1.6.1. Концепция и обзор исследований


В движителе непрерывного действия с лазерным нагревом излучение лазера собирается, фокусируется внутри нагревательной камеры и поглощается рабочим газом, который непрерывно протекает через движитель.
Нагретый газ затем расширяется в сопле, преобразуя тепловую энергию в тягу. Температура, до которой можно нагреть газ, зависит от количества лазерной энергии, вводимой в нагревательную камеру, степени поглощения этой энергии газом, потерь энергии газа и способности стенок поглощать энергию.
Одно из преимуществ лазерного двигателя заключается в отсутствии какого-либо принципиального ограничения по температуре нагрева газа. В ракетном двигателе на химическом топливе степень нагрева рабочего тела определяется температурой в камере сгорания, которая и ограничивает достижимый удельный импульс. Ракетные двигатели на твердом топливе дают удельный импульс менее 300 с, на жидком топливе — менее 500 с. Ракетные двигатели с лазерным нагревом позволяют получить удельный импульс более 1000 с, а возможно, и существенно выше за счет нагрева рабочего тела до температуры более 4000 К. Второе преимущество лазерного двигателя — возможность получения большой тяги при высоком удельном импульсе. Величина тяги зависит от мощности, которую может поглотить рабочий газ, а она в свою очередь ограничена только подводимой мощностью лазерного излучения. Поскольку лазерную мощность можно передавать в виде луча от удаленного лазерного источника, то летательный аппарат с лазерным нагревом рабочего тела можно освободить от источника лазерной мощности на борту. Отсюда вытекает третье возможное преимущество лазерного двигателя — его малая масса. Все эти факторы делают возможным создание ракетных двигателей с высоким /Уд, большой тягой и малой массой. Подобное сочетание достоинств, по-видимому, нельзя получить ни в какой другой схеме ракетного двигателя.
Для реализации этой концепции предстоит найти решения ряда сложных технических задач. В движитель необходимо ввести высокоэнергетический лазерный луч, обеспечить поглощение его энергии газом, ограничить зону горячего газа, чтобы потери тепла были минимальны, а затем в сопле преобразовать тепловую энергию в кинетическую. Поглощение лазерной энергии обсуждалось в разд. 1.4 и возвращаться к нему мы здесь не будем. Остальные три аспекта кратко рассматриваются ниже.
N. Н Kemp, Н. Н. Legner, Physical Sciences Inc., Woburn, Mass.

Лазерный двигатель был впервые предложен в 1971 г. [1]; с тех пор ведутся исследования непрерывного лазерного двигателя. Значительный прогресс был достигнут в понимании физики процессов в непрерывном лазерном двигателе и разработке соответствующего оборудования. Мы не будем пытаться дать здесь исчерпывающий обзор литературы, а обсудим только некоторые из недавних работ, опираясь в основном на серию исследований, выполненных в Physical Sciences Inc. [2—6]. (Обзор некоторых советских работ по взаимодействию лазерного излучения с газами сделан в работе Райзера [19].)
В первой публикации этой серии [2] представлены исследования механизмов поглощения лазерной энергии газом, течения идеального газа в сопле в условиях поглощения лазерной энергии, а также устойчивости процесса поглощения, обратного тормозному излучению, по отношению к малым возмущениям, В последующих публикациях этой серии внимание было сосредоточено на водороде как основном рабочем газе, так как при заданной температуре водород имеет наибольшую энтальпию. (Необходимо, однако, заметить, что с учетом требований хранения рабочего тела в баках становятся привлекательными и другие газы, термодинамически менее эффективные [7]. В работе [8], например, исследовался вопрос об использовании водяного пара. Конечно, кроме термодинамических свойств, необходимо также учитывать поглощательные свойства газа по отношению к лазерному излучению.)
В работе [3] рассмотрено течение водорода в сопле. Предполагалось, что водород находится в химически равновесном состоянии, а течение описывалось в рамках квазиодномерной модели. Рассматривалось лазерное излучение с длиной волны 10,6 мкм в процессе, обратном тормозному излучению. Радиационные потери энергии горячего водорода учитывались в уравнениях течения и теплообмена посредством простой модели излучающего водорода. Поглощение излучения в движителе с лазерным нагревом чистого водорода происходит в волне лазерного горения (ВЛГ). В работе [3] выполнена приближенная оценка свойств этой волны.
В последующей работе [4] внимание сосредоточено на структуре ВЛГ в равновесном водороде при поглощении излучения с длиной волны 10,6 мкм; целью исследования было получение более подробной информации об этом важном для движителей на чистом водороде явлении. Была разработана одномерная модель, учитывающая радиационные потери, а также радиационный и кондуктивный перенос энергии вдоль оси. В этой модели были учтены некоторые двумерные эффекты, такие, как расходимость лазерного излучения и поперечные радиационные и кондуктивные потери. Для ряда представляющих интерес случаев были рассчитаны зависимости расходонапря

