RU2475907C1 - Attack orbital nuclear pumping laser - Google Patents

Attack orbital nuclear pumping laser Download PDF

Info

Publication number
RU2475907C1
RU2475907C1 RU2011131636/28A RU2011131636A RU2475907C1 RU 2475907 C1 RU2475907 C1 RU 2475907C1 RU 2011131636/28 A RU2011131636/28 A RU 2011131636/28A RU 2011131636 A RU2011131636 A RU 2011131636A RU 2475907 C1 RU2475907 C1 RU 2475907C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gas
combustion chamber
uranium
laser
combat
Prior art date
Application number
RU2011131636/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Борисович Болотин
Original Assignee
Николай Борисович Болотин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Николай Борисович Болотин filed Critical Николай Борисович Болотин
Priority to RU2011131636/28A priority Critical patent/RU2475907C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2475907C1 publication Critical patent/RU2475907C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: weapons and ammunition.
SUBSTANCE: attack orbital nuclear pumping laser comprises resonator, gas-dynamic channel with layer applied on inner wall internal surface that contains nuclei of uranium 235 filled with working gas medium as well as nuclei of uranium 235 implanted into channel wall. Gas-dynamic channel is composed of liquid propellant rocket engine combustion chamber nozzle with divergent section shaped to ring in throat and rectangle at outlet with smooth transition from ring to rectangle. Combustion chamber is attached to turbo pump unit whereto gas generator is attached. Resonator is secured perpendicular to nozzle axis. Nuclear reactor and heat exchanger are arranged inside combustion chamber. Note here that nuclear reactor and heat exchanger are interconnected by heat carrier circulation feed and discharge pipelines.
EFFECT: higher fire power.
4 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании импульсных газовых лазеров с ядерной накачкой.The invention relates to the field of quantum electronics and can be used to create pulsed nuclear-pumped gas lasers.

Лазер - это устройство для получения высокоинтенсивных и узконаправленных пучков монохроматического светового излучения. Лазер создан в 1955 г. советскими учеными Прохоровым А.М. и Басовым Н.Г. Существуют различные типы лазеров - газовые, жидкостные и твердотельные. Лазерное излучение может быть непрерывным и импульсным. В практике используют лазеры различных мощностей. Наиболее мощные лазеры используют в вооружении. Действие лазерного излучения основано на резком повышении температуры в облучаемом месте, что вызывает разрушение материала: оплавление или испарение.A laser is a device for producing high-intensity and narrowly directed beams of monochromatic light radiation. The laser was created in 1955 by Soviet scientists A. Prokhorov. and Basov N.G. There are various types of lasers - gas, liquid and solid state. Laser radiation can be continuous and pulsed. In practice, lasers of various powers are used. The most powerful lasers are used in armaments. The action of laser radiation is based on a sharp increase in temperature in the irradiated area, which causes the destruction of the material: fusion or evaporation.

Известен газовый лазер. Недостатком указанного лазера является низкая энергия генерации.Known gas laser. The disadvantage of this laser is the low generation energy.

Наиболее близким по технической сущности является газовый лазер с ядерной накачкой по патенту РФ №1140668, МПК H01S 3/09, опубл. 30.06.1994 г., прототип.The closest in technical essence is a gas laser with a nuclear pump according to the patent of Russian Federation No. 1140668, IPC H01S 3/09, publ. 06/30/1994, the prototype.

Этот лазер содержит резонатор, газодинамический тракт с нанесенным на внутреннюю поверхность внутренней стенки слоем, включающим ядра урана 235, наполненную рабочей газовой средой, а также ядра урана 235, внедренные в стенку канала.This laser contains a resonator, a gas-dynamic path with a layer deposited on the inner surface of the inner wall, including uranium nuclei 235 filled with a working gas medium, as well as uranium nuclei 235 embedded in the channel wall.

Недостатком такого лазера является низкая выходная энергия генерации из-за того, что активная область генерации не охватывает весь объем газа, заполняющего кювету. Это возникает по той причине, что при работе лазера газовый объем разделяется на две части: активную область генерации и область, не охваченную генерацией, то есть пассивную зону. Пассивная зона образуется вследствие охлаждения непосредственно прилегающей к ураносодержащему слою части газа. Охлаждение происходит за счет передачи тепла трубке кюветы, теплоемкость единицы объема которой значительно превосходит теплоемкость единицы объема газа. В пределах пассивной зоны градиент температуры отрицателен, и соответственно положительны градиенты плотности и показателя преломления; в активной области - наоборот. В активной области потерь световой энергии нет, так как световые лучи, имевшие первоначальное направление, параллельное оси симметрии лазера, беспрепятственно выходят за пределы его кюветы. В пассивной же зоне имеют место потери световой энергии ввиду того, что при положительном градиенте показателя преломления световые лучи загибаются на стенку кюветы и там поглощаются. С течением времени пассивная зона расширяется. При длительности нейтронного импульса накачки τ≈10-3 с размер пассивной зоны примерно равен 1 мм. При увеличении длительности облучения до значения 10-2 с размер пассивной зоны к концу облучения возрастает до 3 мм. При длительности облучения нейтронным потоком газового лазера с ядерной накачкой порядка или больше 0,8 с пассивная зона может охватить весь рабочий объем лазера.The disadvantage of such a laser is the low output energy of the generation due to the fact that the active generation region does not cover the entire volume of gas filling the cuvette. This arises for the reason that during laser operation the gas volume is divided into two parts: the active generation region and the region not covered by generation, i.e. the passive zone. The passive zone is formed due to cooling of a portion of the gas directly adjacent to the uranium-containing layer. Cooling occurs due to heat transfer to the cell tube, the heat capacity of a unit volume of which significantly exceeds the heat capacity of a unit volume of gas. Within the passive zone, the temperature gradient is negative, and accordingly the density and refractive index gradients are positive; in the active region, vice versa. In the active region, there is no loss of light energy, since light rays having an initial direction parallel to the axis of symmetry of the laser freely go beyond its cell. In the passive zone, there is a loss of light energy due to the fact that with a positive gradient of the refractive index, the light rays bend to the wall of the cell and are absorbed there. Over time, the passive zone expands. With a neutron pump pulse duration of τ≈10 -3 s, the size of the passive zone is approximately 1 mm. When the irradiation duration is increased to a value of 10 -2 s, the size of the passive zone at the end of irradiation increases to 3 mm. With a neutron flux duration of a nuclear-pumped gas laser of the order of or greater than 0.8 s, the passive zone can cover the entire working volume of the laser.

