RU2794391C1 - Pulsed laser rocket engine for low-mass orbital spacecraft orientation, stabilization and correction systems - Google Patents

Pulsed laser rocket engine for low-mass orbital spacecraft orientation, stabilization and correction systems Download PDF

Info

Publication number
RU2794391C1
RU2794391C1 RU2022110875A RU2022110875A RU2794391C1 RU 2794391 C1 RU2794391 C1 RU 2794391C1 RU 2022110875 A RU2022110875 A RU 2022110875A RU 2022110875 A RU2022110875 A RU 2022110875A RU 2794391 C1 RU2794391 C1 RU 2794391C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
chamber
laser
cylindrical chamber
stabilization
working fluid
Prior art date
Application number
RU2022110875A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Альберт Габдулбарович Саттаров
Александр Владимирович Сочнев
Булат Рустемович Зиганшин
Алмаз Айдарович Кадиров
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева - КАИ"
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева - КАИ" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева - КАИ"
Application granted granted Critical
Publication of RU2794391C1 publication Critical patent/RU2794391C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: spacecraft; spacecraft control devices.
SUBSTANCE: invention is designed in particular for orientation and stabilization of vehicles in space. Pulsed laser rocket engine for systems of orientation, stabilization and correction of low-mass orbital spacecraft contains a laser radiation source that generates laser pulses, a focusing lens, a preliminary chamber, a tank for storing a working fluid under pressure, an electrovalve that regulates the flow of a working fluid into the preliminary chamber, a channel of arbitrary section connecting the tank with the solenoid valve, the cylindrical chamber and the rear wall of the cylindrical chamber. The cylindrical chamber is located perpendicular to the pre-chamber. The focusing lens is located at an angle to the preliminary chamber for focusing the laser pulse on the back wall of the cylindrical chamber.
EFFECT: specific impulse of the laser rocket engine is increased.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к космическим летательным аппаратам и их управляющим устройствам, в частности, для ориентации и стабилизации аппаратов в пространстве.The invention relates to spacecraft and their control devices, in particular, for orientation and stabilization of vehicles in space.

Известно устройство «Двигатель системы ориентации и стабилизации космических летательных аппаратов» (патент РФ №2281890, МПК B64G 1/34 (2006.01), опубликовано 20.08.2006). Устройство состоит из корпуса, рабочего тела в виде вещества, сублимирующего при нагревании, электронагревателей и холодильников. Устройство содержит герметичный корпус, внутри которого размещены рабочее тело и электронагреватели, а на торцах корпуса расположены холодильники. Устройство работает следующим образом: при включении электронагревателя происходит нагрев рабочего тела, оно переходит в газообразное состояние и распределяется внутри герметичного корпуса. Включение холодильника на противоположном торце корпуса создает больший градиент температур по длине корпуса, при этом рабочее тело будет конденсироваться преимущественно на холодной части корпуса, создавая больший момент сил. Если необходимо изменить направление момента сил, то нужно включить противоположную пару электронагреватель - холодильник. При данной конструкции двигателя система электронагреватель-холодильник включается и выключается попарно. Known device "Motor system orientation and stabilization of spacecraft" (RF patent No. 2281890, IPC B64G 1/34 (2006.01), published 20.08.2006). The device consists of a housing, a working fluid in the form of a substance that sublimates when heated, electric heaters and refrigerators. The device contains a sealed housing, inside which the working fluid and electric heaters are placed, and refrigerators are located at the ends of the housing. The device works as follows: when the electric heater is turned on, the working fluid is heated, it passes into a gaseous state and is distributed inside the sealed housing. Turning on the refrigerator at the opposite end of the housing creates a larger temperature gradient along the length of the housing, while the working fluid will condense mainly on the cold part of the housing, creating a greater torque. If it is necessary to change the direction of the moment of forces, then it is necessary to turn on the opposite pair of electric heater - refrigerator. With this engine design, the electric heater-refrigerator system is switched on and off in pairs.

Недостатком данного решения является повышенные энергозатраты двигателя вследствие применения нагревателя и холодильника, что влияет на габариты и массу двигателя, а также низкая надежность двигателя вследствие выполнения условий обеспечения герметичности корпуса для осуществления рабочего процесса. The disadvantage of this solution is the increased energy consumption of the engine due to the use of a heater and a refrigerator, which affects the dimensions and weight of the engine, as well as the low reliability of the engine due to the fulfillment of the conditions for ensuring the tightness of the housing for the implementation of the working process.

