RU2458248C1 - Laser rocket engine and method of its operation - Google Patents
Laser rocket engine and method of its operation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2458248C1 RU2458248C1 RU2011117914/06A RU2011117914A RU2458248C1 RU 2458248 C1 RU2458248 C1 RU 2458248C1 RU 2011117914/06 A RU2011117914/06 A RU 2011117914/06A RU 2011117914 A RU2011117914 A RU 2011117914A RU 2458248 C1 RU2458248 C1 RU 2458248C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nozzle
- laser radiation
- plasma
- laser
- rocket engine
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к реактивным двигателям летательных аппаратов, преимущественно орбитальных и аэрокосмических аппаратов.The invention relates to jet engines of aircraft, mainly orbital and aerospace vehicles.
Известен лазерный ракетный двигатель (ЛРД) (патент RU №2266420, МПК F02K 7/00, F24J 2/06, B64G 1/26, опубл. 20.12.2005), который содержит источник импульсно-периодического лазерного излучения, оптический узел с концентратором излучения и отражателями, систему формирования плоского фронта излучения и соосный концентратору газодинамический узел. Формирующая система осуществляет прием и согласование апертуры лазерного пучка с габаритами оптического узла. Первый отражатель концентратора выполнен в форме конусообразной фигуры вращения с образующей поверхности в виде части короткофокусной параболы. Газодинамический узел выполнен в виде приемника импульса давления, расположенного с тыльной стороны и на основании первого отражателя, а также реактивного сопла, установленного на расстоянии от основания и образующего щель для ввода лазерного излучения. Концентратор снабжен дополнительным отражателем, соосным первому отражателю и выполненным в форме фигуры вращения, образующая поверхности которой представляет собой дугу. Этот дополнительный отражатель размещен на пути фокусируемого первым отражателем пучка так, что фокальная область концентратора расположена в области указанной щели.Known laser rocket engine (LRE) (patent RU No. 2266420, IPC F02K 7/00, F24J 2/06, B64G 1/26, publ. 20.12.2005), which contains a source of repetitively pulsed laser radiation, an optical node with a radiation concentrator and reflectors, a system for the formation of a planar radiation front and a gas-dynamic unit coaxial with the concentrator. The forming system receives and matches the aperture of the laser beam with the dimensions of the optical node. The first concentrator reflector is made in the form of a cone-shaped figure of rotation with a generatrix of the surface in the form of a part of a short-focus parabola. The gas-dynamic unit is made in the form of a pressure pulse receiver located on the back side and on the basis of the first reflector, as well as a jet nozzle mounted at a distance from the base and forming a slit for introducing laser radiation. The concentrator is equipped with an additional reflector, coaxial with the first reflector and made in the form of a rotation figure, the surface of which is an arc. This additional reflector is placed in the path of the beam focused by the first reflector so that the focal region of the concentrator is located in the region of the specified slit.
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 заявляемому 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 рабочего процесса 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 инициирования оптического разряда и образования плазменного ядра, нагрев рабочего тела, которое обтекает плазменное ядро и истекает из сверхзвукового сопла, образуя реактивную струю.A known laser rocket engine and a method of organizing a workflow in it (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 the working process 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 the formation of a plasma core, heating the working fluid that flows around plasma core and flows out of a supersonic nozzle, forming a jet stream.
Однако в известном лазерном ракетном двигателе происходит неполное поглощение подводимого лазерного излучения в плазме непрерывного оптического разряда. Известно (Райзер Ю.П. Непрерывный оптический разряд - поддержание и генерация плотной низкотемпературной плазмы лазерным излучением / Соросовский образовательный журнал, 1996, №3, с.87-94), что коэффициент поглощения света в плазме µω зависит от частоты волны, и при длине волны λ=10,6 мкм примерно 50% подводимого лазерного излучения проходит через плазму без поглощения, из поглощенной энергии лазерного излучения 20% теряется на переизлучение, и только 30% затрачивается на нагрев рабочего тела. Вследствие этого КПД лазерного ракетного двигателя составляет не более 30%.However, in the known laser rocket engine there is an incomplete absorption of the supplied laser radiation in a continuous optical discharge plasma. It is known (Yu.P. Raizer, Continuous Optical Discharge — Maintaining and Generating Dense Low-Temperature Plasma by Laser Radiation / Soros Educational Journal, 1996, No. 3, pp. 87-94) that the light absorption coefficient in a plasma μ ω depends on the wave frequency, and at a wavelength of λ = 10.6 μm, approximately 50% of the input laser radiation passes through the plasma without absorption, of the absorbed laser radiation energy, 20% is lost for reradiation, and only 30% is spent on heating the working fluid. As a result, the efficiency of a laser rocket engine is not more than 30%.
