RU2439360C1

RU2439360C1 - Laser rocket engine and method of its operation

Info

Publication number: RU2439360C1
Application number: RU2010125790/06A
Authority: RU
Inventors: Альберт Габдулбарович Саттаров (RU); Альберт Габдулбарович Саттаров; Анатолий Федорович Дрегалин (RU); Анатолий Федорович Дрегалин; Айдар Рустемович Бикмучев (RU); Айдар Рустемович Бикмучев; Рустам Ахатович Муртазин (RU); Рустам Ахатович Муртазин; Роман Эрнеситович Лахарев (RU); Роман Эрнеситович Лахарев; Станислав Николаевич Телегин (RU); Станислав Николаевич Телегин; Марат Фердинатович Вахитов (RU); Марат Фердинатович Вахитов
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2012-01-10

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed laser rocket engine comprise laser emission source, system of pivoting and focusing mirrors, absorption chamber with gasdynamic opening, nozzle, and system to feed working body into absorption chamber. Note here that working body feed channels are arranged on the side of supersonic nozzle critical section. Note also that their axes are arranged tangentially to absorption chamber surface while well-streamlined deflector is arranged in absorption chamber front bottom directed there inside. Proposed method comprises feeding working body into absorption chamber to create plasma cone, working body is heated flow around plasma cone and effuses from supersonic nozzle to create plasma jet. Note here that working body is fed from the side of supersonic nozzle side tangentially to absorption chamber surface to create swirled axially symmetric flow of working body that reaches abruption chamber front bottom and turns around to flow around plasma cone.

EFFECT: higher specific pulse, increased operating hours of rocket engine.

4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области реактивных двигательных установок, а именно к реактивным двигателям, основанным на получении тяги в результате поглощения лазерного излучения, и предназначено для управления малыми космическими аппаратами.The invention relates to the field of jet propulsion systems, and in particular to jet engines based on thrust resulting from the absorption of laser radiation, and is intended to control small spacecraft.

Известен лазерный ракетный двигатель (патент РФ №2338918, МПК F02K 11/00, опубл. 20.11.2008, бюл. №32) который включает в себя непрерывный источник лазерного излучения, систему поворотных и фокусирующих зеркал и рабочего тела из абляционного материала. Рабочее тело выполнено в виде цилиндрического стержня, снабженного системой перемещения вдоль и вокруг оси симметрии. Генерируемое лазером излучение, фокусируясь на поверхности рабочего тела, инициирует испарение рабочего тела, и образование плазменной струи, истекающей перпендикулярно к его поверхности и обеспечивающей передачу рабочему телу противоположно направленного реактивного импульса отдачи.A well-known laser rocket engine (RF patent No. 2338918, IPC F02K 11/00, published on November 20, 2008, bull. No. 32) which includes a continuous source of laser radiation, a system of rotary and focusing mirrors and a working body of ablative material. The working fluid is made in the form of a cylindrical rod equipped with a movement system along and around the axis of symmetry. The radiation generated by the laser, focusing on the surface of the working fluid, initiates the evaporation of the working fluid, and the formation of a plasma jet flowing out perpendicular to its surface and transmitting to the working fluid an oppositely directed reactive recoil momentum.

Недостатком данного устройства является наличие в конструкции движущихся частей, которые в условиях космического вакуума могут привести к заклиниванию системы перемещения рабочего тела. Использование абляционного материала при испарении приводит к образованию тяжелых фракций продуктов нагрева с высокой молекулярной массой, что уменьшает удельный импульс.The disadvantage of this device is the presence in the design of moving parts, which under conditions of space vacuum can lead to jamming of the moving system of the working fluid. The use of ablative material during evaporation leads to the formation of heavy fractions of heating products with high molecular weight, which reduces the specific impulse.

