Главная Архив номеров N-16 сентябрь 2007 В космос по лазерному лучу.
 

Авторизация



В космос по лазерному лучу. Печать

В.В. Аполлонов, д. ф.-м. н., профессор.

Настоящая публикация подготовлена на основе анализа достигнутых результатов
в создании и практическом использовании лазерной техники, как в нашей стране, так и за рубежом, а также оценки перспектив ее применения
в космической деятельности. Развитие технологий применения направленной энергии во многих странах мира признано одним из приоритетных направлений научно-технических разработок
в интересах расширения возможностей и повышения экономической эффективности новых высокотехнологических проектов. Достижения отечественной науки
и техники в области создания лазеров различных типов и систем управления являются надежной основой
и объективной предпосылкой эффективной реализации представляемой в статье задачи.

Их создание открывает новые возможности для разработки средств выведения, запуск которых в космос будет проходить под воздействием направленной на них с поверхности Земли длинной серии лазерных импульсов. Важность этой проблемы обусловлена тем обстоятельством, что лазерные двигательные установки существенно экономичнее широко используемых в настоящее время традиционных двигателей на химическом топливе. Особенно высоко специалистами оценивается возможность эффективного поддержания параметров орбиты на заданном уровне с помощью той же лазерной системы, предназначенной и для запуска. В настоящее время в развитых странах мира ведутся работы по исследованию возможности создания лазерных двигательных установок. В США их разработка осуществляется в рамках проекта «Lightcraft». Так в ноябре 2000 года компания «Lightcraft Technologies» из США успешно провела испытания модели аппарата, который был поднят на высоту 70 м в течение 12,7 сек. реактивной тягой, возникающей под действием мощного лазерного излучения. В эксперименте использовался импульсно - периодический лазер на двуокиси углерода мощностью 10 Квт.,который в настоящее время модернизируется до уровня в 100 Квт. Реактивный импульс возникал за счет уноса массы специального полимерного материала с вогнутой поверхности зеркала, расположенного в нижней части аппарата, куда и нацеливался мощный лазерный луч. В настоящее время учеными из США ведутся плановые работы по дальнейшему увеличению выходной мощности лазера и веса ракеты, совершенствованию системы ее стабилизации в полете, а также удержанию луча на приемной площадке лазерного двигателя.
Ещё в 1973 году в Физическом институте АН СССР под руководством академика А. М. Прохорова проводились работы по исследованию возможности создания лазерного двигателя. Двигательная установка работала при подаче луча лазера на отражатель, расположенный в её задней части. Отражатель концентрировал полученное излучение в воздухе и обеспечивал вблизи поверхности отражателя микровзрыв, что создавало реактивную тягу. Были получены положительные результаты испытаний различных моделей отражателей, которые в то же время являлись и приемниками набегавшей ударной волны для создания тяги. Следует отметить, что все вышеуказанные эксперименты проводились с использованием электроразрядных СО2-лазеров малой мощности (до10 Квт), в то время как для выведения на орбиту высокотехнологичного оборудования различного целевого назначения, например,оборудования для широкополосной связи по лазерному лучу, навигации, суперскоростной сети Интернета, мониторинга земной поверхности и др. требуется существенно более высокая мощность излучения. Так, например, для выведения спутника весом 100 кг необходим лазер мощностью не менее 1 Мвт. В настоящее время установлено, что для вышеуказанных целей наиболее эффективно может быть использован газодинамический лазер. В этом случае лазерная технология значительным образом пересекается с технологией создания современных ракет, которая за 50 лет уже достаточно хорошо развита, что и позволяет ставить подобные задачи. Кроме того, лазер должен работать в импульсно-периодическом режиме с высокой частотой повторения коротких импульсов для исключения процесса экранирования поступающего лазерного излучения плазмой, возникающей при работе двигателя, а также в целях повышения эффективности его работы. По мнению отечественных и зарубежных специалистов, подобные лазерные реактивные двигатели смогут найти применение в составе дешевых одноступенчатых средств выведения нано- микро- и мини-спутников, что в ближайшие годы будет составлять основу коммерческих и иных пусков.