Целью этого изобретения было повышение выходной энергии лазера.The aim of this invention was to increase the output energy of the laser.

Цель достигнута тем, что в газовом лазере с ядерной накачкой, содержащем цилиндрическую трубку с нанесенным на ее внутреннюю поверхность слоем, включающим ядра урана 235, наполненную рабочей газовой средой, ядра урана 235U внедрены также и в стенку трубки, при этом концентрация N ядер урана 235U в стенке выбрана из соотношения

Figure 00000001
The goal was achieved in that in a nuclear-pumped gas laser containing a cylindrical tube with a layer deposited on its inner surface, including uranium nuclei 235 filled with a working gas medium, 235 U uranium nuclei are also embedded in the tube wall, while the concentration N of uranium nuclei 235 U in the wall is selected from the relation
Figure 00000001

где N1 - концентрация ядер урана 235U в единице объема урансодержащего слоя;where N 1 is the concentration of 235 U uranium nuclei per unit volume of a uranium-containing layer;

C1, C2, C3 - удельные теплоемкости (при постоянном объеме) рабочей среды, урансодержащего слоя и цилиндрической трубки соответственно;C 1 , C 2 , C 3 - specific heat (at constant volume) of the working medium, the uranium-containing layer and the cylindrical tube, respectively;

ρ1, ρ2, ρ3 - плотность активной среды, урансодержащего слоя и цилиндрической трубки соответственно;ρ 1 , ρ 2 , ρ 3 - density of the active medium, the uranium-containing layer and the cylindrical tube, respectively;

r1 - внутренний радиус урансодержащего слоя;r 1 is the inner radius of the uranium-containing layer;

r2 - внешний радиус урансодержащего слоя;r 2 is the outer radius of the uranium-containing layer;

r3 - внешний радиус цилиндрической трубки;r 3 is the outer radius of the cylindrical tube;

∈ - эффективно передаваемая рабочей среде доля энергии осколков от деления, происходящего в урансодержащем слое.∈ is the fraction of the energy of fragments from fission occurring in the uranium-containing layer that is effectively transferred to the working medium.

Выражение для выбора оптимальной концентрации N ядер урана 235U, внедренных в стенку трубки, получено из балансных энергетических соотношений. Значение оптимальной концентрации не зависит от динамики работы лазера, что было подтверждено расчетом.The expression for choosing the optimal concentration N of 235 U uranium nuclei embedded in the tube wall is obtained from balanced energy ratios. The value of the optimal concentration does not depend on the dynamics of the laser, which was confirmed by the calculation.

Работает газовый лазер с ядерной накачкой следующим образом.A nuclear-pumped gas laser operates as follows.

При облучении лазера нейтронным потоком происходит деление ядер урана 235 как урансодержащего слоя, нанесенного на внутреннюю стенку трубки, так и ядер урана, внедренных в стенку трубки. При этом осколки деления ядер урансодержащего слоя обеспечивают создание инверсной заселенности активной среды газового лазера. Энергия, выделяемая при делении ядер урана, внедренных в стенку, приводит к повышению температуры стенки и тем самым устраняет причину возникновения пассивных зон.When the laser is irradiated with a neutron flux, fission of uranium 235 nuclei occurs both of the uranium-containing layer deposited on the inner wall of the tube and of uranium nuclei embedded in the tube wall. In this case, the fission fragments of the nuclei of the uranium-containing layer provide the creation of an inverse population of the active medium of the gas laser. The energy released during the fission of uranium nuclei embedded in the wall leads to an increase in the temperature of the wall and thereby eliminates the cause of the occurrence of passive zones.