Известен лазерный ракетный двигатель и способ организации рабочего процесса в нем (патент US №4036012, МПК Н05Н 1/24, опубл. 19.07.1977), наиболее близкий по технической сущности к заявленному и принятый за прототип. Лазерный ракетный двигатель включает непрерывный источник лазерного излучения, систему поворотных и фокусирующих зеркал, камеру поглощения с газодинамическим окном, сопло, систему подвода рабочего тела в зону поглощения со стороны газодинамического окна, баллоны с рабочим телом. Способ организации рабочих процессов в двигателе осуществляется следующим образом. Лазерный луч, попадая на систему поворотных и фокусирующих зеркал, фокусируется через газодинамическое окно в зоне поглощения, куда подается рабочее тело водород, одновременно в зону поглощения подается рабочее тело с добавкой дейтерия для инициации оптического разряда и образования плазменного ядра, нагрев рабочего тела, которое обтекает плазменное ядро и истекает из сверхзвукового сопла, образуя плазменную струю. В известном техническом решении охлаждение осуществляется регенеративным путем, при помощи жидкого водорода, поступающего в рубашку охлаждения из баллонов.A known laser rocket engine and a method of organizing a workflow therein (US patent No. 4036012, IPC Н05Н 1/24, publ. 07/19/1977), the closest in technical essence to the claimed and adopted for the prototype. A laser rocket engine includes a continuous source of laser radiation, a system of rotary and focusing mirrors, an absorption chamber with a gas-dynamic window, a nozzle, a system for supplying a working fluid to the absorption zone from the gas-dynamic window, and cylinders with a working fluid. The method of organizing work processes in the engine is as follows. The laser beam, incident on a system of rotary and focusing mirrors, is focused through a gas-dynamic window in the absorption zone where the working fluid is hydrogen; at the same time, the working fluid with deuterium is added to the absorption zone to initiate an optical discharge and form a plasma core, heating the working fluid that flows around plasma core and flows out of a supersonic nozzle, forming a plasma jet. In a known technical solution, the cooling is carried out regeneratively, using liquid hydrogen entering the cooling jacket from the cylinders.

Недостатком известного двигателя является невысокая эффективность стабилизации плазмы в приосевой области, низкий коэффициент поглощения лазерного излучения водородом, что приводит к снижению удельного импульса, и недостаточная защита от горячих конвективных потоков в области критического сечения, что снижает ресурс работы двигателя и его надежность.A disadvantage of the known engine is the low stabilization efficiency of the plasma in the axial region, low absorption coefficient of laser radiation by hydrogen, which leads to a decrease in the specific impulse, and insufficient protection from hot convective flows in the critical section region, which reduces the engine operating life and its reliability.

Технический результат, на достижение которого направленно предлагаемое изобретение, заключается в поддержании высокого удельного импульса за счет более эффективного способа организации внутрикамерных процессов и увеличении ресурса работы лазерного ракетного двигателя.The technical result, the achievement of which the invention is directed, consists in maintaining a high specific impulse due to a more efficient way of organizing intra-chamber processes and increasing the life of a laser rocket engine.

Технический результат достигается тем, что в способе организации рабочего процесса в лазерном ракетном двигателе, включающем подачу в камеру поглощения рабочего тела, создание в ней плазменного ядра, путем фокусирования лазерного луча и инициации оптического разряда, нагрев рабочего тела, которое обтекает плазменное ядро и истекает из сверхзвукового сопла, создавая плазменную струю, новым является то, что рабочее тело подают со стороны критического сечения сверхзвукового сопла тангенциально поверхности камеры поглощения, создают направленный в сторону распространения лазерного луча, закрученный осесимметричный поток рабочего тела, который достигает переднего днища камеры поглощения, разворачивается, обтекая плазменное ядро.The technical result is achieved by the fact that in a method for organizing a working process in a laser rocket engine, including supplying a working fluid to the absorption chamber, creating a plasma core in it, by focusing the laser beam and initiating an optical discharge, heating of the working fluid that flows around the plasma core and expires from creating a plasma jet, it is new that the working fluid is fed from the critical section of the supersonic nozzle tangentially to the surface of the absorption chamber, creating a The pressure in the direction of propagation of the laser beam, hooked axisymmetric flow the working fluid, which reaches the front of the bottom of the absorption chamber takes place, flowing plasma kernel.

В зону фокусировки лазерного луча, для инициации оптического разряда, вводят легкоионизируемый материал.A lightly ionized material is introduced into the focus area of the laser beam to initiate an optical discharge.