Опыт создания мощных газодинамических лазеров накоплен в Институте общей физики им. А. М. Прохорова РАН, ОАО НПО Энергомаш им. В.П. Глушко, КБХА и Центре М. В. Келдыша. В последние годы в ИОФ РАН проведены также успешные экспериментальные исследования по реализации импульсно-периодического режима в мощных и уже хорошо отработанных лазерных системах, генерирующих изначально непрерывное излучение. Для проведения всего комплекса работ предусматривается привлечение специалистов из НПО Молния, широко известного в стране и за рубежом в качестве одного из головных разработчиков уникальной многоразовой космической транспортной системы «Энергия-Буран», которой впервые в мире с исключительно высокой точностью была реализована автоматическая посадка из космоса беспилотного орбитального корабля на взлетно-посадочную полосу аэродрома. ФГУП НИИ НПО «Луч» известно разработками в области керамических материалов, и, в частности, технологией создания крупногабаритных элементов конструкций и изделий из материала карбид кремния - (SiC). Перечисленные выше предприятия под руководством Российского космического агентства готовы приступить к экспериментальной реализации прототипа космического аппарата с лазерным реактивным двигателем и к обоснованию технического облика нового перспективного средства выведения. Предстоящий комплекс работ должен стать важным шагом к будущим проработкам коммерческих грузовых, а в дальнейшем и пилотируемых космических аппаратов.
Главное преимущество лазерного подхода связано с тем, что источник энергии движения и средство выведения развязаны в пространстве, что ведет к значительному увеличению доли полезной нагрузки в стартовом весе космического аппарата.
Еще великий К.Э. Циолковский предрекал, что запуски ракет будущего будут осуществляться с помощью электромагнитных волн, направляемых от внешнего источника энергии, в то время лазер как источник мощного когерентного излучения еще не был известен миру.
Большой интерес зарубежных ученых, как подтвердили последние симпозиумы в этой области исследований, связан с успешным решением в нашей стране проблемы создания мощных лазеров с высокой частотой повторения (50-100 Кгц) импульсов и их малой длительностью (150-250 нс). Такой режим излучения разработан и создан на базе мощного газодинамического СО2 - лазера и может быть с успехом применён для других типов мощных лазеров, таких как: химические, твердотельные с полупроводниковой накачкой и др.
В настоящее время проект по реализации лазера с выходной мощностью 10-20 Мвт с варьируемой временной структурой излучения находится в стадии активной проработки в нашей стране. Получены важные результаты по значительному увеличению эффективности использования лазерной энергии в новом режиме излучения, что позволило в предварительных оценках перейти от десятков килограммов полезной нагрузки к сотням и тысячам килограмм. Одновременно следует заметить, что работы в данной области, исходя из их большой перспективы различных применений, уже начаты в Германии, Японии, Англии, Франции, Китае, Бразилии и ряде других стран. При этом, практически все участники работ по данной теме отмечают выделенное положение ГДЛ, как наиболее перспективного направления с точки зрения его масштабируемости до уровня нескольких десятков мегаватт и других параметров, важных для данного рода применений. Работы по совершенствованию научно - технических и технологических решений применительно к газодинамическим лазерам в России не прекращались вплоть до наших дней. Этапы реализации проекта создания прототипа космического аппарата могли бы выглядеть следующим образом. На первом этапе необходимо сосредоточиться на разработке и изготовлении прототипа космического аппарата на базе лазерной двигательной установки, включающего действующие модельные образцы двигателя на основе SiC с тягой до нескольких десятков килограммов и импульсно-периодического лазера мощностью не менее 100 Квт. Далее необходима разработка бортового комплекса управления, обеспечивающего заданные требования по взаимной ориентации аппарата и луча лазера в пространстве на всех участках полета и средств аварийного спасения, а также других служебных систем. Разработка и изготовление наземного комплекса средств испытаний лазерной двигательной установки представляется следующим этапом развития работ.
Проведение испытаний лазерной двигательной установки в новом режиме объединения ударных волн, анализ полученных результатов и выработка рекомендаций по масштабированию систем, переход к опытно-конструкторским разработкам действующих моделей с тягой до сотен и тысяч килограммов возможны уже на завершающем этапе развития работ. Наряду с изложенным, следует дополнительно подчеркнуть, что в мире в последнее время многими государствами эффективно поддерживается «ренессанс» в области лазерного реактивного движения.