Рассмотрим газовый лазер с ядерной накачкой, полость цилиндрической трубки которого заполнена смесью НЕ+Хе (в отношении 200:1) с начальной плотностью ρ1=0,9256·103 г/см3. Внешний радиус урансодержащего слоя - 2 r2=1 см, его толщина δ=0,518·10-3 см. Материал слоя - двуокись урана, характеризующая плотностью ρ2=10,96 г/см3 и концентрацией ядер урана 235U N1=2,47·1022 яд./см3. Внешний радиус цилиндрической трубки - 3 r3=1,1 см, ее толщина Δr3=0,1 см; трубка сплошная. Материал трубки - сплав: цирконий с добавкой урана 235U, его плотность ρ3=6,44 г/см3. Начальная температура всей системы To=303 K. Выполнены термогазодинамические расчеты на ЭВМ при нарастании потока тепловых нейтронов накачки по закону Ф(t)=Фoetн с заданным периодом τн=1,5 с. Фо полагалась равной 1013 н./см2с. В расчетах варьировалась концентрация 235U в материале стенки трубки. Кривая 5 на фиг.2 изображает зависимость координаты границы активной области генерации от концентрации ядер урана 235 в стенке трубки. Таким образом, прямые расчеты подтверждают, что приведенные выше формулы определяют оптимальное значение концентрации ядер урана в трубке лазерной кюветы, которое необходимо обеспечить для эффективной компенсации влияния неоднородностей температуры и плотности, возникающих в рабочем газе.Consider a nuclear-pumped gas laser whose cylindrical tube cavity is filled with a HE + Xe mixture (in a ratio of 200: 1) with an initial density ρ 1 = 0.9256 · 10 3 g / cm 3 . The outer radius of the uranium-containing layer is 2 r 2 = 1 cm, its thickness is δ = 0.518 · 10 -3 cm. The material of the layer is uranium dioxide, characterized by a density ρ 2 = 10.96 g / cm 3 and a concentration of uranium nuclei 235 UN 1 = 2 , 4710 22 ppm / cm 3 . The outer radius of the cylindrical tube is 3 r 3 = 1.1 cm, its thickness Δr 3 = 0.1 cm; the tube is continuous. The tube material is alloy: zirconium with the addition of uranium 235 U, its density ρ 3 = 6.44 g / cm 3 . The initial temperature of the entire system is T o = 303 K. Thermogasdynamic calculations were performed on a computer with an increase in the flux of thermal pump neutrons according to the law Ф (t) = Ф o e t / τ n with a given period τ n = 1.5 s. Ф о was assumed to be equal to 10 13 N / cm 2 s. In the calculations, the concentration of 235 U in the tube wall material was varied. Curve 5 in FIG. 2 shows the dependence of the coordinate of the boundary of the active generation region on the concentration of uranium nuclei 235 in the tube wall. Thus, direct calculations confirm that the above formulas determine the optimal value of the concentration of uranium nuclei in the tube of the laser cell, which must be provided to effectively compensate for the effects of temperature and density inhomogeneities arising in the working gas.

Эффективность действия такого лазера с оптимальной концентрацией ядер 235U в трубке проверена в расчетах термогазодинамических и оптических характеристик при работе его в режиме накачки потоком тепловых нейтронов, имеющем временную зависимость, близкую по форме к прямоугольной, с длительностью τ=1 с. Величина Фm=0,683·1014 н./см2с есть максимальное значение потока тепловых нейтронов. На основе полученных пространственно-временных распределений температуры и плотности газовой смеси с использованием временной зависимости импульса накачки тепловых нейтронов и известных соотношений, описывающих связь между плотностью газа и его показателем преломления, распределением показателя преломления и расходимостью оптического излучения и т.п., рассчитано изменение во времени относительной средней интенсивности лазерного излучения.The efficiency of such a laser with an optimal concentration of 235 U nuclei in the tube was verified in calculations of thermogasdynamic and optical characteristics when it was operated in the mode of pumping by a thermal neutron flux, which has a time dependence close in shape to a rectangular one with a duration of τ = 1 s. The value of f m = 0,683 · 10 14 N. / cm 2 s is the maximum value of the thermal neutron flux. Based on the obtained spatio-temporal distributions of the temperature and density of the gas mixture using the time dependence of the thermal neutron pump pulse and the known relations describing the relationship between the gas density and its refractive index, the distribution of the refractive index and the divergence of optical radiation, etc., the change in time relative average intensity of laser radiation.

Оптимальная концентрация ядер урана 235 в трубке кюветы лазера определяется геометрическими размерами и теплофизическими параметрами самой трубки, урансодержащего слоя и рабочей газовой среды. При изменении концентрации ядер урана 235 в материале трубки от нуля до оптимальной величины выходная энергия излучения лазера монотонно растет до максимально возможного значения. При дальнейшем увеличении концентрации выходная энергия излучения остается неизменной.The optimal concentration of 235 uranium nuclei in the tube of the laser cell is determined by the geometric dimensions and thermophysical parameters of the tube itself, the uranium-containing layer and the working gas medium. When the concentration of uranium 235 nuclei in the tube material changes from zero to the optimal value, the output laser radiation energy monotonically increases to the maximum possible value. With a further increase in concentration, the output radiation energy remains unchanged.

Таким образом, внедрение ядер урана 235 с оптимальной концентрацией N в стенку трубки лазера с ядерной накачкой позволяет существенно в 15-30 раз (при длительности накачки τ≈1 с) увеличить энергию выходного излучения лазера по сравнению с прототипом. Кроме того, такое устройство полностью исключает возможность отказа нагрева стенки трубки и обеспечивает синхронность слежения разогрева трубки за разогревом рабочей газовой среды.Thus, the introduction of uranium 235 nuclei with an optimal concentration of N into the wall of a nuclear-pumped laser tube allows a significant 15–30-fold increase (with a pump duration of τ≈1 s) to increase the energy of the laser output radiation compared to the prototype. In addition, such a device completely eliminates the possibility of failure of heating of the tube wall and provides synchronization of tracking heating of the tube for heating the working gas medium.

Таким образом, известный газовый лазер с ядерной накачкой по патенту РФ №1140668, МПК H01S 3/09, опубл. 30.06.1994 г., также обладает недостатками.Thus, the well-known gas laser with nuclear pumping according to the patent of the Russian Federation No. 1140668, IPC H01S 3/09, publ. 06/30/1994, also has disadvantages.

Недостатки описанного выше лазера - низкая мощность, низкая боевая готовность и поражающее действие.The disadvantages of the laser described above are low power, low combat readiness and a damaging effect.

Задачами создания боевого орбитального лазера с ядерной накачкой является значительное повышение его мощности и поражающих свойств.The tasks of creating a combat orbital nuclear-pumped laser are to significantly increase its power and damaging properties.