Технический результат на достижение, которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении КПД лазерного ракетного двигателя.The technical result on the achievement of which the present invention is directed is to increase the efficiency 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 излучения и инициирования оптического разряда за счет поглощения лазерного излучения его непрерывную стабилизацию, нагрев рабочего тела, которое обтекает плазменное ядро и истекает из сверхзвукового сопла, образуя реактивную струю, новым является то, что прошедшее через плазму непоглощенное лазерное излучение перефокусируют в приосевую область камеры поглощения путем отражения от поверхности стенок дозвуковой части сопла.The technical result is achieved by the fact that in the method of organizing the working process in a laser rocket engine, which includes supplying a working fluid to the absorption chamber, creating a plasma core in it, by focusing the laser radiation and initiating an optical discharge due to absorption of laser radiation, its continuous stabilization, heating of the working fluid which flows around the plasma core and flows out of the supersonic nozzle, forming a jet stream, new is the fact that the unabsorbed laser radiation transmitted through the plasma s refocus in the axial region of the absorption chamber by reflection from the surface of the subsonic part of the nozzle wall.
Непоглощенное лазерное излучение перефокусируют в расположенное в приосевой области плазменное ядро непрерывного оптического разряда.Unabsorbed laser radiation is refocused in the plasma core of a continuous optical discharge located in the axial region.
Непоглощенное лазерное излучение перефокусируют в приосевую область в зоне нагретого газа за плазменным ядром непрерывного оптического разряда и инициируют дополнительный оптический разряд.Unabsorbed laser radiation is refocused in the axial region in the zone of the heated gas behind the plasma core of a continuous optical discharge and initiate an additional optical discharge.
В лазерном ракетном двигателе, содержащем систему отражающих зеркал, фокусирующую систему, камеру поглощения, систему подачи рабочего тела, сверхзвуковое сопло, тракт охлаждения, новым является то, что внутренняя поверхность дозвуковой части сопла выполнена вогнутой, из материала, отражающего лазерное излучение.In a laser rocket engine containing a system of reflective mirrors, a focusing system, an absorption chamber, a supply system for a working fluid, a supersonic nozzle, and a cooling duct, it is new that the inner surface of the subsonic part of the nozzle is made concave from a material reflecting laser radiation.
Фокусное расстояние вогнутой отражающей поверхности дозвуковой части сопла равно фокусному расстоянию фокусирующей системы.The focal length of the concave reflective surface of the subsonic part of the nozzle is equal to the focal length of the focusing system.
Фокусное расстояние вогнутой отражающей поверхности дозвуковой части сопла меньше фокусного расстояния фокусирующей системы.The focal length of the concave reflective surface of the subsonic part of the nozzle is less than the focal length of the focusing system.
Сущность способа заключается в фокусировании лазерного излучения в камеру лазерного ракетного двигателя и поглощение его в непрерывном оптическом разряде, а прошедшее через плазму непоглощенное лазерное излучение возвращается обратно в зону оптического разряда либо за ней отражающей поверхностью стенок дозвуковой части сопла.The essence of the method is to focus the laser radiation into the chamber of the laser rocket engine and absorb it in a continuous optical discharge, and the unabsorbed laser radiation transmitted through the plasma is returned back to the optical discharge zone or behind it by the reflecting surface of the walls of the subsonic part of the nozzle.
На фиг.1 изображена схема лазерного ракетного двигателя с фокусным расстоянием отражающей поверхности дозвуковой части сопла, равной фокусному расстоянию фокусирующей системы.Figure 1 shows a diagram of a laser rocket engine with a focal length of the reflecting surface of the subsonic part of the nozzle equal to the focal length of the focusing system.
На фиг.2 изображена схема лазерного ракетного двигателя с фокусным расстоянием отражающей поверхности дозвуковой части сопла, меньше фокусного расстояния фокусирующей системы.Figure 2 shows a diagram of a laser rocket engine with a focal length of the reflecting surface of the subsonic part of the nozzle, less than the focal length of the focusing system.