Россия по-прежнему занимает ведущее место в области разработки лазерных систем, управления параметрами генерируемого ими излучения и высокоточных систем управления движением летательных аппаратов. Исходя из перспектив высокой эффективности использования лазерной двигательной установки на основе лазера с варьируемой временной структурой излучения для решения задач вывода в космос и поддержания на орбите спутников широкого спектра назначений необходимо в самое ближайшее время приступить к более масштабным работам в данной области.
Материалы научных статей, опубликованных в отечественных и зарубежных журналах, докладов на симпозиумах и конференциях указывают на принципиальную возможность создания лазерных двигательных установок. Проведенные в РАН в последнее время работы, связанные с исследованием нового механизма объединения ударных волн в условиях импульсно-периодического воздействия лазера на скоростной газовый поток, показали возможность значительного увеличения удельного импульса тяги лазерных двигателей. В настоящее время идея создания подобной двигательной установки, состоящей из наземного, воздушного и космических сегментов, является интересной в вопросах реализации проекта по эффективной доставке на орбиту космических аппаратов различного назначения. Существование двух режимов работы лазерного двигателя - режима на атмосферном участке (приблизительно до высоты над поверхностью Земли равной 50 км) и режима во «внеатмосферном» участке полета. На обоих участках по траектории полета может функционировать одна и та же лазерная система.
Важно отметить научную, технологическую и техническую готовность России к созданию таких систем на основе газодинамических лазеров с мощностью до нескольких МВт средней мощности в ближайшие несколько лет. Требуется научная и техническая проработка системы управления и контроля лазерной последователь ности импульсов от наземного сегмента до приемника воздушного и космического сегментов лазерного двигательного устройства. Подобные проработки, судя по зарубежным литературным источникам, успешно осуществлялись на меньших уровнях мощностей, очевидно, что данная проблема принципиально решаема. В то же время очевидна недостаточность экспериментального исследования, связанного с масштабированием взаимодействия лазерного луча с воздушной атмосферой при больших уровнях мощностей, образованием ударных волн в реальных условиях высокоскоростных газовых потоков, с динамикой их совместного движения, взаимодействия с оптической поверхностью фокусирующего отражателя - приемника импульса тяги и собственно с эффективностью тягообразования. Теоретически эти вопросы изучены достаточно подробно, но требуется проведение необходимых экспериментальных исследований. Поэтому требуется запланировать специальные научно-исследовательские работы, которые позволят уточнить имеющиеся теоретические и получить новые экспериментальные результаты работы ЛДУ, рассмотреть вопросы масштабирования. Необходимо также и проведение моделирующих широкий спектр условий физико-технических экспериментов в земных лабораториях, принципиальным является осуществление экспериментов с моделями рефлекторов - приемников различных геометрий, находящихся на значительных расстояниях от поверхности Земли, как с точки зрения угловой расходимости излучения, так и вариации давления атмосферного воздуха, окружающего объект воздействия.
Важно также отметить и особое положение, занимаемое космическим сегментом лазерных двигательных установок. В ряде организаций нашей страны космические двигательные установки в той или иной степени подробно изучались начиная с 1972 г. Интересные работы проводятся в ФИАН, ИОФАН, в ГОИ. Результаты исследования ученых разных стран регулярно докладываются на ежегодных конгрессах Международной федерации - МАФ, на международных симпозиумах по движению с помощью пучков энергии и на многих других лазерных конференциях. Исследования космического сегмента лазерных двигательных установок практически полностью можно проводить с использованием уже существующих наземных вакуумных стендов.
Необходимо также указать на важность проведения специальных исследований по «транспортировке» последовательности лазерных импульсов на участке Земля - космический аппарат. Желательно осуществлять подобный эксперимент в условиях полета космической лаборатории, на которой будет находиться прототип приемника лазерного излучения с некоторым запасом возгоняемого или испаряемого рабочего тела. В результате экспериментов в космических условиях возможно осуществить контрольные исследования-испытания тягового блока двигательной установки. Для атмосферного участка полета авторы также совершенно правильно концентрируют внимание на необходимости проведения работ по управлению вектором направленности лазерной последовательности импульсов, отработке бортового комплекса управления движением космического аппарата, взаимодействию наземных и бортовых систем управления.
Можно предвидеть, что лазерные двигательные установки будут составными элементами новых ракет-носителей, маршевыми двигателями и двигателями коррекции космических аппаратов. Представляется также перспективным использование данного подхода и к задачам уничтожения космического мусора, представляющего в наше время все большую проблему.