Известно техническое решение «LASER-ABLATIVE THRUSTER MICROLAS», приведенное в публикации Overview of Laser Ablation Micropropulsion Research Activities at DLR Stuttgart (Hans-Albert Eckel, Stefan Scharring, Stephanie Karg, Christian Illg, and Johannes Peter, International High Power Laser Ablation and Beamed Energy Propulsion Symposium (HPLA/BEP (2014), 21-25 апреля 2014 (https://core.ac.uk/download/pdf/31010835.pdf). Устройство состоит из импульсного лазера, электрооптической линзы с изменяющимся фокусным расстоянием, электрооптическим устройством для плоскостного продольного управления лазерным лучом, f-theta линзы с зафиксированным фокусным расстоянием, плоским отражателем (зеркало) и металлической мишени. Устройство работает следующим образом: луч импульсного лазера проходит через электрооптическую линзу и поступает в электрооптическое устройство, откуда выходит через f-theta линзу, поступает на отражатель и фокусируется на металлической мишени. Недостатком данного решения является сложность наведения и получения лазерного пятна необходимого размера из-за наличия отражающего зеркала, а также размеры устройства, затрудняющее применение в системах стабилизации и ориентации для малых космических аппаратов.Known technical solution "LASER-ABLATIVE THRUSTER MICROLAS", given in the publication Overview of Laser Ablation Micropropulsion Research Activities at DLR Stuttgart (Hans-Albert Eckel, Stefan Scharring, Stephanie Karg, Christian Illg, and Johannes Peter, International High Power Laser Ablation and Beamed Energy Propulsion Symposium (HPLA/BEP (2014), April 21-25, 2014 (https://core.ac.uk/download/pdf/31010835.pdf). The device consists of a pulsed laser, an electro-optical zoom lens, an electro-optical device for planar longitudinal control of a laser beam, f-theta lenses with a fixed focal length, a flat reflector (mirror) and a metal target.The device works as follows: a pulsed laser beam passes through an electro-optical lens and enters an electro-optical device, from where it exits through f-theta The disadvantage of this solution is the difficulty of pointing and obtaining a laser spot of the required size due to the presence of a reflecting mirror, as well as the size of the device, which makes it difficult to use in stabilization and orientation systems for small spacecraft.

f-theta линза – это линза, позволяющая сфокусировать лазерный луч на заданном (фокусном) расстоянии.An f-theta lens is a lens that allows you to focus a laser beam at a given (focal) distance.

Наиболее близким по технической сущности является устройство «Лазерно-плазменный микродвигатель» (патент РФ № 139344, МПК F02K 1/00 (2006.01), опубликовано 20.04.2014). Устройство состоит из источника лазерного излучения, системы ввода излучения в световод, световод, механизма подачи световода в сопловую камеру, вакуумного уплотнения, сопловой камеры, приосевой трубки держателя конца световода. Устройство работает следующим образом: лазерное излучение от источника подается через систему ввода излучения в световод, где, взаимодействуя на выходе из световода с поглощающим излучение торцом, инициирует оптический пробой материала выходного конца световода как рабочего тела в сопловой камере с формированием приосевой газово-плазменной струи, обеспечивающей передачу стенкам сопловой камеры противоположно направленного реактивного импульса отдачи. Для обеспечения квазинепрерывного режима работы двигателя генерация импульсов излучения лазера согласуется со скоростью работы механизма подачи световода в сопловую камеру для восстановления исходного положения поглощающего излучение торца световода над срезом приосевой трубки держателя конца световода. The closest in technical essence is the device "Laser-plasma micromotor" (RF patent No. 139344, IPC F02K 1/00 (2006.01), published 04/20/2014). The device consists of a laser radiation source, a system for introducing radiation into an optical fiber, an optical fiber, a mechanism for feeding the optical fiber into the nozzle chamber, a vacuum seal, a nozzle chamber, and a paraxial tube of the optical fiber end holder. The device operates as follows: laser radiation from the source is fed through the radiation input system into the optical fiber, where, interacting at the output of the optical fiber with the radiation-absorbing end, it initiates an optical breakdown of the material of the output end of the optical fiber as a working fluid in the nozzle chamber with the formation of a paraxial gas-plasma jet, providing the transfer to the walls of the nozzle chamber of the oppositely directed recoil reactive impulse. To ensure a quasi-continuous operation of the engine, the generation of laser radiation pulses is consistent with the speed of the mechanism for feeding the light guide into the nozzle chamber to restore the initial position of the radiation-absorbing end of the light guide above the cut of the paraxial tube of the light guide end holder.

