Экспериментальные исследования зажигания ракетных топлив кислород--водород, кислород--метан полупроводниковым лазером

Приведены результаты экспериментальных исследований, направленных на внедрение лазерного зажигания топливных смесей в изделиях ракетной техники. В качестве источника энергии воспламенения использован полупроводниковый лазер с волоконным выводом излучения, работающий в квазинепрерывном режиме. Эксперименты проведены для топливных пар кислород--водород и кислород--метан. Цель исследований заключалась в демонстрации принципиальной возможности реализации зажигания топлив с использованием лазера данного типа на примере запального устройства для ракетных двигателей и ракетного двигателя малой тяги. Прямое использование полупроводниковых лазеров в качестве источника энергии воспламенения топливных смесей в ракетной технике весьма привлекательно, так как позволяет снизить требования к тепловым режимам работы системы лазерного зажигания на борту ракеты или космического аппарата, а также расширить диапазон допустимых виброударных нагрузок. Приведены результаты экспериментов, отражающие диапазоны рабочих параметров и циклограммы работы исследованных устройств, при которых наблюдалось стабильное воспламенение топливных смесей кислород--водород и кислород--метан, а также необходимые для этого энергетические параметры полупроводникового лазера. Выявлены особенности использования системы зажигания на основе полупроводникового лазера, которые будут полезны при создании устройств лазерного воспламенения для запуска устройств ракетной техники, обеспечивающих надежное и многократное включение

Литература

[1] Borner M., Manfletti C., Hardi J., et al. Laser ignition of a multi-injector LOX/methane combustor. CEAS Space. J., 2018, vol. 10, no. 2, pp. 273--286. DOI: https://doi.org/10.1007/s12567-018-0196-6

[2] Borner M., Manfletti C., Kroupa G., et al. Repetitive laser ignition by optical breakdown of a LOX/H₂ rocket combustion chamber with multi-injector head configuration. CEAS Space J., 2017, vol. 9, no. 3, pp. 289--297. DOI: https://doi.org/10.1007/s12567-017-0163-7

[3] Soller S., Rackemann N., Kroupa G. Laser ignition application to cryogenic propellant rocket thrust chambers. LIC, 2017, paper LFA4.3. DOI: https://doi.org/10.1364/LIC.2017.LFA4.3

[4] Hasegawa K., Kusaka K., Kumakawa A., et al. Laser ignition characteristics of GOX/GH₂ and GOX/GCH₄ propellants. 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf. Exhibit, 2003, no. 2003--4906. DOI: https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/6.2003-4906

[5] Phuoc T.X. Laser-induced spark ignition fundamental and applications. Opt. Lasers Eng., 2006, vol. 44, no. 5, pp. 351--397. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2005.03.008

[6] Wintner E., Kofler H., Agarwal A.K., et. al. Laser ignition of engines --- a contribution to environmental protection and a challenge to laser technology. Ann. J. Electron., 2014, vol. 8, pp. 1--8.

[7] Ребров С.Г., Голиков А.Н., Голубев В.А. Лазерное воспламенение ракетных топлив в модельной камере сгорания. Труды МАИ, 2012, № 53. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=29491

[8] Ребров С.Г., Голиков А.Н., Голубев В.А. и др. Ракетный двигатель малой тяги, работающий на несамовоспламеняющихся газообразном окислителе и жидком горючем, и способ его запуска. Патент РФ 2400644. Заявл. 09.06.2009, опубл. 27.09.2010.

[9] Ребров С.Г., Голубев В.А., Голиков А.Н. Камера жидкостного ракетного двигателя или газогенератора с лазерным устройством воспламенения компонентов топлива и способ ее запуска. Патент РФ 2468240. Заявл. 04.11.2011, опубл. 27.11.2012.

[10] Ребров С.Г., Голубев В.А., Голиков А.Н. Способ запуска камеры жидкостного ракетного двигателя или газогенератора с лазерным воспламенением топлива и устройство для его осуществления. Патент РФ 2679949. Заявл. 09.02.2018, опубл. 14.02.2019.

[11] Ребров С.Г., Голубев В.А., Голиков А.Н. Лазерное зажигание кислородно-углеводородных топлив в ракетных двигателях. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2018, № 7, с. 77--91. DOI: https://doi.org/10.18698/0536-1044-2018-7-77-91

[12] Ребров С.Г., Голубев В.А., Космачев Ю.П. и др. Лазерное зажигание топлива жидкий кислород--газообразный водород в крупноразмерной камере сгорания. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2019, № 12, с. 104--114. DOI: https://doi.org/10.18698/0536-1044-2019-12-104-114

[13] Чванов В.К., Белов Е.А., Голубев В.А. и др. Исследование лазерного воспламенения топлива кислород--керосин в модельной установке. Труды НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко, 2012, № 29, с. 198--210.

[14] Чванов В.К., Ганин И.А., Иванов Н.Г. и др. Экспериментальное исследование лазерного воспламенения топлива кислород--керосин в камерах ЖРД. Труды НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко, 2015, № 32, c. 113--133.

[15] Плетнев Н.В., Пономарев Н.Б., Моталин Г.А. и др. Разработка и испытание лазерной системы зажигания ракетных двигателей. Физика горения и взрыва, 2020, т. 56, № 2, с. 65--72.

[16] Райзер Ю.П. Непрерывный оптический разряд-поддержание и генерация плотной низкотемпературной плазмы лазерным излучением. Соросовский образовательный журнал, 1996, № 3, c. 87--94.

[17] Yalin A.P. High power fiber delivery for laser ignition applications. Opt. Express, 2013, vol. 21, no. S6, pp. A1102--A1112. DOI: https://doi.org/10.1364/oe.21.0a1102

[18] Mullett J.D., Dearden G., Dodd R., et al. A comparative study of optical fibre types for application in a laser-induced ignition system. J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 2009, vol. 11, no. 5, art. 054007. DOI: https://doi.org/10.1088/1464-4258/11/5/054007

[19] Griffiths J., Dowding C., Riley M.J.W., et al. Gas turbine laser ignition via solid core optical fiber? A photon flux density approach. LIC, 2015, paper Th3A.3. DOI: https://doi.org/10.1364/LIC.2015.Th3A.3

[20] Иванов А.В., Ребров С.Г., Пономарев Н.Б. и др. Способ воспламенения компонентов топлива в камере сгорания ракетного двигателя и устройство для его осуществления (варианты). Патент РФ 2326263. Заявл. 14.05.2007, опубл. 10.06.2008.

[21] Иванов А.В., Ребров С.Г., Голиков А.Н. и др. Лазерное зажигание ракетных топлив кислород--водород, кислород--метан. Авиакосмическая техника и технология, 2008, № 2, с. 47--54.