Видны технические преимущества таких двигателей, на воздушном участке полета они не требуют запаса рабочего тела с его необходимыми системами хранения и расходования. Для внеатмосферного участка полета требуется второй тип двигателя - космическая лазерная двигательная установка. Она будет иметь преимущества по сравнению с классическим жидкостным реактивным двигателем в силу возможности достижения более высоких значений удельных импульсов тяги. По сравнению с электрическими ракетными двигателями преимущества лазерного двигателя также хорошо видны в силу отсутствия в составе космического аппарата бортовой энергетической установки.
Исходя из сказанного выше, представляется своевременным поддержать работы, связанные с темой «Импульсар». Результаты исследований по данному проекту служат основой для разработок летных вариантов систем, которые могут положить начало новому прорывному направлению в ракетном и космическом двигателестроении. При этом важно отметить, что предлагаемая работа является естественным и логичным продолжением развития ракетно-космической техники, т.к. базируется на технологии уже созданных мощных газогенераторов, в то же время являющихся и основой для создания мощных газодинамических лазеров, разработанных в РАН и работающих в импульсно-периодическом режиме.
Конечно, весьма полезно рассмотреть концепцию технического облика нового космического аппарата, необходимо также и определить круг научных, коммерческих и прикладных задач, проработать проблемные вопросы баллистического и навигационного обеспечения, решить ряд других важных проблем. Предлагаемая работа является комплексной, ее направленность относится к приоритетным направлениям науки и техники РФ, предложенный комплекс работ является фундаментальным и прикладным одновременно. Поэтому в зависимости от направленности решаемых задач, а в ряде случаев и от ведомственной принадлежности привлеченных организаций, финансирование должно осуществляться усилиями многих организаций Российской Федерации.
Теперь вернемся к вопросу о типе лазерного двигателя и о нашем подходе к обсуждающейся задаче. Существовавшее ранее название для подобного двигателя - лазерный воздушно-реактивный двигатель. При малой частоте повторения, как в работах А.М. Прохорова, Ф. В. Бункина и др., это типичный взрывной двигатель, который рассматривался в 70-х годах. Даже удельная тяга в соответствии с импульсом при взрыве. Почему они так назвали свое детище? Видимо, подчеркивали, что снимают проблему рабочего тела. Что мы придумали, в чем отличие и как это назвать? На первый взгляд все ясно, но при попытке более глубокого осмысления возникают вопросы. Но однозначно ясно, что предлагаемый нами двигатель - это нечто новое!
В наших работах мы рассмотрели матричный объемный пульсирующий разряд и плоскую квазистационарную волну в сверхзвуковом потоке. Это близко к схеме прямоточного двигаеля - непрерывный ввод энергии в поток в сопловой части. Там механизм создания тяги - реактивный, сила пропорциональна скорости частиц на выходе из сопла. Отсюда выбор газа и т.д. Мы это хорошо знаем и с этим живем уже много лет. В нашей схеме тягу создает исключительно квазистационарная волна. Давление не зависит от сорта газа. В этом отличие двух подходов представляется весьма наглядным образом. Квазистационарная волна в нашем случае развивается в цилиндре. Роль боковых стенок заключается в эффективном использовании радиальной компоненты импульса для движения объекта в заданном направлении. Основной вклад в величину тяги создает квазистационарная волна. Для лучшего понимания сути процессов в лазерном двигателе представим себе неограниченное пространство. Непрерывно горит объемный пульсирующий разряд. Как горит - другой вопрос. На некотором расстоянии находится датчик давления и регистрирует его, т. е. давление. Этот пример наглядно демонстрирует самостоятельную роль квазистационарной волны, как метода создания тяги. Дальше начинаются детали, как организовать процесс, как ввести газовый поток и энергию лазера в систему и т.п. Дополнительно приходящим излучением газ нагрели в цилиндре - получили дополнительную реактивную тягу. Какие делать цуги, нагревать газ или нет. Все это требует дополнительных исследований, но ясно одно - тяга создается непосредственно квазистационарной волной. Как назвать то, что мы эффективно используем в нашем случае лазерного воздействия последовательности импульсов на внутреннюю поверхность сферы? Принцип резонансного объединения ударных волн в лазерных двигателях для атмосферы и космоса. Данное определение представляется удачным,т. к. из него видна очень хорошая научно-техническая база для дальнейших исследований.