женности потока, втекающего в ВЛГ, от интенсивности лазерного излучения. Для одного из этих случаев было рассчитано одномерное течение нагретого водорода до горловины сопла. Было установлено, что максимальная температура водорода в ВЛГ достигает 20 000 К. Дополнительную информацию относительно ВЛГ можно найти в разд. 1.4, посвященном поглощению лазерного излучения.
В работах [5, 6] этой серии были расширены рамки исследований с целью учета добавок других газов в водород для улучшения его поглощательных свойств. Были изучены поглощательные свойства водорода с добавками, а также его термодинамические и переносные свойства. Большая часть полученных данных по физическим свойствам таких газов представлена в работе [5]. К ним относятся коэффициенты поглощения лазерного излучения с длиной волны 10,6 и 5,3 мкм в процессе, обратном тормозному излучению, и при молекулярном поглощении водяным паром, а также коэффициенты поглощения излучения с длиной волны 5,3 мкм газообразными НгО, СО и N0. Построены модели радиационных и поглощательных свойств наиболее важных компонент в смесях этих газов. Разработаны также методы расчета термодинамических и переносных свойств водорода с добавкой цезия при температурах до 20 000 К, которые предназначались для последующих расчетов ВЛГ.
В работе [6] полученные ранее результаты объединены в различных моделях течения. Во-первых, были разработаны некоторые простые модели, полезные для определения областей возможного применения движителей непрерывного действия с лазерным нагревом. Они позволяют оценить по порядку величины рабочие и тепловые характеристики, а также удобны для параметрических расчетов. Затем была разработана более сложная модель, в которой учитываются многие важные физические эффекты и течение в камере движителя считается осесимметричным. Описан также эксперимент, в котором измерялось поглощение излучения с длиной волны 10,6 мкм горячим (до 3000 К) водяным паром.
Имеется ряд других исследований, в которых дается некоторая количественная информация.
В работе [8] исследовались термодинамика, масштабные эффекты и процессы поглощения; при этом в качестве рабочего тела рассматривался в основном водород с добавкой АЮ для улучшения поглощения. Были получены также некоторые данные по устойчивости процесса поглощения в более общих случаях поглощения по сравнению с рассмотренными в работе [2].
В работе [9] представлена упрощенная модель ВЛГ в водороде с двумерным температурным полем и равномерными полями скоростей и интенсивностей лазерного излучения.
В этом кратком обзоре указаны наиболее содержательные работы по исследованию непрерывного лазерного двигателя. Ниже будут представлены некоторые результаты (главным образом из работ [5, 6]) с целью показать, какого рода количественная информация уже получена, а затем излагаются соображения о том, какие дальнейшие исследования необходимо провести.
Сначала рассмотрим вопрос о том, какие рабочие характеристики могут быть получены на движителе непрерывного действия с лазерным нагревом. Как расход тgt; так и тягу F идеального ракетного двигателя можно приближенно выразить через мощность выхлопной струи газа Pq и удельный импульс /уд. Графики зависимостей т и F от /уд для различных значений мощности приведены на рис. 1.50. Они иллюстрируют тот факт, что в рассматриваемых двигателях могут быть реализованы одновременно большие мощности и высокие удельные импульсы. Тяга 1000 Н при удельном импульсе 2000 с соответствует мощности выхлопной струи 10 МВт; при этом требуемый массовый расход составляет ~0,1 кг/с. Удельный импульс можно выразить также как отношение мощности к расходу; соответствующая шкала нанесена в верхней части рис. 1.50. Это отношение можно интерпретировать как удельную энтальпию, до которой должно быть нагрето рабочее тело. Если известны род газа и давление, то по этой энтальпии можно определить температуру (на нижней шкале вверху рис. 1.50 указана температура равновесного водорода при 3 МПа). Видно, что для получения /уд = 2000 с необходима температура 5000 К, а для 3000 с— 10 000 К. Поскольку при расчете приведенных на рис. 1.50 кривых не учитывались потери, то указанные высокие значения температур в действительности характеризуют лишь нижнюю границу и подчеркивают тот факт, что в лазерных двигателях непрерывного действия с высоким /уд придется иметь дело с высокотемпературными газами.
Приближенные расчеты рабочих характеристик были также выполнены с помощью моделей, учитывающих конвективные и радиационные потери в нагревательной камере (но не в сопле) [6]. Для оценки необходимой длины камеры в эти модели включен также механизм поглощения. Такие расчеты позволяют определить, помимо пробега фотона, приближенные значения тепловых потоков в стенки камеры.
Пример расчетных данных приведен на рис. 1.51 для смеси состава H2/H2O/CS = 0,945/0,5/0,005 (в мольных долях) при давлении 3 МПа; здесь Н20 является низкотемпературным поглотителем для лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм, а ионизация Cs обеспечивает электроны для высокотемпературного поглощения в процессе, обратном тормозному излуче-