В лазерном ракетном двигателе, включающем источник лазерного излучения, систему поворотных и фокусирующих зеркал, камеру поглощения с газодинамическим окном, сопло, систему подвода рабочего тела в камеру поглощения, новым является то, что каналы для подвода рабочего тела в камеру поглощения выполнены со стороны критического сечения сверхзвукового сопла, при этом их оси расположены тангенциально к поверхности камеры поглощения.In a laser rocket engine, which includes a laser radiation source, a system of rotary and focusing mirrors, an absorption chamber with a gas-dynamic window, a nozzle, a system for supplying a working fluid to the absorption chamber, it is new that the channels for supplying a working fluid to the absorption chamber are made from the critical section supersonic nozzles, while their axes are located tangentially to the surface of the absorption chamber.

Газодинамическое окно в переднем днище камеры поглощения снабжено хорошо обтекаемым дефлектором, обращенным внутрь нее.The gas-dynamic window in the front bottom of the absorption chamber is equipped with a well-streamlined deflector facing into it.

В зоне фокусировки лазерного луча установлен легкоионизируемый материал для увеличения коэффициента поглощения лазерного луча.A readily ionized material is installed in the focus area of the laser beam to increase the absorption coefficient of the laser beam.

Сущность предлагаемого изобретения представлена на чертежах.The essence of the invention is presented in the drawings.

На фиг.1 - продольный разрез лазерного ракетного двигателя.Figure 1 is a longitudinal section of a laser rocket engine.

На фиг.2 - вид А-А фиг.1.Figure 2 is a view aa of figure 1.

Здесь: 1 - непрерывный источник лазерного излучения; 2 - поворотные и фокусирующие зеркала; 3 - камера поглощения; 4 - каналы для подвода рабочего тела; 6 - дефлектор; 7 - вольфрамовая проволока; 8 - сверхзвуковое сопло.Here: 1 - a continuous source of laser radiation; 2 - rotary and focusing mirrors; 3 - absorption chamber; 4 - channels for supplying a working fluid; 6 - a deflector; 7 - tungsten wire; 8 - supersonic nozzle.

Лазерный ракетный двигатель включает непрерывный источник лазерного излучения 1, например газодинамический CO₂-лазер с длиной волны λ=10.6 мкм, систему поворотных и фокусирующих зеркал 2, представляющих собой плоские и параболические зеркала для фокусировки лазерного луча в камере поглощения 3. В камере поглощения 3 выполнено газодинамическое окно 5, которое снабжено дефлектором 6, обращенным внутрь камеры поглощения, необходимым для обеспечения разворота газа от переднего днища камеры поглощения 3. Система подачи рабочего тела имеет каналы 4 для подвода рабочего тела, выполненные в камере поглощения со стороны критического сечения сверхзвукового сопла 8. Оси каналов 4 направлены тангенциально к поверхности камеры поглощения 3, так чтобы создать закрученный осесимметричный поток газа и обеспечить «завесное» охлаждение. В камере поглощения 3 в зоне фокусировки лазерного луча установлен элемент инициирования оптического разряда 7, из легкоионизируемого материала, например вольфрама, который увеличивает коэффициент поглощения лазерного излучения.The laser rocket engine includes a continuous source of laser radiation 1, for example, a gas-dynamic CO ₂ laser with a wavelength of λ = 10.6 μm, a system of rotary and focusing mirrors 2, which are plane and parabolic mirrors for focusing the laser beam in the absorption chamber 3. In the absorption chamber 3 a gas-dynamic window 5 is made, which is equipped with a deflector 6 facing the inside of the absorption chamber, necessary to ensure a gas turn from the front bottom of the absorption chamber 3. The working fluid supply system has a channel 4 for supplying the working fluid, formed in the absorption chamber from the critical section of the supersonic nozzle channel 8. 4 axes directed tangentially to the surface of the absorption chamber 3, so as to create a swirling flow of gas and axisymmetric provide "zavesnoe" cooling. In the absorption chamber 3 in the focus area of the laser beam, an element for initiating an optical discharge 7 is installed, made of easily ionized material, for example tungsten, which increases the absorption coefficient of the laser radiation.