Теперь несколько слов о письме А. Кантровица - выдающегося ученого из США, впервые высказавшего идею лазерного движителя в начале 70-х годов.
«Дорогой Виктор,
Спасибо за удовольствие, которое я получил, прочитав работы Вашего коллектива, представленные на последнем симпозиуме по движению с помощью лазерной энергии (приводятся названия статей), которые теперь доступны для научной общественности. Я уже поразмышлял над ними и считаю что эти замечательные идеи использования квазистационарной волны, о реализации серии светодетонационных волн, о фокусировке излучения с помощью матрицы рефлекторов, введенные в Ваше новое рассмотрение очень важны для развития теории и технологии движения с помощью света. Я с восхищением наблюдаю за развитием идеи лазерного запуска ракет в мире и в России в особенности. Надеюсь, что Ваши публикации стимулируют значительную активность в области создания лазерного двигателя и его приложений. Было бы очень интересно и дальше слышать о прогрессе в этой весьма горячей области исследований. Спасибо за Ваш энергичный вклад в данную область знания и будьте здоровы.
Проф. А. Кантровиц».
Представляется также интересным приблизительный расчет коммерческой привлекательности практической реализации лазерной системы запуска “Импульсар”, а также и расчет стоимости компонентов и энергообеспечения на 1 запуске при средней мощности лазера 20 МВт. и при длительности работы лазера при запуске порядка 300 секунд.
Затраты на подачу компонентов, энергозатраты на одном пуске и подготовительные операции оцениваются в 18-20 млн. руб.
Приведенные данные соответствуют расчетной мощности излучения установки - 20 МВт и эквивалентны усилию воздействия на объект - 4 тонны. Для усилия в 1 тонну требуется установка мощностью - 5 МВт, при этом затраты на подготовку и проведение ее пуска составят ~ 4,5 млн. руб. Это означает, что приведенная стоимость запуска 1кг полезной нагрузки в нашем случае составляет -150 долларов США . Cоответствующая величина затрат для традиционного способа запуска варьируется в пределах -10-25 тысяч долларов США . Данная оценка стоимости является коммерческим секретом для любой компании мира, вовлеченной в данный бизнес и обычно не афишируется.
Приведенные выкладки не учитывают дополнительные возможности предлагаемого метода, связанные с необходимостью поддержания параметров орбиты в течение года и проведения аварийного спуска в случае отсутствия топлива на борту. Учет стоимости подобных операций должен привести к еще большему увеличению разрыва между приведенными выше стоимостями.
В то же время в наших оценках не приводятся величины материальных затрат на создание всего комплекса лазерного запуска и контроля в целом. По нашему мнению его стоимость не будет превышать стоимости уже созданных комплексов для традиционного химического запуска.
Следует заметить, что база для создания необходимого оборудования для реализации всего комплекса лазерного запуска уже имеется в кооперации предприятий, объединяемых для выполнения программы. Ничего нового создавать практически не надо. Новая технология является логическим продолжением существующей и вырастает из нее.
Ежегодная прибыль от внедрения новой технологии должна составить не менее 1,5 млрд. долларов США при количестве запусков космических аппаратов в год на уровне ста. Следует заметить, что за основу в оценках принята ракета “Протон”. При оценке величины затрат на создание всего комплекса в целом - 3,3 - 3,5 млрд. долларов США чистая прибыль будет реализовываться начиная с третьего года после начала эксплуатации.
Еще одна оценка высокой эффективности предлагаемого лазерного запуска важна для дальнейших размышлений на заданную тему. То же количество топлива, которое необходимо для запуска полезной нагрузки на орбиту традиционным способом, будучи использованным для получения световой энергии газодинамического лазера позволит в режиме лазерного двигателя вывести ту же полезную нагрузку на орбиту более десяти раз.
В заключение следует сказать следующее. Программа лазерного запуска космических объектов, разработанная в России, не имеет по своим параметрам и масштабам зарубежных аналогов. В существующем или редуцированном виде она может служить основой для создания широкой международной кооперации с целью ее осуществления. Очевидно, что промышленная реализация технологии лазерного запуска потребует усилий инженерно-технического персонала, конструкторов, технологов и ученых для обеспечения выхода производственного комплекса России на качественно новый уровень понимания современных задач и их решений.

 
Разработка сайтов