Существующие концепции и обзор экспериментальных исследований лазерного ракетного двигателя

В настоящее время существует проблема создания двигателей для космических аппаратов, предназначенных для освоения ближнего космоса. Одним из решений данной проблемы является использование лазерного ракетного двигателя. Двигатель такого типа имеет ряд преимуществ и, как показали расчеты, при активной эксплуатации экономически выгоден, что весьма важно для космических систем. Принцип работы лазерного ракетного двигателя позволяет использовать его не только как силовую установку и систему запуска космических аппаратов, но и как систему по уничтожению космического мусора, проблема которого с каждым днем становится все актуальнее. Приведены результаты обзора отечественных и иностранных работ по истории создания и концепции применения существующих в настоящее время образцов лазерных ракетных двигателей, по экспериментальным данным, полученным при измерении удельного импульса и удельной тяги, методам измерения, а также описаны принцип работы и основные физические процессы, происходящие в лазерных ракетных двигателях

Работа поддержана грантом "УМНИК-НТИ" № 14732ГУ/2019 Фонда Содействия инновациям

Литература

[1] Циолковский К.Э. Избранные труды. М., Наука, 2007.

[2] Каширин А.В., Глебанова И.И. Анализ современного состояния рынка наноспутников как подрывной инновации и возможностей его развития в России. Молодой ученый, 2016, с. 855--867.

[3] Данилкин А.П., Козлов В.А. Мировые тенденции развития малых спутников. Экономические стратегии, 2016, т. 18, № 6, с. 136--149. URL: http://www.inesnet.ru/article/mirovye-tendencii-razvitiya-malyx-sputnikov

[4] Гопанчук В.В., Потапенко М.Ю. Электрореактивные двигатели для малых космических аппаратов. Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта, 2012, № 4, с. 60--67.

[5] Гусев Ю.Г., Пильников А.В. Роль и место электроракетных двигателей в российской космической программе. Труды МАИ, 2012, № 60, c. 1--20. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=35385

[6] Phipps C.R. Laser ablation propulsion and its applications in space. In: Advances in the Application of Lasers in Materials Science. Springer Ser. Mater. Sc., vol. 274. 2018. Springer, pp. 217--246. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-96845-2_8

[7] Pigulevski I. Laser propulsion market-creating innovation. New Space, 2016, vol. 4, no. 2, pp. 123--128. DOI: https://doi.org/10.1089/space.2015.0034

[8] Phipps C.R., Birkan M., Bohn W., et al. Review: laser-ablation propulsion. J. Propuls. Power, 2010, vol. 26, no. 4, pp. 609--637. DOI: https://doi.org/10.2514/1.43733

[9] Аскарьян Г.А., Мороз Е.М. Давление при испарении вещества в луче радиации. ЖЭТФ, 1962, т. 43, № 6, с. 2319--2320.

[10] Kantrowitz A. Propulsion to orbit by ground based lasers. Astronaut. Aeronaut., 1972, vol. 10, pp. 74--76.

[11] Бункин Ф.В., Прохоров А.М. Использование лазерного источника энергии для создания реактивной тяги. УФН, 1976, т. 119, № 3, с. 425--446. DOI: https://doi.org/10.3367/UFNr.0119.197607b.0425

[12] Агеев В.П., Барчуков А.И., Бункин Ф.В. и др. Лазерный воздушно-реактивный двигатель. Квантовая электроника, 1977, т. 4, № 12, с. 2501--2513.

[13] Nebolsine P.E., Porridge A.N., Goela J.S., et al. Pulsed laser propulsion. AIAA J., 1981, vol. 19, no. 1, pp. 127--128. DOI: https://doi.org/10.2514/3.7754

[14] Phipps C.R., Bonnal C., Masson F., et al. Small payload transfers from earth to LEO and LEO to interplanetary space using lasers. Acta Astronaut., 2018, vol. 146, pp. 92--102. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2018.02.018

[15] Саттаров А.Г. Концепция космического ЛА с малой начальной массой, выводимого на околоземную орбиту лазерным ракетным двигателем. Известия высших учебных заведений. Авиационная техника, 2008, № 2, с. 41--45.

[16] Humble W.E., Pierson B.L. Maximum-payload trajectories for a laser-propelled launch vehicle. J. Guid. Control Dyn., 1995, vol. 18, no. 6, pp. 1259--1266. DOI: https://doi.org/10.2514/3.21539

[17] Minami Y., Uchida S. Conceptual study of manned space transportation vehicle using laser thruster in combination with the H-II rocket. Acta Astronaut., 2013, vol. 82, no. 2, pp. 166--172. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2012.05.004

[18] Сочнев А.В. Исследование лазерного ракетного двигателя с коническим соплом на основе импульсного оптического разряда для космических аппаратов с малой начальной массой. Дис. ... канд. техн. наук. Казань, КНИТУ-КАИ, 2017.