Решение указанных задач достигнуто в боевом орбитальном лазере с ядерной накачкой, содержащем резонатор, газодинамический тракт с нанесенным на внутреннюю поверхность внутренней стенки слоем, включающим ядра урана 235, наполненный рабочей газовой средой, а также ядра урана 235, внедренные в стенку канала, отличающемся тем, что газодинамический тракт выполнен в виде сопла камеры сгорания жидкостно-ракетного двигателя, расширяющаяся часть которого выполнена круглого сечения - в критическом сечении и прямоугольного - в выходном сечении с плавным переходом от круглого к прямоугольному сечению, резонатор установлен перпендикулярно продольно оси сопла, применены ядерный реактор и теплообменник, установленный внутри камеры сгорания, при этом ядерный реактор и теплообменник соединены между собой подводящим и отводящим трубопроводами рециркуляции теплоносителя.The solution of these problems was achieved in a nuclear-pumped combat orbital laser containing a resonator, a gas-dynamic tract with a layer deposited on the inner surface of the inner wall, including uranium 235 nuclei filled with a working gas medium, as well as uranium 235 nuclei embedded in the channel wall, characterized in that the gas-dynamic path is made in the form of a nozzle of the combustion chamber of a liquid-rocket engine, the expanding part of which is made of a circular cross section - in a critical section and a rectangular one - in the exit section with a the transition from round to rectangular cross section, the resonator is installed perpendicular to the nozzle axis, a nuclear reactor and a heat exchanger installed inside the combustion chamber are used, while the nuclear reactor and the heat exchanger are connected to each other by the supply and exhaust pipes of the coolant recirculation.

Боевой лазер может содержать дополнительно второе сопло, установленное оппозитно первому, оба сопла газоводами соединены с турбонасосным агрегатом, установленным под турбонасосным агрегатом. Турбонасосный агрегат содержит турбину, насос окислителя, насос горючего, дополнительный насос горючего и пусковую турбину. В одном из газоводов может быть установлен регулятор расхода газа.The combat laser may additionally contain a second nozzle mounted opposite to the first, both nozzles are connected by gas ducts to a turbopump assembly mounted under the turbopump assembly. The turbopump assembly comprises a turbine, an oxidizer pump, a fuel pump, an additional fuel pump, and a starting turbine. A gas flow regulator can be installed in one of the gas ducts.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1…6, гдеThe invention is illustrated in figure 1 ... 6, where

- на фиг.1 приведена схема боевого орбитального лазера с ядерной накачкой,- figure 1 shows a diagram of a combat orbital laser with a nuclear pump,

- на фиг.2 приведен вид А,- figure 2 shows a view A,

- на фиг.3 приведен вид Б,- figure 3 shows a view of B,

- на фиг.4 приведена схема боевого орбитального лазера с двумя камерами сгорания,- figure 4 shows a diagram of a combat orbital laser with two combustion chambers,

- на фиг.5 приведена схема боевого лазера с двумя ракетными двигателями,- figure 5 shows a diagram of a combat laser with two rocket engines,

- на фиг.6 приведена схема боевого лазера с одним ракетным двигателем, имеющим один ТНА и две камеры сгорания.- figure 6 shows a diagram of a combat laser with one rocket engine having one TNA and two combustion chambers.

Боевой орбитальный лазер с ядерной накачкой содержит (фиг.1…6) резонатор 1, который, в свою очередь, содержит зеркала 2, диафрагму 3, объектив 4. Резонатор 1 установлен перпендикулярно газодинамическому тракту, который выполнен в виде сопла 5 камеры сгорания 6 жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) 7. Жидкостные ракетные двигатели 7 не используются для создания реактивной тяги (или если применена одна камера сгорания - используют для создания очень небольшой силы тяги. Это достигается низким давлением в камере сгорания 2…3 атм и маленьким расходом окислителя и горючего.A nuclear-pumped combat orbital laser contains (FIGS. 1 ... 6) a resonator 1, which, in turn, contains mirrors 2, a diaphragm 3, and a lens 4. The resonator 1 is mounted perpendicular to the gas-dynamic path, which is made in the form of a nozzle 5 of the liquid combustion chamber 6 rocket engine (LRE) 7. Liquid rocket engines 7 are not used to create jet thrust (or if one combustion chamber is used, they are used to create very low thrust forces. This is achieved by low pressure in the combustion chamber 2 ... 3 atm and low flow oxidizer and fuel.

Жидкостные ракетные двигатели 7 используются в основном для создания реактивной тяги, а служат для накачки боевого лазера. Камера сгорания 6 жидкостного ракетного двигателя 7 содержит головку 8 и цилиндрическую часть 9. Сопло 5 содержит сужающуюся часть 10 и расширяющуюся часть 11. Расширяющаяся часть 11 выполнена круглого сечения - в критическом сечении и прямоугольного - в выходном сечении с плавным переходом от круглого к прямоугольному сечению. Как сужающаяся 10, так и расширяющаяся часть 11 выполнены с возможностью регенеративного охлаждения (фиг.1) и содержат две стенки: внутреннюю стенку 12 и наружную стенку 13 с зазором между ними 14. На внутренней поверхности внутренней стенки 12 нанесен слой урана 235 - 15, а в саму внутреннюю стенку 12 внедрены частицы урана 238 - 16.Liquid rocket engines 7 are used mainly to create jet propulsion, and are used to pump a combat laser. The combustion chamber 6 of a liquid-propellant rocket engine 7 contains a head 8 and a cylindrical part 9. The nozzle 5 comprises a tapering part 10 and an expanding part 11. The expanding part 11 is made of a circular cross section — in a critical section and a rectangular section — in the exit section with a smooth transition from round to rectangular section . Both the tapering 10 and the expanding part 11 are made with the possibility of regenerative cooling (Fig. 1) and contain two walls: an inner wall 12 and an outer wall 13 with a gap between them 14. A layer of uranium 235 - 15 is deposited on the inner surface of the inner wall 12, and uranium particles 238-16 are embedded in the inner wall 12 itself.