Лазерный ракетный двигатель содержит систему отражающих зеркал 1, фокусирующую систему 2, камеру поглощения 3, вогнутую отражающую поверхность в дозвуковой части сопла 4, сверхзвуковое сопло 5 и тракт охлаждения 6.The laser rocket engine comprises a system of
Лазерный ракетный двигатель работает следующим образом. Лазерное излучение, отражаясь от системы зеркал 1, с помощью фокусирующей системы 2 фокусируется в камере поглощения 3, куда подается рабочее тело и аэрозоль раствора с солями щелочных металлов для инициирования оптического разряда, в котором часть поступающего лазерного излучения поглощается в процессе, обратном тормозному излучению. Прошедшее без поглощения сквозь плазму лазерное излучение перефокусируют в приосевую область камеры поглощения путем отражения от поверхности стенок дозвуковой части сопла.Laser rocket engine operates as follows. The laser radiation, reflected from the system of
При этом фокусное расстояние отражающей поверхности дозвуковой части сопла выбирают в зависимости от интенсивности поступающего лазерного излучения.In this case, the focal length of the reflecting surface of the subsonic part of the nozzle is selected depending on the intensity of the incoming laser radiation.
В случаях, когда интенсивность части лазерного излучения, которая прошла сквозь плазму непрерывного оптического разряда без поглощения, меньше порогового значения пробоя оптического разряда для применяемого вида рабочего газа, непоглощенную часть излучения возвращают в зону оптического разряда, при этом фокусное расстояние отражающей поверхности дозвуковой части сопла должно быть равно фокусному расстоянию основной фокусирующей системы:In cases where the intensity of the part of the laser radiation that passed through the plasma of the continuous optical discharge without absorption is less than the threshold value of the breakdown of the optical discharge for the type of working gas used, the non-absorbed part of the radiation is returned to the zone of the optical discharge, and the focal length of the reflecting surface of the subsonic part of the nozzle should be equal to the focal length of the main focusing system:
где Fосн - фокусное расстояние основной фокусирующей системы; Fдоп - фокусное расстояние вогнутой отражающей поверхности дозвуковой части сопла; l1=0,9-1,1 - поправка к фокусному расстоянию вогнутой отражающей поверхности дозвуковой части сопла, необходимая для случая, когда положение непрерывного оптического разряда (НОР) может сместиться от фокуса основной фокусирующей системы на небольшое расстояние. В этом случае прошедшее без поглощения через плазму лазерное излучение возвращается обратно в зону оптического разряда отражающей поверхностью 4 вогнутых стенок дозвуковой части сопла и поглощается плазмой образованной непрерывным оптическим разрядом. Тем самым происходит уменьшение потерь лазерной энергии. К тому же дополнительное поступление лазерного излучения, направленного противоположно основному направлению излучения со стороны дозвуковой части сопла, приводит к увеличению размеров плазмы оптического разряда. А увеличение размеров непрерывного оптического разряда (НОР) позволяет холодному газу отбирать больше тепла от горячей плазмы, то есть интенсифицировать теплообмен между непрерывным оптическим разрядом (НОР) и рабочим газом, что приведет к увеличению удельного импульса.where F DOS is the focal length of the main focusing system; F add - the focal length of the concave reflective surface of the subsonic part of the nozzle; l 1 = 0.9-1.1 - correction to the focal length of the concave reflecting surface of the subsonic part of the nozzle, necessary for the case when the position of the continuous optical discharge (NRA) can be shifted from the focus of the main focusing system by a small distance. In this case, the laser radiation transmitted without absorption through the plasma returns to the optical discharge zone with the reflecting
В случаях, когда интенсивность части лазерного излучения, которая прошла сквозь плазму непрерывного оптического разряда без поглощения, больше порогового значения пробоя оптического разряда для применяемого вида рабочего газа или близка к нему, не поглощенную часть излучения направляют в зону за оптическим разрядом, при этом фокусное расстояние отражающей поверхности дозвуковой части сопла должно быть меньше фокусного расстояния основной фокусирующей системы:In cases where the intensity of the part of the laser radiation that passed through the plasma of a continuous optical discharge without absorption is greater than or close to the threshold value of the breakdown of the optical discharge for the type of working gas used, the non-absorbed part of the radiation is directed to the zone behind the optical discharge, with the focal length the reflecting surface of the subsonic part of the nozzle should be less than the focal length of the main focusing system:
где Fосн - фокусное расстояние основной фокусирующей системы; Fдоп - фокусное расстояние вогнутой отражающей поверхности дозвуковой части сопла; l2=0,1-0,8 - поправка к фокусному расстоянию вогнутой отражающей дозвуковой части сопла, выбирается из условия надежного инициирования и непрерывного поддержания оптического разряда. В этом случае прошедшее без поглощения через плазму лазерное излучение перефокусируют в приосевую область в зоне нагретого газа за плазменным ядром непрерывного оптического разряда и инициируют дополнительный оптический разряд. Процесс инициирования дополнительного оптического разряда происходит в нагретом рабочем газе, движущемся со стороны основного оптического разряда, содержащем ионы и свободные электроны, снижающие порог пробоя оптического разряда. Известно, что непрерывный оптический разряд имеет тенденцию движения в направлении подвода лазерного излучения, при этом газодинамическая стабилизация невозможна, так как направление движения рабочего газа способствует движению дополнительного НОРа в сторону подвода лазерного излучения (в сторону дозвуковой части сопла), что может привести к его «сдуванию». Поэтому для решения данной проблемы фокусное расстояние вогнутой отражающей поверхности дозвуковой части сопла должно выбираться из условия электродинамической стабилизации дополнительного непрерывного оптического разряда (патент RU №2250530 С2, МПК H01J 27/24. Лазерно-плазменный источник ионов и излучения / Козлов Г.И; патентообладатель Институт проблем механики Российской Академии наук. - №2003118704/28; заявл. 25.06.2003. опубл.):where F DOS is the focal length of the main focusing system; F add - the focal length of the concave reflective surface of the subsonic part of the nozzle; l 2 = 0.1-0.8 - correction to the focal length of the concave reflecting subsonic part of the nozzle, is selected from the conditions of reliable initiation and continuous maintenance of the optical discharge. In this case, the laser radiation transmitted without absorption through the plasma is refocused in the axial region in the zone of the heated gas behind the plasma core of a continuous optical discharge and an additional optical discharge is initiated. The process of initiating an additional optical discharge occurs in a heated working gas, moving from the side of the main optical discharge, containing ions and free electrons, which reduce the breakdown threshold of the optical discharge. It is known that a continuous optical discharge has a tendency to move in the direction of supply of laser radiation, while gas-dynamic stabilization is impossible, since the direction of movement of the working gas contributes to the movement of additional NRA in the direction of supply of laser radiation (towards the subsonic part of the nozzle), which can lead to its " blowing off. " Therefore, to solve this problem, the focal length of the concave reflecting surface of the subsonic part of the nozzle should be selected from the conditions of electrodynamic stabilization of an additional continuous optical discharge (patent RU No. 2250530 C2, IPC H01J 27/24. Laser-plasma source of ions and radiation / Kozlov G.I; patent holder Institute of Mechanics Problems of the Russian Academy of Sciences. - No. 2003118704/28; declared. 25.06.2003. Publ.):
здесь µ - коэффициент поглощения плазмы на длине волны лазерного излучения, м-1; r - радиус поперечного сечения лазерного пучка в том месте, где локализуется. НОР; α - полуугол схождения сфокусированного лазерного пучка. Соблюдение этого условия в дополнение к условию (2) позволит непрерывно поддерживать дополнительный оптический разряд в режиме электродинамической стабилизации, при этом движущийся со стороны основного непрерывного оптического разряда нагретый газ будет дополнительно нагреваться, обтекая дополнительный непрерывный оптический разряд, что приведет к увеличению удельного импульса.here µ is the absorption coefficient of the plasma at the wavelength of the laser radiation, m -1 ; r is the radius of the cross section of the laser beam in the place where it is localized. NRA; α is the convergence half angle of the focused laser beam. Compliance with this condition in addition to condition (2) will make it possible to continuously maintain an additional optical discharge in the electrodynamic stabilization mode, while the heated gas moving from the side of the main continuous optical discharge will additionally heat up, flowing around an additional continuous optical discharge, which will lead to an increase in the specific impulse.
Таким образом, возвращение обратно в зону оптического разряда либо за ней прошедшего через плазму непоглощенного лазерного излучения, путем отражения его поверхностью стенок дозвуковой части сопла, приводит к увеличению удельного импульса и, следовательно, повышению КПД лазерного ракетного двигателя.Thus, the return of non-absorbed laser radiation back to the optical discharge zone or behind it through the plasma, by reflecting the surface of the walls of the subsonic part of the nozzle, leads to an increase in the specific impulse and, consequently, to an increase in the efficiency of the laser rocket engine.