Сущность способа заключается в следующем. Генерируемое газодинамическим CO₂-лазером 1 излучение, попадая на систему поворотных и фокусирующих зеркал 2, проходя через оптически прозрачное газодинамическое окно 5, фокусируется на поверхности вольфрамовой проволоки 7, которую устанавливают в зоне фокуса для увеличения коэффициента поглощения лазерного излучения и лучшей инициации оптического разряда. Одновременно с инициацией оптического разряда, из каналов 4 для подвода рабочего тела со стороны критического сечения сверхзвукового сопла 9, сообщенных с системой подвода рабочего тела (не показана), в камеру поглощения 3 подается рабочее тело (например, водород или аргон). После инициации оптического разряда, происходит образование горячего плазменного ядра, при этом рабочее тело образует закрученный осесимметричный поток, направленный в сторону распространения лазерного излучения, который, достигая переднего днища камеры поглощения 3, разворачивается от дефлектора 6 в обратном направлении, и обдувает горячее плазменное ядро, и истекает в сверхзвуковое сопло, создавая плазменную струю, при этом обеспечивается условия устойчивого «горения» оптического разряда в приосевой зоне камеры поглощения 3, что позволяет поддерживать высокую величину удельного импульса и охлаждать стенки камеры поглощения 3 тангенциальным потоком рабочего тела, тем самым увеличить ресурс работы двигателя.The essence of the method is as follows. The radiation generated by the gas-dynamic CO ₂ laser 1, entering the system of rotary and focusing mirrors 2, passing through an optically transparent gas-dynamic window 5, is focused on the surface of the tungsten wire 7, which is installed in the focus zone to increase the absorption coefficient of the laser radiation and better initiate the optical discharge. Simultaneously with the initiation of an optical discharge, from the channels 4 for supplying the working fluid from the critical section of the supersonic nozzle 9 in communication with the supply system of the working fluid (not shown), a working fluid (for example, hydrogen or argon) is supplied to the absorption chamber 3. After the initiation of the optical discharge, a hot plasma core is formed, while the working fluid forms a swirling axisymmetric flow directed towards the propagation of laser radiation, which, reaching the front bottom of the absorption chamber 3, turns around from the deflector 6 in the opposite direction, and blows around the hot plasma core, and flows into a supersonic nozzle, creating a plasma jet, while ensuring the conditions of stable "burning" of the optical discharge in the axial zone of the absorption chamber 3, which It will maintain a high value of specific impulse and cooled wall of the absorption chamber 3 tangential flow the working fluid, thereby increasing the life of the engine.

Условия устойчивого «горения» оптического разряда в приосевой зоне камеры поглощения 3 обеспечиваются образованием малоподвижной области течения вокруг плазменного ядра, создаваемой рабочим телом, истекающем тангенциально из каналов 4 со стороны критического сечения сверхзвукового сопла 8.The conditions for stable “burning” of an optical discharge in the axial zone of the absorption chamber 3 are ensured by the formation of a sedentary flow region around the plasma core created by the working fluid flowing out tangentially from the channels 4 from the critical section of the supersonic nozzle 8.

Эти условия имеют вид:These conditions are of the form:

v_φ≥u_x/tgβ или

v _φ ≥u _x / tgβ or

Здесь v_φ - тангенциальная составляющая скорости рабочего тела, истекающей со стороны критического сечения сверхзвукового сопла, u_x - осевая составляющая скорости рабочего тела, истекающей со стороны критического сечения сверхзвукового сопла, tgβ - тангенс угла раскрытия камеры, ε_к - отношения большей площади сечения камеры к площади критического сечения

, k - коэффициент изоэнтропы,Here, v _φ is the tangential component of the velocity of the working fluid expiring from the critical section of the supersonic nozzle, u _x is the axial component of the velocity of the working fluid flowing from the critical section of the supersonic nozzle, tgβ is the tangent of the opening angle of the chamber, ε _to is the ratio of the larger sectional area of the chamber to the critical section area

, k is the isentropic coefficient,

R - универсальная газовая постоянная, Т - температура газа.R is the universal gas constant, T is the gas temperature.