Недостатком данного решения является усложнение конструкции, заключающаяся в наличии вакуумного уплотнения, сложность практической реализации устройства в связи с высокими требованиями к материалу торца световода, который должен поглощать энергию источника лазерного излучения, другим существенным недостатком является износ торца в связи с испарением материала, а также сложность использования в двигателях ориентации КЛА с малой массой вследствие того, что рабочий процесс протекает при условии организации квазинепрерывного режима подачи лазерных импульсов.The disadvantage of this solution is the complexity of the design, which consists in the presence of a vacuum seal, the complexity of the practical implementation of the device due to the high requirements for the material of the end of the fiber, which must absorb the energy of the laser radiation source, another significant disadvantage is the wear of the end due to the evaporation of the material, as well as the complexity use in low-mass spacecraft orientation engines due to the fact that the working process proceeds under the condition of organizing a quasi-continuous mode of laser pulses supply.

Технической проблемой изобретения является создание импульсного лазерного ракетного двигателя для ориентации и стабилизации орбитальных космических летательных аппаратов с малой массой The technical problem of the invention is the creation of a pulsed laser rocket engine for orientation and stabilization of orbital spacecraft with low mass

Техническим результатом является повышение удельного импульса двигателя лазерного ракетного двигателя для ориентации, стабилизации и коррекции орбитальных космических летательных аппаратов с малой массой, уменьшение расхода рабочего тела, снижение массогабаритных характеристик и упрощение условий размещения на борту малого космического аппарата.The technical result is to increase the specific impulse of the laser rocket engine for orientation, stabilization and correction of low-mass orbital spacecraft, reduce the consumption of the working fluid, reduce the weight and size characteristics and simplify the conditions for placement on board a small spacecraft.

Технический результат достигается тем, что дополнительно содержит фокусирующую линзу, предварительную камеру, бак, электроклапан, канал произвольного сечения, цилиндрическую камеру и заднюю стенку цилиндрической камеры; цилиндрическая камера расположена перпендикулярно к предварительной камере.The technical result is achieved by additionally containing a focusing lens, a preliminary chamber, a tank, an electrovalve, a channel of arbitrary section, a cylindrical chamber and a rear wall of the cylindrical chamber; the cylindrical chamber is located perpendicular to the pre-chamber.