Резонатор 1 размещен перпендикулярно продольной оси сопла 5 камеры сгорания 6, предпочтительно в районе расширяющейся части 11.The resonator 1 is placed perpendicular to the longitudinal axis of the nozzle 5 of the combustion chamber 6, preferably in the region of the expanding part 11.

Боевой лазер содержит теплообменник 17, установленный внутри цилиндрической части 9 камеры сгорания 7, и ядерный реактор 18. Ядерный реактор 18 соединен с теплообменником 17 трубопроводами циркуляции теплоносителя, подводящим 19 и отводящим 20. В подводящем трубопроводе 19 установлен насос 21.The combat laser includes a heat exchanger 17 mounted inside the cylindrical part 9 of the combustion chamber 7, and a nuclear reactor 18. The nuclear reactor 18 is connected to the heat exchanger 17 by coolant circulation pipelines, supply 19 and discharge 20. A pump 21 is installed in the supply pipe 19.

Боевой орбитальный лазер (фиг.4…6) может содержать один или предпочтительно два жидкостных ракетных двигателя 7, одну или предпочтительно две камеры сгорания 6 и турбонасосный агрегат (ТНА) 22. Турбонасосный агрегат 22, в свою очередь, содержит установленные на валу 23 ТНА 22 центробежное рабочее колесо насоса окислителя 24, центробежное рабочее колесо насоса горючего 25, датчик частоты вращения 26, дополнительный насос горючего 27, с валом дополнительного насоса горючего 28, соединенным мультипликатором 29, размещенным в корпусе 30 с валом 23 ТНА 22, основную турбину 31, выполненную в верхней части турбонасосного агрегата 22. Газогенератор 32 установлен над основной турбиной 31 соосно с турбонасосным агрегатом 22. Камера сгорания 6 имеет силовой пояс 33, к ней прикреплен ТНА 22 при помощи тяг 34. Внутри камеры сгорания 6 выполнены наружная плита 35 и внутренняя плита 36 с между ними (фиг.4). Внутри головки 8 камеры сгорания 6 установлены форсунки окислителя 37 и форсунки горючего 38. Форсунки окислителя 37 сообщают полость «В» с внутренней полостью камеры сгорания «Д», а форсунки горючего 38 сообщают полость «Г» с внутренней полостью камеры сгорания «Д». На наружной поверхности камеры сгорания 21 установлен коллектор горючего 39, от которого отходят топливопроводы 40 к нижней части сопла 33. К коллектору горючего 39 подключен выход из клапана горючего 41, вход которого трубопроводом горючего 42 соединен с выходом из центробежного рабочего колеса насоса горючего 25. Выход из дополнительного насоса горючего 27 соединен топливопроводом высокого давления 43 через регулятор расхода 44, имеющий привод 45 и клапан высокого давления 46, с газогенератором 32, конкретно - с полостью «Е». Выход из центробежного рабочего колеса насоса окислителя 24 трубопроводом окислителя 47 через клапан 48 тоже соединен с генератором 32, конкретно с его полостью «Ж». На головке 35 камеры сгорания 21 установлены запальные устройства 49, а на газогенераторе 31 - запальные устройства 50.Combat orbital laser (figure 4 ... 6) may contain one or preferably two liquid rocket engines 7, one or preferably two combustion chambers 6 and a turbopump unit (TNA) 22. The turbopump unit 22, in turn, contains mounted on the shaft 23 TNA 22 centrifugal impeller of the oxidizer pump 24, centrifugal impeller of the fuel pump 25, speed sensor 26, additional fuel pump 27, with the shaft of the additional fuel pump 28, connected by a multiplier 29, located in the housing 30 with the shaft 23 ТНА 22, main an oval turbine 31 made in the upper part of the turbopump unit 22. The gas generator 32 is mounted above the main turbine 31 coaxially with the turbopump unit 22. The combustion chamber 6 has a power belt 33, TNA 22 is attached to it by rods 34. An outer plate is made inside the combustion chamber 6 35 and the inner plate 36 with between them (figure 4). Inside the head 8 of the combustion chamber 6, the oxidizer nozzles 37 and the fuel nozzles 38 are installed. The oxidizer nozzles 37 communicate the cavity “B” with the internal cavity of the combustion chamber “D”, and the fuel nozzles 38 communicate the cavity “G” with the internal cavity of the combustion chamber “D”. A fuel manifold 39 is installed on the outer surface of the combustion chamber 21, from which the fuel lines 40 extend to the lower part of the nozzle 33. An outlet from the fuel valve 41 is connected to the fuel manifold 39, the inlet of which is connected by a fuel pipe 42 to the outlet of the centrifugal impeller of the fuel pump 25. Exit from an additional fuel pump 27 is connected by a high pressure fuel line 43 through a flow regulator 44 having an actuator 45 and a high pressure valve 46, with a gas generator 32, specifically with a cavity "E". The exit from the centrifugal impeller of the oxidizer pump 24 through the oxidizer pipe 47 through the valve 48 is also connected to the generator 32, specifically with its cavity "G". Ignition devices 49 are installed on the head 35 of the combustion chamber 21, and ignition devices 50 are installed on the gas generator 31.