[19] Battiston R., Burger W.J., Cafagna A., et al. A systematic study of laser ablation for space debris mitigation. J. Space Saf. Eng., 2017, vol. 4, no. 1, pp. 36--44. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jsse.2017.02.003

[20] Phipps C.R. LADROIT --- a spaceborne ultraviolet laser system for space debris clearing. Acta Astronaut., 2014, vol. 104, no. 1, pp. 243--255. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2014.08.007

[21] Vasile M., Gibbings A., Watson I., et al. Improved laser ablation model for asteroid deflection. Acta Astronaut., 2014, vol. 103, pp. 382--394. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2014.01.033

[22] Phipps C.R., Baker K.L., Libby S.B., et al. A laser-optical system to remove low earth orbit. 6th Europ. Conf. Space Debris., Darmstadt, 2013, pp. 22--25.

[23] Вениаминов С.С., Червонов А.М. Космический мусор --- угроза человечеству. М., ИКИ РАН, 2013.

[24] Loktionov E.Y., Skobelev M.M. Possible utilization of space debris for laser propulsion. J. Phys.: Conf. Ser., 2019, vol. 1147, art. 012074. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1147/1/012074

[25] Резунков Ю.А. Лазерная реактивная тяга. Обзор исследований. Оптический журнал, 2007, т. 74, № 8, с. 20--32.

[26] Davis E.W., Mead F.B. Review of laser lightcraft propulsion system. Beamed energy propulsion. AIP Conf. Proc., 2008, vol. 997, no. 1, pp. 283--294. DOI: https://doi.org/10.1063/1.2931899

[27] Егоров М.С. Исследование и разработка бортовой оптической системы для малых космических аппаратов с лазерной реактивной тягой. Дис. ... канд. техн. наук. СПб., ИТМО, 2016.

[28] Апполонов В.В., Тищенко В.Н. Лазерный двигатель на основе эффекта резонансного объединения ударных волн. Квантовая электроника, 2006, т. 36, № 7, с. 673--683.

[29] Phipps C.R., Luke J.R., McDuff G.G., et al. Laser ablation powered mini-thruster. Proc. SPIE, 2002, vol. 4760, pp. 833--842. DOI: https://doi.org/10.1117/12.482038

[30] Дрегалин А.Ф., Черенков А.С., Саттаров А.Г. и др. Экспериментальное и теоретическое исследование характеристик лазерного ракетного двигателя на основе непрерывного оптического разряда. Известия высших учебных заведений. Авиационная техника, 2010, № 4, с. 39--43.

[31] Вахитов М.Ф., Кашапов Н.Ф., Саттаров А.Г. Расчетно-теоретическое исследование течения газа в сопле Лаваля газодинамического окна и в камере лазерных энергетических установок. Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий, 2010, т. 1, № 1, с. 205--208.

[32] Саттаров А.Г., Бикмучев А.Р., Вахитов М.Ф. и др. Исследование внутрикамерных процессов в энергетических установках на основе оптического разряда. Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, 2009, № 3, с. 35--39.

[33] Саттаров А.Г. Лазерный ракетный двигатель на основе непрерывного оптического разряда. Известия высших учебных заведений. Авиационная техника, 2008, № 3, с. 46--50.

[34] Phipps C.R., Luke J.R. Micro laser plasma thrusters for small satellites. Proc. SPIE, 2000, vol. 4065, pp. 801--809. DOI: https://doi.org/10.1117/12.407400

[35] Саттаров А.Г., Сочнев А.В., Бикмучев А.Р. Статическая устойчивость по угловому движению летательного аппарата со штыревым коническим соплом на лазерной тяге. Известия высших учебных заведений. Авиационная техника, 2018, № 2, с. 142--145.

[36] Глэмб Р.Д., Криер Х. Метод расчета лазерной плазмы в осесимметричном потоке газа. Аэрокосмическая техника, 1987, № 6, с. 133--139.

[37] Дженг С.М., Кифер Д.Р., Уэлле Р. и др. Лазерная плазма в потоке аргона. Аэрокосмическая техника, 1988, № 3, с. 73--81.

[38] Райзер Ю.П., Силантьев А.Ю., Суржиков С.Т. Двумерные расчеты непрерывного оптического разряда в потоке атмосферного воздуха (оптического плазмотрона). ТВТ, 1987, т. 25, № 3, с. 454--461.