Предлагаемое устройство состоит из источника лазерного излучения (1), создающего лазерные импульсы, фокусирующей линзы (2), через которую проходят лазерные импульсы и фокусируются на задней стенке цилиндрической камеры (8), где возникают импульсные приповерхностные оптические разряды и которая расположена под углом к предварительной камере (3). В баке (5) хранится рабочее тело под давлением, которое с помощью канала произвольного сечения (7) поступает в электроклапан (4), регулирующего подачу рабочего тела в предварительную камеру (3). Рабочее тело из предварительной камеры (3) за счет высокого давления стремится в окружающую среду через цилиндрическую камеру (6), создавая область внутри цилиндрической камеры (6), заполненной рабочим телом. В момент возникновения импульсного оптического приповерхностного разряда в данной области у рабочего тела увеличивается внутренняя энергия и повышается температура, вследствие чего рабочее тело разгоняется и вылетает из цилиндрической камеры (6), создавая импульс тяги порядка нескольких десятков мкНс для стабилизации орбитального космического летательного аппарата с малой массой. Создаваемый лазерным источником и фокусирующийся при помощи линзы на задней стенке цилиндрической камеры импульсный приповерхностный оптический разряд обладает высокой температурой (в точке разряда температура достигает нескольких сотен тысяч градусов и быстро убывает до десятков тысяч на границе разряда с окружающей средой). При возникновении на задней стенке цилиндрической камеры импульсного приповерхностного оптического разряда происходит нагрев рабочего тела до высоких температур. Благодаря этому газ приобретает большую температуру и увеличивается внутренняя энергия, вследствие чего достигается высокая скорость истечения из цилиндрической камеры, а скорость истечения оценивается параметром удельного импульса. Таким образом возможно использовать небольшое количество рабочего тела за счет импульсного приповерхностного оптического разряда. Преимущество импульсного приповерхностного оптического разряда заключается в возможности создания разряда в условиях низкого давления, когда требуется высокая плотность мощности (порядка 1012 Вт/см2) благодаря наличию, например, металлической поверхности вследствие наличия паров вещества на металлической поверхности, где концентрации электронов достаточно для возникновения импульсного приповерхностного оптического разряда. Снижение массогабаритных характеристик достигается за счет применения компактного лазера (масса 1 кг, размер 25 см х 15 см х 15 см), способного обеспечить импульсный режим работы лазерного источника.The proposed device consists of a source of laser radiation (1), which creates laser pulses, a focusing lens (2), through which laser pulses pass and are focused on the rear wall of the cylindrical chamber (8), where pulsed near-surface optical discharges occur and which is located at an angle to the preliminary chamber (3). The working fluid is stored in the tank (5) under pressure, which, through a channel of arbitrary section (7), enters the electrovalve (4), which regulates the flow of the working fluid into the preliminary chamber (3). The working fluid from the pre-chamber (3) due to high pressure tends to the environment through the cylindrical chamber (6), creating an area inside the cylindrical chamber (6) filled with the working fluid. At the moment of occurrence of a pulsed optical near-surface discharge in this area, the internal energy of the working fluid increases and the temperature rises, as a result of which the working fluid accelerates and flies out of the cylindrical chamber (6), creating a thrust impulse of the order of several tens of microns to stabilize the orbital spacecraft with a low mass . Created by a laser source and focused by a lens on the back wall of a cylindrical chamber, a pulsed surface optical discharge has a high temperature (at the discharge point, the temperature reaches several hundred thousand degrees and quickly decreases to tens of thousands at the discharge boundary with the environment). When a pulsed near-surface optical discharge occurs on the rear wall of the cylindrical chamber, the working fluid is heated to high temperatures. Due to this, the gas acquires a high temperature and the internal energy increases, as a result of which a high outflow rate from the cylindrical chamber is achieved, and the outflow rate is estimated by the specific impulse parameter. Thus, it is possible to use a small amount of the working fluid due to the pulsed near-surface optical discharge. The advantage of a pulsed near-surface optical discharge lies in the possibility of creating a discharge under low pressure conditions, when a high power density (of the order of 10 12 W/ cm pulsed near-surface optical discharge. The reduction in weight and size characteristics is achieved through the use of a compact laser (mass 1 kg, size 25 cm x 15 cm x 15 cm), capable of providing a pulsed laser source.

Импульсный лазерный ракетный двигатель для систем ориентации, стабилизации и коррекции орбитальных космических летательных аппаратов с малой массой представлен на фиг. 1. A pulsed laser rocket engine for low-mass orbital spacecraft orientation, stabilization, and correction systems is shown in FIG. 1.

Пример реализацииImplementation example

В баке под давлением 13,61 МПа хранится рабочее тело (воздух). При открытом положении электроклапана воздух из бака через трубопровод поступает в предварительную камеру. Источник лазерного излучения LQ529B с энергией 0,35 Дж, длительностью импульса 10 нс и длиной волны 1064 нм создает лазерный импульс, проходящий через фокусирующую линзу с фокусным расстоянием 7 см, и образует импульсный оптический приповерхностный разряд на поверхности цилиндрической камеры, выполненной из алюминия. В момент поступления воздуха в цилиндрическую камеру происходит импульсный оптический приповерхностный разряд, вследствие чего воздух приобретает температуру до 900000 К и вылетает из цилиндрической камеры диаметром 3 мм и длиной 12 мм, создавая импульс тяги 17 мкНс.The working fluid (air) is stored in a pressure tank of 13.61 MPa. When the solenoid valve is open, air from the tank through the pipeline enters the preliminary chamber. The LQ529B laser light source with an energy of 0.35 J, a pulse duration of 10 ns and a wavelength of 1064 nm creates a laser pulse passing through a focusing lens with a focal length of 7 cm and forms a pulsed optical near-surface discharge on the surface of a cylindrical chamber made of aluminum. At the moment air enters the cylindrical chamber, a pulsed optical near-surface discharge occurs, as a result of which the air acquires a temperature of up to 900,000 K and flies out of the cylindrical chamber 3 mm in diameter and 12 mm long, creating a thrust impulse of 17 μNs.