Рис. 1.50. Рабочие характеристики лазерного движителя непрерывного действия.
Связь между расходом т, тягой F, удельным импульсом /уд и мощностью выхлопной струи PG.               зависимости т от /уд при различных PQ (левая ось ординат);


зависимости F от / при различных PQ (правая ось ординат); отношение Рс/т, т. е. энергия единицы массы выхлопного газа, зависит только от /уд и показано на верхней шкале. Для равновесного Н2 при 3 МПа на верхней шкале приведена также температура, соответствующая PGftn.
нию. На рис. 1.51 показаны зависимости лазерной мощности Pl от среднего удельного теплового потока в стенку Qw для нескольких уровней тяги и температур газа (или /уд). Уровни лазерной мощности ненамного выше мощности, вложенной в газ, что видно по точке, соответствующей i7=1000H, Г=6000 К и /уД =1927 с. Мощность Pl чуть выше 10 МВт, что хорошо согласуется с данными рис. 1.50. Конечно, даже небольшая часть от 10 МВт представляет собой большую тепловую нагрузку на стенки. Однако абсцисса рассматриваемой точки на рис. 1.51 показывает, что средний удельный тепловой поток в стенку со-

Рис. 1.51. Диаграмма зависимостей лазерной мощности Pl от среднего теплового потока в стенку Qw для движителя непрерывного действия.
Рабочее тело H2/H20/Cs=0,945/0,05/0,005 при давлении 3 МПа; радиус 0,1 м;               по
стоянный удельный импульс /уд, что эквивалентно постоянной температуре торможения Т;              постоянная тяга F; — • — граница областей с преобладанием конвективно
го нагрева стенок (вверху) и радиационного нагрева (внизу).


ставляет 40 МВт/м2. Современная практика охлаждения ракетных двигателей позволяет считать такую тепловую нагрузку приемлемой.
Аналогичный график, но для другого механизма поглощения на длине волны 10,6 мкм, приведен на рис. 1.52. Он рассчитан для чистого Н2 при давлении 3 МПа; поглощение происходит в ВЛГ, а не за счет молекулярного и обратного тормозному излучению поглощения, как на рис. 1.51. Нагретый водород окружен кольцевым слоем движущегося ненагретого буферного газа, тоже водорода, который обеспечивает тепловую изоляцию стенок. Он смешивается с нагретым в ВЛГ водородом, и эта смесь становится рабочим телом. На рис. 1.52 показаны аналогичные приведенным на рис. 1.51 лазерные мощности и средние,удельные тепловые потоки, кото-


Рис. 1.52. Диаграмма зависимостей лазерной мощности PL от среднего удельного теплового потока в стенку Qw для движителя непрерывного действия.
Н2 в ВЛГ при давлении 3 МПа; буферный газ — Н2;               постоянный удельный импульс /уд, что эквивалентно постоянной температуре торможения Т\              постоянная
тяга F\ интенсивность лазерного излучения 109 Вт/см2; расходонапряженность 0,745 кг/(м2-с). Во всем диапазоне изменений /уд и F конвективный тепловой поток в стенку больше радиационного.


рые и в этом случае являются приемлемыми.
Хотя эти результаты основаны на упрощенных приближенных моделях, они дают некоторую уверенность в том, что можно организовать эффективный непрерывный нагрев рабочего тела при допустимых тепловых нагрузках стенок, даже если газ очень горячий. Тем не менее, чтобы превратить эту уверенность в инженерные конструкции движителей с лазерным нагревом, необходимо провести дополнительные исследования в ряде областей; некоторые из них обсуждаются ниже.


<< | >>
Источник: Под ред. Л. Кейвни. Космические двигатели: состояние и перспективы. 1988

Еще по теме 1.6.1. Концепция и обзор исследований:

  1. Обзор фундаментальных концепций, связанных с энергией: закон энтропии
  2. ГЛАВА 1. Литературный обзор и постановка задач исследования
  3. Тема 2.4. Обзор отечественных исследований по проблемам городов
  4. 1.3. Обзор научных исследований в области разработки технологических режимов обогащении молибденовых руд
  5. Фундаментальные концепции в исследованиях изменений
  6. Тема 2.3. Зарубежные концепции и исследования городов
  7. Темы рефератов, ориентированные на исследование и анализ методологических идей и концепций крупнейших представителей современно \ философии и естествознания
  8. II. Темы рефератов, ориентированные на исследование и анализ методологических иде:! и концепции крупнеГ ших представителей современной философии и социально-гуманитарного знания 129.
  9. ОБЩИЙ ОБЗОР
  10. 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
  11. 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
  12. Глава L ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
  13. ВЕЧЕРНИЙ ОБЗОР