[39] Суржиков С.Т. Радиационно-конвективный теплообмен в камере оптического плазмотрона. ТВТ, 1990, т. 28, № 6, с. 1205--1213.

[40] Мирабо Л., Райзер Ю.П., Суржиков С.Т. Лазерные волны горения в соплах Лаваля. ТВТ, 1995, т. 33, № 1, с. 13--23.

[41] Саттаров А.Г. Метод расчета температурного поля множественных плазменных образований в камере поглощения лазерного ракетного двигателя. Известия высших учебных заведений. Авиационная техника, 2008, № 4, с. 69--71.

[42] Райзер Ю.П., Суржиков С.Т. Исследование процесса в оптическом плазмотроне на основе численных расчетов. Квантовая электроника, 1984, т. 11, № 11, с. 2301--2310.

[43] Райзер Ю.П., Суржиков С.Т. Горение непрерывного оптического разряда при повышенных давлениях. Квантовая электроника, 1988, т. 15, № 3, с. 551--553.

[44] Прохоров А.М., Конов В.И., Урсу И. и др. Взаимодействие лазерного излучения с металлами. М., Наука, 1988.

[45] Климков Ю.В., Майоров В.С., Хорошев М.В. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. М., МИИГАиК, 2014.

[46] Phipps C.R., Boustie M., Chevalier J.-M., et al. Laser impulse coupling measurements at 400 fs and 80 ps using the LULI facility at 1057 nm wavelength. J. Appl. Phys., 2017, vol. 122, no. 19, art. 193103. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4997196

[47] Yu H., Li H., Wang Y., et al. Brief review on pulse laser propulsion. Opt. Laser Technol., 2018, vol. 100, pp. 57--74. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2017.09.052

[48] Phipps C.R., Luke J.R. Advantages of a ns-pulse micro-laser plasma thruster. AIP Conf. Proc., 2003, vol. 664, no. 1, pp. 230--239. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1582112

[49] Саттаров А.Г., Сочнев А.В. Исследование составляющих лазерной реактивной тяги при помощи уравнения регрессии второго порядка. Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, 2016, т. 72, № 1, с. 32--39.

[50] Саттаров А.Г., Сочнев А.В., Бикмучев А.Р. Измерение импульса реактивной силы, создаваемой импульсным оптическим разрядом при помощи баллистического маятника. Труды Академэнерго, 2015, № 1, с. 75--82.

[51] Zheng Z.Y., Zhang J., Lu X., et al. Characteristic investigation of ablative laser propulsion driven by nanosecond laser pulses. Appl. Phys. A, 2006, vol. 83, no. 2, pp. 329--332. DOI: https://doi.org/10.1007/s00339-006-3498-z

[52] Zheng Z.Y., Gao H., Gao L., et al. Laser plasma propulsion generation in nanosecond pulse laser interaction with polyimide film. Appl. Phys. A, 2014, vol. 115, no. 4, pp. 1439--1443. DOI: https://doi.org/10.1007/s00339-013-8060-1

[53] Jiao L., Cai J., Ma H.H., et al. Research on applications of rectangular beam in micro laser propulsion. Appl. Surf. Sс., 2014, vol. 301, pp. 481--487. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.02.107

[54] Zhang Y., Zhang D., Wu J., et al. A novel laser ablation plasma thruster with electromagnetic acceleration. Acta Astronaut., 2016, vol. 127, pp. 438--447. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2016.05.039

[55] Trezzolani F., Magarotto M., Manente M., et al. Development of a counterbalanced pendulum thrust stand for electric propulsion. Measurement, 2018, vol. 122, pp. 494--501. DOI: https://doi.org/10.1016/j.measurement.2018.02.011

[56] Yabe T., Phipps C., Yamaguchiet M., et al. Microairplane propelled by laser driven exotic target. Appl. Phys. Lett., 2002, vol. 80, no. 23, pp. 4318--4320. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1485313

[57] Локтионов Е.Ю., Протасов Ю.С., Протасов Ю.Ю. Верификация методов определения импульса отдачи в микро- и наноньютоновом диапазоне при лазерной абляции твердотельных мишеней. Успехи прикладной физики, 2013, т. 1, № 4, с. 439--449.