Для охлаждения стенок камеры лазерного ракетного двигателя 4 и для газодинамической стабилизации непрерывного оптического разряда 5 может использоваться рабочее тело, например водород, протекающий по тракту охлаждения 8, и, нагреваясь, в плазме непрерывного оптического разряда 5 истекает, ускоряясь в сверхзвуковом сопле 7, образуя реактивную струю.For cooling the walls of the chamber of a
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011117914/06A RU2458248C1 (en) | 2011-05-04 | 2011-05-04 | Laser rocket engine and method of its operation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011117914/06A RU2458248C1 (en) | 2011-05-04 | 2011-05-04 | Laser rocket engine and method of its operation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2458248C1 true RU2458248C1 (en) | 2012-08-10 |
Family
ID=46849658
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011117914/06A RU2458248C1 (en) | 2011-05-04 | 2011-05-04 | Laser rocket engine and method of its operation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2458248C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112728971A (en) * | 2020-12-30 | 2021-04-30 | 西安交通大学 | Preheating device in nuclear thermal propulsion system |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2099572C1 (en) * | 1995-01-16 | 1997-12-20 | Козлов Николай Степанович | Plasma-jet engine |
| RU2266420C2 (en) * | 2003-10-08 | 2005-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем (ФГУП НИИКИ ОЭП) | Aerospace laser jet engine |
-
2011
- 2011-05-04 RU RU2011117914/06A patent/RU2458248C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2099572C1 (en) * | 1995-01-16 | 1997-12-20 | Козлов Николай Степанович | Plasma-jet engine |
| RU2266420C2 (en) * | 2003-10-08 | 2005-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем (ФГУП НИИКИ ОЭП) | Aerospace laser jet engine |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112728971A (en) * | 2020-12-30 | 2021-04-30 | 西安交通大学 | Preheating device in nuclear thermal propulsion system |
| CN112728971B (en) * | 2020-12-30 | 2021-10-19 | 西安交通大学 | Preheating device in nuclear thermal propulsion system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4937643B2 (en) | Extreme ultraviolet light source device | |
| US7250621B2 (en) | Method and arrangement for the plasma-based generation of intensive short-wavelength radiation | |
| Tresca et al. | Spectral modification of shock accelerated ions using a hydrodynamically shaped gas target | |
| US6924600B2 (en) | Laser plasma generation method and structure thereof | |
| US20150189728A1 (en) | Extreme Ultraviolet Light Source | |
| CN108443913B (en) | Scramjet engine based on high repetition frequency laser and combustion chamber thereof | |
| Malov et al. | High-power repetitively pulsed CO2 laser with mechanical Q-switching and its application to studies in aerodynamic installations | |
| RU2458248C1 (en) | Laser rocket engine and method of its operation | |
| Okada et al. | Energetic proton acceleration and bunch generation by ultraintense laser pulses on the surface of thin plasma targets | |
| US6459205B1 (en) | Propulsion device and method of generating shock waves | |
| Singh et al. | Insight into the evolution of laser-induced plasma during successive deposition of laser energy | |
| JPWO2018198227A1 (en) | EUV light generator | |
| RU2442019C1 (en) | Organization methods of operating procedure in a laser-driven rocket engine and laser-driven rocket engine | |
| RU2439360C1 (en) | Laser rocket engine and method of its operation | |
| RU2484280C1 (en) | Method for organisation of working process in laser rocket engine, and laser rocket engine | |
| RU2468543C1 (en) | Method for organisation of working process in chamber of laser rocket engine, and laser rocket engine | |
| Znamenskaya et al. | Analysis of dynamic processes occurring during generation of plasmoid formations in a supersonic flow | |
| GB2573506A (en) | Neutron warhead with very high speed fragmentation | |
| RU2761263C1 (en) | Laser jet engine | |
| US10305246B1 (en) | Iodine laser based defense system | |
| EP3815474A1 (en) | Reflective optical system | |
| RU2794391C1 (en) | Pulsed laser rocket engine for low-mass orbital spacecraft orientation, stabilization and correction systems | |
| RU2559030C2 (en) | Laser rocket engine (versions) | |
| RU139344U1 (en) | LASER-PLASMA MICRO-MOTOR | |
| CN111741580B (en) | Device and method for generating high-power wavelength-adjustable extreme ultraviolet light source |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140505 |