупными непрерывными лазерными устройствами. Кроме того, результаты недавних исследований показывают, что развитие техники высокомощных коротковолновых ИП-лазеров для систем космического оружия можно совместить с использованием импульсных лазерных двигателей для космических полетов.