[58] Oigawa I., Akashi N., Hosokawa H., et al. A short-pulse laser assisted pulsed plasma thruster. 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf., 2014. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2014-3537

[59] Jamil Y., Saeed H., Raza Ahmad M., et al. Measurement of ablative laser propulsion parameters for aluminum, Co--Ni ferrite and polyurethane polymer. Appl. Phys. A, 2013, vol. 110, no. 1, pp. 207--210. DOI: https://doi.org/10.1007/s00339-012-7115-z

[60] Zheng Z.Y., Zhang J., Zhang Y., et al. Enhancement of coupling coefficient of laser plasma propulsion by water confinement. Appl. Phys. A, 2006, vol. 85, no. 4, pp. 441--443. DOI: https://doi.org/10.1007/s00339-006-3714-x

[61] Zheng Z.Y., Zhang J., Hao Z.Q., et al. Paper airplane propelled by laser plasma channels generated by femtosecond laser pulses in air. Opt. Express, 2005, vol. 13, no. 26, pp. 10616--10621. DOI: https://doi.org/10.1364/opex.13.010616

[62] Raza Ahmad M., Jamil Y., Saeed H., et al. A new perspective of ablative pulsed laser propulsion: Study on different morphologies of nano-structured ZnO. Laser Phys. Lett., 2015, vol. 12, no. 5, art. 56101. DOI: https://doi.org/10.1088/1612-2011/12/5/056101

[63] Sinko J.E., Gregory D.A. CO₂-laser ablation impulse generation with polymer propellants. J. Propuls. Power, 2011, vol. 27, no. 5, pp. 1121--1130. DOI: https://doi.org/10.2514/1.B34072

[64] Nakano M., Fujita K., Uchida Sh., et al. Fundamental experiments on glycerin propellant laser thruster. AIP Conf. Proc., 2004, vol. 139, no. 1, pp. 139--145. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1720994

[65] Zheng Z.Y., Zhang S.Q., Liang T., et al. Characterization of laser ablation of carbon-doped glycerol at different laser wavelengths. Appl. Phys. A, 2016, vol. 122, no. 12, art. 1062. DOI: https://doi.org/10.1007/s00339-016-0586-6

[66] Horisawa H., Kawakami M., Kimura I. Laser-assisted pulsed plasma thruster for space propulsion applications. Appl. Phys. A, 2005, vol. 81, no. 2, pp. 303--310. DOI: https://doi.org/10.1007/s00339-005-3210-8

[67] Zhang X., Cai J., Li L. Experimental investigation of the reflection mode micro laser propulsion under highly frequent and multi pulse laser. AIP Conf. Proc., 2011, vol. 1402, no. 1, pp. 383--390. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3657045

[68] Wang B., Han T., Michigami K., et al. Thrust measurement of laser detonation thruster with a pulsed glass laser. AIP Conf. Proc., 2011, vol. 1402, no. 1, pp. 282--289. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3657034

[69] Li X., Cheng M., Wang M., et al. Numerical study on impulse characteristics of laser-supported air-breathing pulsed detonation thrusters. P. I. Mech. Eng. G.-J. Aer. Eng., 2014, vol. 228, no. 8, pp. 1324--1335. DOI: https://doi.org/10.1177/0954410013490454

[70] Mori K., Maruyama R., Shimamura K. Energy conversion and momentum coupling of the sub-kJ laser ablation of aluminum in air atmosphere. J. Appl. Phys., 2015, vol. 118, no. 7, art. 073304. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4928968

[71] Shi L., Zhao S.H., Chu X.C., et al. Effect of a simple double-confined structure on nanosecond pulse ablative laser propulsion. EPL, 2009, vol. 85, no. 5, art. 55001. DOI: https://doi.org/10.1209/0295-5075/85/55001

[72] Li L., Jiao L., Tang Z., et al. Effect of nozzle geometry on the performance of laser ablative propulsion thruster. App. Phys. A, 2016, vol. 122, no. 5, art. 511. DOI: https://doi.org/10.1007/s00339-016-0040-9

[73] Kenoyer D.A., Salvador I.I., Myrabo L.N. Beam-riding behavior of lightcraft engines with ∼ 1 μs pulsed TEA CO₂-laser. AIP Conf. Proc., 2011, vol. 1402, no. 1, pp. 93--105. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3657019

[74] Urech L., Hauer M., Lippert T., et al. Designed polymers for laser-based micro-thrusters: correlation of thrust with material, plasma, and shockwave properties (plenary paper). Proc. SPIE, 2004, vol. 5448. DOI: https://doi.org/10.1117/12.544771

[75] Urech L., Lippert T., Phipps C.R., et al. Polymers as fuel for laser-based micro-thrusters: an investigation of thrust, material, plasma and shockwave properties. Appl. Surf. Sс., 2007, vol. 253, no. 19, pp. 7646--7650. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2007.02.032