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

2ОГЛАВЛЕНИЕСписок сокращений ............................................................................................................ 4ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................... 5Обзор литературы .............................................................................................................

24Глава 1 РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯМОЩНОГО ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ HF(DF)-ЛАЗЕРА ........................................... 461.1 Оценка удельной энергии наносекундных импульсов излучения, которуюможно извлечь из активной среды HF-НХЛ................................................................ 461.2 Расчет параметров импульсного задающего генератора на основе HF-НХЛ . 511.3 Расчет параметров предусилителя коротких импульсов на основе НF-НХЛ 621.4 Расчет параметров импульсного задающего генератора и усилителя наоснове DF-НХЛ...................................................................................................................

651.5 Расчет предельной длины активной среды в усилителе коротких импульсовHF-НХЛ излучения ........................................................................................................... 721.6 Расчет энергетических характеристик оконечного усилителя короткихимпульсов HF-излучения ................................................................................................. 831.7 Расчет мощности непрерывного излучения системы ..........................................

86Выводы к главе 1 ............................................................................................................... 87Глава 2 РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКОЙ ФОРМИРУЮЩЕЙ ИИНФОРМАЦИОННО-ПРИЦЕЛЬНОЙ СИСТЕМ (ФИПС) .................................... 892.1 Обоснование общих требований к системе обнаружения опасных ФКМ (посолнечному блику или по локационному сигналу) ....................................................

892.2 Обоснование выбора типа лазерного локатора .................................................... 892.3 Разработка оптической ФИПС с раздельными передающим и принимающимлокационными каналами и наведением лазерного излучения на ФКМ спомощью выходного формирующего кассегреновского телескопа ........................ 952.4 Анализ применяемых оптических материалов для изготовления элементовформирующей оптической системы ............................................................................ 103Выводы к главе 2 ............................................................................................................. 108Глава 3 РАЗРАБОТКА ОБЩЕЙ КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЫ МКЛЭУ НАБОРТУ КА......................................................................................................................... 11033.1 Основные параметры КА, используемого для размещения на нем МКЛЭУ 1103.2 Оценка массогабаритных характеристик собственных систем КА ................

1163.3 Оценка массогабаритных характеристик МКЛЭУ ............................................ 1183.3.1 Система генерации излучения................................................................................. 1183.3.2 Система подачи компонентов лазерного топлива ................................................. 1273.3.3 Формирующая оптическая система ........................................................................ 1303.3.4 Система лазерной локации ...................................................................................... 1313.3.5 Система хранения компонентов лазерного топлива .............................................

1313.3.6 Система электропитания МКЛЭУ .......................................................................... 1343.4 Общая компоновка МКЛЭУ на борту КА ............................................................ 135Выводы к главе 3 ............................................................................................................. 139Глава 4. Прикладные задачи для разрабатываемой МКЛЭУ................................ 1404.1 Защита КА и очистка околоземного пространства от опасных ФКМ спомощью МКЛЭУ ...........................................................................................................

1404.1.1 Случай компланарных орбит................................................................................... 1404.1.1.1 Постановка задачи ............................................................................................... 1404.1.1.2 Методика расчет лазерного воздействия на ФКМ ........................................... 1464.1.1.3 Результаты расчетов ..........................................................................................

1494.1.2 Случай пересечения орбит ФКМ и КА под углами .............................................. 1544.1.2.1 Постановка задачи ............................................................................................... 1544.1.2.2 Методика расчета лазерного воздействия на ФКМ ......................................... 1554.1.2.3 Результаты расчетов .......................................................................................... 1574.2 Экологический контроль (мониторинг) приземной атмосферы из космоса спомощью МКЛЭУ ...........................................................................................................

1594.3 Разработка механизма подпитки энергией КА для продления их срокаслужбы ............................................................................................................................... 1664.3.1 Приемник излучения КА ......................................................................................... 1674.3.2 Расчет времени затенения подзаряжаемого спутника и механизма собственнойзарядки и разрядки АКБ....................................................................................................

168Выводы к главе 4 ............................................................................................................. 178ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................................... 179СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................................. 1834Список сокращенийАКБ – аккумуляторная батарея;АС – активная среда;ВУК – вычислительно-управляющий комплекс;ГАС – генератор активной среды;ЗГ – задающий генератор;ИПР – импульсно-периодический режим;КУСС – коэффициент усиления слабого сигнала;МДР – модуляция добротности резонатора;МКЛЭУ – многоцелевая космическая лазерная энергоустановка;НХЛ – непрерывный химический лазер;ОМУ – оптико-механический узел;ОПС – обитаемая пилотируемая станция;ОУМ – оконечный усилитель мощности;ПР – плоский резонатор;ПУМ – предусилитель мощности;СБ – сопловой блок;СГИ – система генерации излучения;СХПК – система хранения и подачи компонентов;УСИ – усиленное спонтанное излучение;ФИПС – формирующая информационно-прицельная система;ФКМ – фрагменты космического мусора.5ВВЕДЕНИЕИнтерес 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.

Это обстоятельство обусловливает возможность работы НХЛ в автономном режиме без существенных затрат электроэнергии от внешних источников питания, которая в небольшом количестве нужна толькодля обеспечения срабатывания агрегатов пневмогидравлической системы подачи влазер рабочих компонентов из системы их хранения и для питания систем управления,контроля и регистрации параметров. Химический КПД НХЛ значительно превосходит КПД других лазеров и достигает ~ 15%, что позволяет получать высокую мощность излучения, недостижимую для других типов лазеров.Таким образом, во фтороводородных НХЛ реализуется принцип именно химической накачки активной среды. Для этого в камере сгорания (КС) за счет тепловойдиссоциации избытка фторсодержащего вещества создается поток газов с максимально возможным содержанием атомарного фтора.

Далее этот поток поступает на вход всопловую решетку, где он, расширяясь, приобретает сверхзвуковую скорость и затемпоступает в лазерную камеру.Весьма интенсивное развитие среди фтороводородных НХЛ получили лазеры,работающие на молекулах HF(v) (HF-НХЛ) и DF(v) (DF-НХЛ).

Спектральныйдиапазон излучения данных лазеров (λHF~2.6…3.1 мкм, λDF~3.7…4.05 мкм) позволяетэффективно использовать их при решении как исследовательских, так и различныхспециальных задач. Привлекательной также представляется реализация в данныхлазерах импульсно-периодического режима генерации (ИПР), когда при некоторомснижении средней мощности могут быть получены сверхвысокие мощности вимпульсе, превышающие более чем на порядок соответствующие значения,достигнутые в непрерывном режиме генерации.Принципиальная схема такого лазера показана на рисунке 1. АвтономныйHF(DF)-НХЛ состоит из следующих основных частей: генератора активной среды(ГАС), обеспечивающего формирование активной среды с максимально возможнымэнергозапасом и высоким оптическим качеством; оптического резонатора, обеспечивающего преобразование запасенной в активной среде энергии возбужденных моле-6кул в лазерное излучение; сверхзвукового диффузора, преобразующего сверхзвуковой поток лазерных газов в дозвуковой; теплообменника для снижения температурыотработанных лазерных газов и тем самым снижения расхода эжектирующего газа;газоструйного эжектора для откачки отработанных лазерных газов, устанавливаемогов том случае, когда появляется необходимость обеспечения выхлопа в атмосферу(при воздушном, морском и наземном базированиях); системы хранения и подачикомпонентов (на рисунке 1 не показана).Рисунок 1 – Принципиальная схема HF(DF)-НХЛ различного вида базирований.Основными узлами ГАС являются камера сгорания, сопловой блок, содержащийсопловую решетку, и лазерная камера.