Устройство работает следующим образом. Генерируемое лазером 1 излучение, попадая на систему поворотных и фокусирующих зеркал 2, фокусируется через газодинамическое окно 5 в камере поглощения 3 на поверхности вольфрамовой проволоки 7, инициирует «поджог» оптического разряда и образование плазменного ядра. Поток рабочего тела поступает в камеру поглощения через каналы 4 со стороны критического сечения сверхзвукового сопла 8 тангенциально к поверхности камеры поглощения 3. В результате образуется закрученный осесимметричный поток газа, который направляется к переднему днищу камеры поглощения 3, поворачивается в обратном направлении от дефлектора 6 и истекает в сверхзвуковое сопло 8, обдувая горячее ядро со стороны подвода лазерного луча, обеспечивая устойчивое «горение» оптического разряда.The device operates as follows. The radiation generated by the laser 1, incident on a system of rotary and focusing mirrors 2, is focused through a gasdynamic window 5 in the absorption chamber 3 on the surface of the tungsten wire 7, initiates an “arson” of the optical discharge and the formation of a plasma core. The flow of the working fluid enters the absorption chamber through channels 4 from the critical section of the supersonic nozzle 8 tangentially to the surface of the absorption chamber 3. As a result, a swirl axisymmetric gas flow is formed, which is directed to the front bottom of the absorption chamber 3, rotates in the opposite direction from the deflector 6 and expires into a supersonic nozzle 8, blowing a hot core from the side of the laser beam, providing a stable "burning" of the optical discharge.

Такой способ организации рабочего процесса в камере поглощения 3 позволяет стабилизировать плазму в осевом направлении (т.е. предотвратить движение оптического разряда в направлении лазерного луча).This method of organizing the working process in the absorption chamber 3 makes it possible to stabilize the plasma in the axial direction (i.e., to prevent the movement of the optical discharge in the direction of the laser beam).

Тангенциальный поток рабочего тела, истекая из каналов 4 со стороны критического сечения сверхзвукового сопла 8, охлаждает стенки камеры поглощения 3, при этом, разворачиваясь от передней стенки камеры поглощения 3, образует малоподвижную область, которая перекрывает исток газа из ядра к стенкам камеры поглощения 3, в радиальном направлении, обеспечивая «завесное» охлаждение и поддержание высокой величины удельного импульса.The tangential flow of the working fluid, flowing from the channels 4 from the critical section of the supersonic nozzle 8, cools the walls of the absorption chamber 3, while unfolding from the front wall of the absorption chamber 3, forms a sedentary region that overlaps the source of gas from the core to the walls of the absorption chamber 3, in the radial direction, providing "curtain" cooling and maintaining a high specific impulse.

Claims

1. A method of organizing a working process in a laser rocket engine, including feeding a working fluid into the absorption chamber, creating a plasma core in it by focusing the laser beam and initiating an optical discharge, heating the working fluid that flows around the plasma core and, flowing out of the supersonic nozzle, creates a plasma a jet, characterized in that the working fluid is supplied from the critical section of the supersonic nozzle, tangentially to the surface of the absorption chamber, creating a swirling axisymmetric flow of the working la, which reaches the front of the bottom of the absorption chamber takes place, flowing plasma kernel.

2. The method according to claim 1, characterized in that a lightly ionized material is introduced into the focus area of the laser beam to initiate an optical discharge.

3. Laser rocket engine, including a laser source, a system of rotary and focusing mirrors, an absorption chamber with a gas-dynamic window, a nozzle, a system for supplying a working fluid to the absorption chamber, characterized in that the channels for supplying a working fluid to the absorption chamber are made from the critical section supersonic nozzle, while their axes are located tangentially to the surface of the absorption chamber, and in the front bottom of the absorption chamber from the side of the gas-dynamic window there is a well streamlined deflector, about brought inside her.

4. The laser rocket engine according to claim 3, characterized in that a readily ionized material is installed in the focus area of the laser beam to increase the absorption coefficient of the laser beam.