К датчику частоты вращения 26 подсоединена электрическая связь 51, которая соединена с блоком управления 52 и обеспечивает все другие электрические коммутации.An electrical connection 51 is connected to the speed sensor 26, which is connected to the control unit 52 and provides all other electrical switching.

К блоку управления 52 электрическими связями 51 подключены электрозапальные устройства 49 и 50, клапан горючего 41, клапан окислителя 48, привод регулятора расхода 45, клапан высокого давления 46, пусковой клапан 53 и регулятор расхода газа 54, при его наличии установленный в газоводе 55 одной из камер сгорания 9. Регулятор расхода газа 54 имеет привод 56 и обеспечивает равенство силы тяги двух оппозитно установленных жидкостных ракетных двигателей 7.Electrolap devices 49 and 50, a fuel valve 41, an oxidizer valve 48, an actuator for the flow regulator 45, a high pressure valve 46, a start valve 53 and a gas flow regulator 54, if installed in the gas duct 55 of one of the combustion chambers 9. The gas flow regulator 54 has a drive 56 and ensures equality of traction force of two opposed installed liquid rocket engines 7.

К коллектору горючего 39 подключен продувочный трубопровод 57 с клапаном продувки 58. Камера сгорания 9 (или камеры сгорания) может быть установлена на цапфах 59.A purge line 57 with a purge valve 58 is connected to the fuel manifold 39. The combustion chamber 9 (or combustion chamber) can be mounted on the pins 59.

Боевой лазер содержит баллон сжатого воздуха 60, с которым соединен трубопровод высокого давления 61, имеющий клапан 62. Другой конец трубопровода высокого давления 61 соединен с пусковой турбиной 63. К пусковой турбине 63 подсоединена выхлопная труба 64.The combat laser includes a compressed air cylinder 60 to which a high pressure pipe 61 having a valve 62 is connected. The other end of the high pressure pipe 61 is connected to a start turbine 63. An exhaust pipe 64 is connected to the start turbine 63.

Для измерения силы тяги камер сгорания 5 в верхней части камер сгорания 7 между ними и опорной плитой 65 установлены датчики 66 (фиг.4 и 5).To measure the traction force of the combustion chambers 5 in the upper part of the combustion chambers 7, sensors 66 are installed between them and the base plate 65 (Figs. 4 and 5).

При запуске боевого орбитального лазера с ядерной накачкой сначала запускают ядерный реактор 18, потом жидкостный ракетный двигатель 8 (двигатели при наличии двух двигателей). Для запуска жидкостного ракетного двигателя 8 открывают клапан 62 и сжатый воздух по трубопроводу высокого давления 61 поступает в пусковую турбину 64. Потом открывают клапаны 41, 48 и 69 и включают запальники 49 и 50 (фиг.4). Топливо (окислитель и горючее) при сгорании в камере сгорания 7 сгорает при относительно низкой температуре до 500 град С. Дальнейший подогрев продуктов сгорания до 3000…4000 град С осуществляется теплообменником 17. Для этого включают насос 21, который осуществляет циркуляцию жидкого теплоносителя по трубопроводам циркуляции через теплообменник 17, перенося к нему тепловую энергию ядерного реактора 18. Кроме значительного нагрева продукты сгорания подвергаются радиоактивному облучению, это способствует повышению мощности лазера 1.When launching a nuclear-pumped combat orbital laser, a nuclear reactor 18 is first launched, then a liquid-propellant rocket engine 8 (engines with two engines). To start the liquid-propellant rocket engine 8, the valve 62 is opened and the compressed air enters the starting turbine 64 through the high pressure pipe 61. Then, the valves 41, 48 and 69 are opened and the igniters 49 and 50 are turned on (Fig. 4). Fuel (oxidizer and fuel) during combustion in the combustion chamber 7 burns out at a relatively low temperature of up to 500 degrees C. Further heating of the combustion products to 3,000 ... 4,000 degrees C is carried out by heat exchanger 17. To do this, turn on pump 21, which circulates the liquid coolant through the circulation pipelines through the heat exchanger 17, transferring to it the thermal energy of the nuclear reactor 18. In addition to significant heating, the combustion products are exposed to radiation, this helps to increase the power of the laser 1.

Для боевого лазера с двумя камерами сгорания 7 (фиг.4) регулятором расхода газа 24 добиваются равенства силы тяги обеих камер сгорания 7. Сумму тяги измеряют датчиками 66.For a combat laser with two combustion chambers 7 (Fig. 4), the gas flow regulator 24 achieves the equal thrust of both combustion chambers 7. The amount of thrust is measured by sensors 66.

Выключение боевого лазера осуществляется в обратном порядке.The combat laser is turned off in the reverse order.

Для обеспечения работоспособности боевого лазера необходимо выполнение следующих условий.To ensure the operability of a combat laser, the following conditions must be met.

