Автореферат (Расчетно-теоретическое исследование характеристик и обоснование возможности создания многоцелевой космической энергоустановки на основе фтороводородных непрерывных химических лазеров)

На правах рукописиУДК 544.531Авдеев Алексей ВалерьевичРасчетно-теоретическое исследование характеристик и обоснованиевозможности создания многоцелевой космической энергоустановкина основе фтороводородных непрерывных химических лазеровСпециальность 05.07.05«Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановкилетательных аппаратов»Специальность 01.04.21«Лазерная физика»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2014Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»Научный руководитель:доктор технических наук, профессор, академикРАНКаторгин Борис ИвановичОфициальные оппоненты:Солдатов Валерий Иванович,доктор технический наук,Государственный научный центр РФ ОАО«Национальный центр лазерных систем и комплексов «Астрофизика», главный научный сотрудникТрощенков Сергей Викторович,кандидат физико-математических наук,ОАО «Объединенная двигательная корпорация», начальник отдела ракетных двигателейВедущая организация:федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им.

Д.Ф. Устинова»Защита диссертации состоится «6» октября 2014 года в 13 ч. 00 мин. назаседании диссертационного совета Д212.125.08, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшегопрофессионального образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» (МАИ) по адресу: 125993, г.Москва, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московского авиационного института (национального исследовательского университета), http://mai.ru/events/defence/index.php?ELEMENT_ID=49996Автореферат разослан “__” ________ 2014 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д212.125.08,д.т.н., профессорЗуев Юрий Владимирович2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследованияИнтерес к фтороводородным непрерывным химическим лазерам (НХЛ) связан свозможностью эффективного непосредственного преобразования внутренней химической энергии веществ, находящихся в баках системы хранения, в когерентное излучение,минуя другие стадии преобразования.

Химический КПД НХЛ значительно превосходитКПД других лазеров и достигает ~ 15%, что позволяет получать высокую мощность излучения, недостижимую для других типов лазеров.Принципиальная схема лазерной энергоустановки на основе HF(DF)-НХЛ показана на рисунке 1. Автономный HF(DF)-НХЛ состоит из следующих основных частей: генератора активной среды (ГАС), обеспечивающего формирование активной среды смаксимально возможным энергозапасом и высоким оптическим качеством; оптическогорезонатора, обеспечивающего преобразование запасенной в активной среде энергиивозбужденных молекул в лазерное излучение; сверхзвукового диффузора, преобразующего сверхзвуковой поток лазерных газов в дозвуковой; теплообменника для снижениятемпературы отработанных лазерных газов и тем самым снижения расхода эжектирующего газа; газоструйного эжектора для откачки отработанных лазерных газов, устанавливаемого в том случае, когда появляется необходимость обеспечения выхлопа в атмосферу (при воздушном, морском и наземном базированиях); в случае космического базирования необходимость в использовании газоструйного эжектора отпадает; системыхранения и подачи компонентов (на рисунке 1 не показана).Рисунок 1 – Принципиальная схема HF(DF)-НХЛ различных видов базирования.3В ОАО «НПО Энергомаш им.

акад. В.П. Глушко» были созданы фтороводородные НХЛ наземного и воздушного базирования, работающие в непрерывном режиме, сосреднеразмерным ГАС МГ5 и крупноразмерным ГАС Н00. По сравнению с непрерывным режимом генерации, импульсно-периодический режим (ИПР) во фтороводородныххимических лазерах с непрерывной накачкой мало изучен, хотя при его реализации могбы представлять большой интерес в прикладном плане. Средняя мощность в ИПР ниже,чем мощность непрерывного излучения, при этом пиковая мощность импульсов в десятки раз может превышать мощность излучения непрерывного режима.

Высокая средняя мощность, свойственная НХЛ, позволит в случае реализации ИПР получать сверхвысокую пиковую мощность в импульсе.ИПР в HF-НХЛ впервые теоретически был рассмотрен в CCCР в 1979 году. С техпор интерес к данной теме не угасает, и до сих пор ведутся работы по теоретическому ирасчетному исследованиям ИПР в HF-НХЛ.

Однако в открытой литературе на сегодняшний день нет системных решений получения на практике высокочастотных сверхмощных импульсов при том, что область применения таких импульсов могла бы бытьдовольно большой. При этом следует отметить, что для максимальной энергетическойэффективности HF-НХЛ частота повторения импульсов излучения определяется скоростью восстановления инверсии населенности в активной среде и должна составлятьf=105 Гц.Целью данной работы является теоретическое исследование и разработка системыполучения высокочастотного сверхмощного ИПР в энергоустановке на основе HF(DF)НХЛ.

Помимо этого показана возможность размещения такой энергоустановки на бортуКА, выводимого в космос для решения следующих задач: защиты КА и очистки околоземного пространства от опасных ФКМ, подпитки энергией аккумуляторных батарей(АКБ) КА, и мониторинга приземной атмосферы.В последние годы большое внимание уделяется изучению возможности использования лазерных энергоустановок для очистки околоземного пространства от фрагментовкосмического мусора (ФКМ), которые накопились за все время эксплуатации космоса исоздают в ряде случаев большую угрозу для космических аппаратов (КА). Наиболееопасный диаметр ФКМ для КА – это 1…10 см, так как такие ФКМ не видны на экранахрадиолокаторов и избежать столкновения с ними путем маневрирования не возможно.Сейчас число таких ФКМ в космическом пространстве составляет около 600 тысяч.4Для увода ФКМ с орбиты необходимо уменьшить скорость его движения.