Claims (1)

Импульсный лазерный ракетный двигатель для систем ориентации, стабилизации и коррекции орбитальных космических летательных аппаратов с малой массой, состоящий из источника лазерного излучения, создающего лазерные импульсы, отличающийся тем, что дополнительно содержит фокусирующую линзу, предварительную камеру, бак для хранения рабочего тела под давлением, электроклапан, регулирующий подачу рабочего тела в предварительную камеру, канал произвольного сечения, соединяющий бак с электроклапаном, цилиндрическую камеру и заднюю стенку цилиндрической камеры, цилиндрическая камера расположена перпендикулярно к предварительной камере, при этом фокусирующая линза расположена под углом к предварительной камере для фокусирования лазерного импульса на задней стенке цилиндрической камеры.Pulsed laser rocket engine for systems of orientation, stabilization and correction of orbital spacecraft with low mass, consisting of a source of laser radiation that creates laser pulses, characterized in that it additionally contains a focusing lens, a preliminary chamber, a tank for storing a working fluid under pressure, an electrovalve , regulating the flow of the working fluid into the preliminary chamber, a channel of arbitrary section connecting the tank with the electrovalve, the cylindrical chamber and the rear wall of the cylindrical chamber, the cylindrical chamber is located perpendicular to the preliminary chamber, while the focusing lens is located at an angle to the preliminary chamber for focusing the laser pulse on the rear wall of the cylindrical chamber.
RU2022110875A 2022-04-21 Pulsed laser rocket engine for low-mass orbital spacecraft orientation, stabilization and correction systems RU2794391C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2794391C1 true RU2794391C1 (en) 2023-04-17

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6530212B1 (en) * 2000-02-25 2003-03-11 Photonic Associates Laser plasma thruster
US20080093506A1 (en) * 2004-09-22 2008-04-24 Elwing Llc Spacecraft Thruster
RU139344U1 (en) * 2013-10-15 2014-04-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) LASER-PLASMA MICRO-MOTOR

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6530212B1 (en) * 2000-02-25 2003-03-11 Photonic Associates Laser plasma thruster
US20080093506A1 (en) * 2004-09-22 2008-04-24 Elwing Llc Spacecraft Thruster
RU139344U1 (en) * 2013-10-15 2014-04-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) LASER-PLASMA MICRO-MOTOR

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Зиганшин Б.Р., Сочнев А.В. "Существующие концепции и обзор экспериментальных исследований лазерного ракетного двигателя" // "Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. серия МАШИНОСТРОЕНИЕ". 2021г. N1. стр. 20 - 52. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Pirri et al. Propulsion by absorption of laser radiation
US11391246B2 (en) Omnivorous solar thermal thruster, cooling systems, and thermal energy transfer in rockets
US6530212B1 (en) Laser plasma thruster
JP2020198306A (en) Optical system for generating broadband light via light-sustained plasma formation
US20070056262A1 (en) Laser propulsion thruster
RU2794391C1 (en) Pulsed laser rocket engine for low-mass orbital spacecraft orientation, stabilization and correction systems
WO2021252087A9 (en) Omnivorous solar thermal thruster, cooling systems, and thermal energy transfer in rockets
RU2786881C1 (en) Method for operation of a pulsed laser rocket engine for systems of orientation, stabilization and correction of orbital spacecraft with low mass
US20020047673A1 (en) Propulsion device and method of generating shock waves
US7641150B2 (en) Solid propellant-based space propulsion device
RU2794911C1 (en) Pulsed laser rocket engine for systems of orientation, stabilization and correction of low-orbit spacecraft with low mass
JP2010275929A (en) Laser propulsion system
RU222910U1 (en) Propulsion system for orientation and correction of a nanosatellite using a laser ablation mechanism
RU2756147C1 (en) Spacecraft laser engine
RU2757615C1 (en) Spacecraft engine operation method
RU139344U1 (en) LASER-PLASMA MICRO-MOTOR
RU2338918C1 (en) Laser-plasma engine
RU2442019C1 (en) Organization methods of operating procedure in a laser-driven rocket engine and laser-driven rocket engine
Manfletti Laser ignition of a research 200N RCS LOx/GH2 and LOx/GCH4 engine
Mori et al. Laser Pulsejet with Beam Concentration by Multiple Reflections in a Sharp-Cone Nozzle
RU2761263C1 (en) Laser jet engine
Tran et al. Experimental investigations of impulse generation and stabilization performance on spherical target irradiated by donut-mode beam
Dyrda et al. Development of a Laser Ignition Scheme for Hybrid Rocket Motors
RU2439360C1 (en) Laser rocket engine and method of its operation
RU2769485C1 (en) Pulse electrothermal engine