1. Жидкостный ракетный двигатель - ЖРД должен быть специально спроектирован, а не использован применяющийся в космонавтике двигатель. Однако при этом принципиальная схема двигателя и его конструкция не будут отличаться от известных. Основные отличия - относительно большие габариты для обеспечения размещения внутри цилиндрической части ядерного реактора. Малогабаритный ядерный реактор, серийно изготавливаемый в Японии, имеет габариты 1,8 м × 6 м (с учетом подвесного оборудования), реальные габариты значительно меньше - http://www.xbt.com - (Приложение 1). Имеются сведения о размещение более 40 лет назад на космических объектах в СССР ядерного реактора внутри камер сгорания ЖРД - http://www.atomie-energi.ru - (Приложение 2). С учетом этих данных предполагаемые размеры цилиндрической части камеры сгорания должны быть: диаметр 2 м и длина 6 м.1. Liquid rocket engine - the liquid propellant rocket engine must be specially designed and not used in the spacecraft engine. However, the circuit diagram of the engine and its design will not differ from the known ones. The main differences are relatively large dimensions to ensure placement inside the cylindrical part of a nuclear reactor. A small-sized nuclear reactor, mass-produced in Japan, has dimensions of 1.8 m × 6 m (including suspended equipment), the actual dimensions are much smaller - http://www.xbt.com - (Appendix 1). There is information about the deployment more than 40 years ago at space objects in the USSR of a nuclear reactor inside the LRE combustion chambers - http://www.atomie-energi.ru - (Appendix 2). Based on these data, the estimated dimensions of the cylindrical part of the combustion chamber should be: diameter 2 m and length 6 m

2. Режим работы ЖРД должен отличаться от режима работы космических ЖРД. Основные отличия в работе:2. The operating mode of the rocket engine should be different from the operating mode of the space rocket engine. The main differences in the work:

- очень малое давление в камере сгорания, от 0,5 до 20 кгс/см2, для обеспечения прочности стенок камеры сгорания при ее больших габаритах,- a very small pressure in the combustion chamber, from 0.5 to 20 kgf / cm 2 , to ensure the strength of the walls of the combustion chamber with its large dimensions,

- соотношение компонентов топлива с большим содержанием окислителя, обеспечивающее температуру продуктов сгорания менее 500°C и отсутствие отложения копоти на внутренних стенках камеры сгорания. Также это сохранит частицы урана 235, внедренные в стенку камеры сгорания. Кроме того, для внутренних стенок камер сгорания в настоящее время применяют медные сплавы, которые не подвергаются оплавлению при температурах газового потока до 3000…4000°C. Это достигнуто применением высокоэффективного конвективного охлаждения стенок камер сгорания одним из компонентов топлива.- the ratio of the components of the fuel with a high content of oxidizing agent, ensuring the temperature of the combustion products less than 500 ° C and the absence of soot deposits on the inner walls of the combustion chamber. It will also preserve uranium particles 235 embedded in the wall of the combustion chamber. In addition, copper alloys are currently used for the internal walls of combustion chambers, which are not fused at gas flow temperatures up to 3000 ... 4000 ° C. This is achieved by using highly efficient convective cooling of the walls of the combustion chambers by one of the fuel components.

Эти мероприятия не целесообразны для ЖРД, предназначенных для ракет-носителей, так как уменьшают их силу тяги, снижают удельную тягу и многократно увеличивают вес. Для орбитальных установок это непринципиально, а большая реактивная тяга даже мешает работе боевого лазера. Предполагается, что сборка ЖРД больших габаритов будет выполняться в космосе из узлов и деталей относительно небольших габаритов.These measures are not advisable for rocket engines intended for launch vehicles, as they reduce their traction, reduce specific thrust and multiply their weight. For orbital installations, this is unprincipled, and a large jet thrust even interferes with the operation of a combat laser. It is assumed that the assembly of large rocket engines will be carried out in space from nodes and parts of relatively small dimensions.

С другой стороны, для такого двигателя (больших габаритов) могут использоваться нелегированные, дешевые стали, упростится конструкция камеры сгорания - она может быть выполнена разборной и прямоугольной формы, облегчится охлаждение стенок камеры сгорания, упростится конструкция турбонасосного агрегата - ТНА, так как он будет спроектирован на относительно низкие давления.On the other hand, for such an engine (large dimensions) unalloyed, cheap steels can be used, the design of the combustion chamber will be simplified - it can be made of a collapsible and rectangular shape, cooling of the walls of the combustion chamber will be facilitated, the design of the turbopump assembly - TNA will be simplified, as it will be designed at relatively low pressures.

Применение изобретения позволилоThe use of the invention allowed

1. Повысить мощность боевого лазера за счет дополнительного радиоактивного облучения продуктов сгорания и повышения их температуры в резонаторе, что позволит передать лучу лазера большую энергию.1. To increase the power of the combat laser due to the additional radioactive irradiation of the combustion products and increase their temperature in the cavity, which will allow the laser beam to transmit more energy.

2. Повысить КПД боевого лазера.2. Increase the efficiency of the combat laser.

3. Обеспечить многоразовое включение боевого лазера.3. Provide reusable inclusion of the combat laser.

4. Повысить точность попадания лазера за счет компенсации сил тяги двух камер сгорания в двухкамерном варианте.4. To increase the accuracy of the laser hit by compensating the traction forces of the two combustion chambers in a two-chamber version.

5. Повысить боеготовность лазера.5. Increase the combat readiness of the laser.

6. Значительно улучшить обороноспособность страны.6. Significantly improve the country's defense.