При облучении ФКМ мощным непрерывным лазерным излучением возникающая плазма будетэкранировать его поверхность. Чтобы избежать этого, нужно использовать импульсныйрежим облучения. В этом случае испарение материала ФКМ при облучении его поверхности сопровождается образованием эрозионного плазменного факела, который можетсоздавать значительный реактивный импульс отдачи, приводящий к изменению скорости ФКМ на необходимую величину.

Причем интервал между лазерными импульсамидолжен быть таким, чтобы плазма за это время успевала бы разлететься и не экранировала бы прохождение следующего импульса.Для очистки околоземного космического пространства разрабатываются различные проекты. Например, проект «Орион» (США), в котором для наблюдения и воздействия на ФКМ предполагается использовать наземную энергоустановку на основе твердотельного лазера.

В лаборатории «Sandia» рассматривается возможность удаленияФКМ с орбит КА с помощью системы «FALCON» с мощностью излучения 5 МВт, зеркалом диаметром 10 м и накачкой продуктами ядерных реакций, излучающей на длиневолны 1,73 мкм. В проекте «SELENE» предполагается использовать мощный лазерназемного базирования на свободных электронах.

Но все эти способы имеют существенные недостатки, связанные с необходимостью прохождения излучения большоймощности в атмосфере, что приведет к потере оптического качества пучка излучения ивозникновению нелинейных эффектов. К тому же наземные лазеры невозможно использовать в облачную погоду. Они имеют малую мобильность, поэтому число ФКМ, которые можно подвергнуть воздействию их излучения, будет довольно ограниченным. Влазерах космического базирования эти недостатки отсутствуют, поэтому представляетопределенный интерес и актуальность разработка многоцелевой космической лазернойэнергустановки (МКЛЭУ), использующей фтороводородный НХЛ, не требующий длясвоей работы потребления электричества. Задача будет состоять только в доставке наорбиту для этой установки компонентов лазерного топлива и ее дозаправки.Переходя ко второй задаче, следует отметить, что в последнее время все большийинтерес вызывает проблема использования лазерного излучения для дистанционной передачи энергии с целью подпитки АКБ различных КА для продления срока их службы исущественного снижения массы АКБ.

Использование для этих целей лазерного излучения дает существенные преимущества перед использованием другого источника энер5гии - СВЧ излучения миллиметрового или сантиметрового диапазона. В случае использования лазерного излучения размеры формирующего телескопа и приемных элементовна много порядков меньше, чем в случае использования СВЧ антенн. По оценкам экспертов применение лазеров для подпитки АКБ КА может увеличить срок их службы снынешних ~10 лет до ~20 лет. Таким образом, предлагается использовать рассматриваемую в данной работе МКЛЭУ при её работе в непрерывном режиме излучения и дляподпитки энергией АКБ КА.Еще одной областью применения излучения такой МКЛЭУ является дистанционный контроль экологической обстановки в приземной атмосфере.

На сегодняшний деньустановки для лазерного мониторинга атмосферы созданы для работы в земной атмосфере, но из-за токсичности выхлопа фтороводородных лазеров их применение для этихцелей весьма ограничено. В то же время спектр излучения DF-НХЛ (3,55 …4,05 мкм)слабо поглощается атмосферой и совпадает со спектром поглощения очень большогочисла атмосферных газов. В их число входят: СO2, N2O, NO, SO2, HCl, C3H8, HDO, H2O,HF и различные углеводороды. С помощью DF-НХЛ могут быть обнаружены такие соединения, как аммиак, этилен, гидразин, озон, толуол, трихлорэтилен, ксилол, арсин ит.д. Следовательно, МКЛЭУ может быть использована для исследования газового состава атмосферы, а также для нахождения утечек из газовых магистралей. Причем, как и вбольшинстве локационных систем, при мониторинге атмосферы необходим ИПР излучения.Целью и задачами работы является создание физико-математической моделисистемы формирования импульсно-периодического излучения HF-НХЛ; исследование итеоретическая разработка системы получения импульсно-периодического HF-излученияс частотой ~ 100 кГц, длительностью импульсов 10 нс и энергией в импульсе ~ l Дж вМКЛЭУ при использовании непрерывной накачки активных сред в ГАС автономныхHF(DF)-НХЛ; разработка компоновочной схемы МКЛЭУ на борту КА для обеспечениязащиты КА от опасных ФКМ и очистки околоземного пространства, подпитки энергиейАКБ КА и мониторинга приземной атмосферы, расчетно-теоретическое исследованиеэнергетических и массо-габаритных характеристик МКЛЭУ.Объектом исследования являются подсистемы многоцелевой космической лазерной установки на основе автономных непрерывных химических HF- и DF-лазеров,6генерирующих излучение как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах.Предметом исследования являются параметры излучения МКЛЭУ, физическиеаспекты работы основных частей установки, технические аспекты перевода излученияиз непрерывного в импульсно-периодический режим с необходимыми параметрами,компоновка МКЛЭУ на борту КА, выводимого в космос и задачи, которые может выполнять МКЛЭУ.Методомисследованияявляетсяиспользованиесозданнойфизико-математической модели системы формирования импульсно-периодического излученияHF-НХЛ, основанной на уравнениях перераспределения заселенности лазерных уровнейпри формировании короткого импульса в активной среде (АС), уравнениях распространения и формирования усиленного спонтанного излучения (УСИ) в АС, экспериментальных данных по лучевой стойкости электрооптических затворов CdTe.Научная новизна исследования1.