Claims (4)

1. Боевой орбитальный лазер с ядерной накачкой, содержащий резонатор, газодинамический тракт с нанесенным на внутреннюю поверхность внутренней стенки слоем, включающим ядра урана 235, наполненный рабочей газовой средой, а также ядра урана 235, внедренные в стенку канала, отличающийся тем, что газодинамический тракт выполнен в виде сопла камеры сгорания жидкостно-ракетного двигателя, расширяющаяся часть которого выполнена круглого сечения в критическом сечении и прямоугольного - в выходном сечении с плавным переходом от круглого к прямоугольному сечению, камера сгорания прикреплена к турбонасосному агрегату, к которому присоединен газогенератор, резонатор установлен перпендикулярно продольно оси сопла, применены ядерный реактор и теплообменник, установленный внутри камеры сгорания, при этом ядерный реактор и теплообменник соединены подводящим и отводящим трубопроводами рециркуляции теплоносителя.1. A nuclear-pumped combat orbital laser containing a resonator, a gas-dynamic path with a layer deposited on the inner surface of the inner wall, including uranium 235 nuclei filled with a working gas medium, and also uranium 235 nuclei embedded in the channel wall, characterized in that the gas-dynamic path made in the form of a nozzle of the combustion chamber of a liquid-rocket engine, the expanding part of which is made of circular cross section in the critical section and rectangular in the output section with a smooth transition from round to rectangle nomu section, a combustion chamber is secured to a turbopump assembly to which is attached a gas generator, the resonator is mounted perpendicular to the longitudinal axis of the nozzle, and applied to a nuclear reactor heat exchanger mounted inside the combustion chamber, wherein the nuclear reactor and a heat exchanger connected to inlet and outlet conduits recycle coolant. 2. Боевой орбитальный лазер по п.1, отличающийся тем, он содержит дополнительно второе сопло, установленное оппозитно первому, оба сопла газоводами соединены с генератором.2. The combat orbital laser according to claim 1, characterized in that it further comprises a second nozzle mounted opposite to the first, both nozzles connected to a generator by gas ducts. 3. Боевой орбитальный лазер по п.2, отличающийся тем, что турбонасосный агрегат содержит турбину, насос окислителя, насос горючего, дополнительный насос горючего и пусковую турбину.3. Combat orbital laser according to claim 2, characterized in that the turbopump assembly comprises a turbine, an oxidizer pump, a fuel pump, an additional fuel pump and a starting turbine. 4. Боевой орбитальный лазер по п.2 или 3, отличающийся тем, что в одном из газоводов установлен регулятор расхода. 4. Combat orbital laser according to claim 2 or 3, characterized in that a flow regulator is installed in one of the gas ducts.
RU2011131636/28A 2011-07-27 2011-07-27 Attack orbital nuclear pumping laser RU2475907C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011131636/28A RU2475907C1 (en) 2011-07-27 2011-07-27 Attack orbital nuclear pumping laser

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011131636/28A RU2475907C1 (en) 2011-07-27 2011-07-27 Attack orbital nuclear pumping laser

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2475907C1 true RU2475907C1 (en) 2013-02-20

Family

ID=49121161

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011131636/28A RU2475907C1 (en) 2011-07-27 2011-07-27 Attack orbital nuclear pumping laser

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2475907C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4160956A (en) * 1976-07-26 1979-07-10 United Technologies Corporation Nuclear-pumped uranyl salt laser
SU1140668A1 (en) * 1982-10-14 1994-06-30 А.Н. Сизов Nuclear pumped gas laser
EP1093129B1 (en) * 1999-10-14 2003-12-10 Kabushiki Kaisha Toshiba Fuel assembly and nuclear reactor
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
EP1193719B1 (en) * 2000-09-28 2007-02-14 Carlo Rubbia Method and device for heating gas from a thin layer of nuclear fuel, and space engine using such method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4160956A (en) * 1976-07-26 1979-07-10 United Technologies Corporation Nuclear-pumped uranyl salt laser
SU1140668A1 (en) * 1982-10-14 1994-06-30 А.Н. Сизов Nuclear pumped gas laser
EP1093129B1 (en) * 1999-10-14 2003-12-10 Kabushiki Kaisha Toshiba Fuel assembly and nuclear reactor
EP1193719B1 (en) * 2000-09-28 2007-02-14 Carlo Rubbia Method and device for heating gas from a thin layer of nuclear fuel, and space engine using such method
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

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9180985B1 (en) Nuclear thermal propulsion rocket engine
Kasahara et al. Chapman-Jouguet oblique detonation structure around hypersonic projectiles
US9346565B1 (en) Nuclear thermal propulsion rocket engine
Goto et al. Cylindrical rotating detonation engine with propellant injection cooling
Wang et al. Experimental investigations on effects of wall-temperature on performance of a pulse detonation rocket engine
GB2496013A (en) Reflecting apparatus for targeting electromagnetic waves.
RU2475907C1 (en) Attack orbital nuclear pumping laser
US3069527A (en) Vapor generator utilizing heat of fusion
Wilson et al. Analysis of a pulsed normal detonation wave engine concept
Pandey et al. CFD Analysis of a Hydrogen Fueled Mixture in Scramjet Combustor with a Strut Injector by Using Fluent Software
Knuth et al. Experimental investigation of a vortex-driven high-regression rate hybrid rocket engine
Braun New detonation concepts for propulsion and power generation
RU2488767C2 (en) Combat orbital nuclear-pumped laser
Watanabe et al. Three-dimensional Numerical Simulation of Disk Rotating Detonation Engine; Unsteady Flow Structure
Clery Laser fusion success sparks hope of new route to fusion power
Xue et al. Muzzle flow field characteristics of underwater sealed launch system under different projectile shapes
GB2496022A (en) Multi stage mirror.
RU2477830C1 (en) Mobile combat laser
Bengherbia et al. Computational Investigation of Transitional Viscous Flow over a Ram Accelerator Projectile in Sub-Detonative Propulsion Mode
Xue et al. Investigation of thermal performance in dual‐fuel units
Bruckner et al. The ram accelerator: review of experimental research activities in the US
RU2815457C1 (en) Method for elements of launch vehicle discharger by supplying liquid
Yoshidomi et al. Numerical Simulation on Rotating Detonation Engine: Effect of Number of Injection Ports in Non-Premixed H2-O2 Gases
US20180106219A1 (en) Propulsion system
RU2806412C2 (en) Liquid rocket engine