Энергетические двигатели с пучковым излучением / Энергетические двигатели с пучковым лазерным излучением Документы

1. Фон Движительная установка, работающая на пучке, также известная как двигательная установка с направленной...
2. Дополнительная информация
3. Комментарии

Фон

Движительная установка, работающая на пучке, также известная как двигательная установка с направленной энергией, представляет собой класс силовой установки летательного аппарата или космического корабля, которая использует энергию, излучаемую космическим кораблем от удаленной силовой установки для обеспечения энергии. Луч обычно является микроволновым или лазерным лучом, и он является импульсным или непрерывным. Непрерывный луч подходит для тепловых ракет, фотонных двигателей и легких парусов, тогда как импульсный луч подходит для абляционных двигателей и двигателей с импульсной детонацией.

Эмпирическое правило, которое обычно цитируется, заключается в том, что мощность на мегаватт, передаваемая транспортному средству на килограмм полезной нагрузки, увеличивается при ускорении, чтобы он мог достичь низкой околоземной орбиты.

Эта технология также является частью исследовательской цели Академии искусств и наук звезд «. Я собрал приведенные ниже документы, чтобы изучить исследования, которые уже собрали правительство и вооруженные силы США, и то, что они протестировали в отношении технологии.

Архив документов

(В хронологическом порядке от самых последних до самых старых)

Перспектива исследования лазерного движения на десятилетие в исследовательской лаборатории ВВС, ноябрь 2017 [13 страниц, 1 МБ] - Программа создания лазерных сил ВВС длилась почти 10 лет и включала около 35 недель экспериментальных исследований с использованием системы испытаний на уязвимость в импульсном лазере на испытательном оборудовании для высокоэнергетических лазерных систем на ракетном полигоне «Белые пески», Нью-Мексико , WSMR / HELSTF / PLVTS. PLVTS - это импульсный СО2-лазер, который вырабатывает до 10 кВт мощности в пятне ~ 10 см2 на длине волны 10,6 мкм. Лазер имеет частоту повторения импульсов до 25 Гц с длительностью импульса около 20 микросекунд. В ходе программы были проведены фундаментальные исследования по созданию тяги тяги от энергии лазера путем нагрева воздуха и абляции различных видов ракетного топлива. Летные испытания с использованием топлива для абляции (Delrin) и воздуха были выполнены на модельном транспортном средстве Laser Lightcraft, оптимизированном для работы двигателя PLVTS при его максимальной выходной мощности, 10 кВт при 25 Гц, 400 Дж / импульс. Высоты, превышающие 200 футов, были достигнуты с помощью абляционного топлива. Самые последние разработки в этой области включали разработку стандарта мини-подруливающего устройства для испытаний химически улучшенного топлива и теоретические расчеты эффективности составов, содержащих нитрат аммония и делрин. Результаты этих расчетов также будут сообщены здесь.

Энергетический эксперимент "Земля - ​​орбита", сентябрь 2017 г. [5 Страницы, 0,81 МБ] - В качестве средства первичной тяги энергетическая тяга с балочными двигателями позволяет выгружать большую часть массы двигательной установки из транспортного средства, увеличивая ее потенциальные характеристики и освобождая ее от ограничений уравнения ракеты. Для межзвездных миссий энергетическое движение с пучками является, пожалуй, наиболее жизнеспособным в ближайшей и среднесрочной перспективе. Краткосрочная демонстрация, демонстрирующая выполнимость энергетического движителя с пучками, необходима и, к счастью, осуществима с использованием существующих технологий. Ключевыми поддерживающими технологиями являются космический аппарат малой массы и эффективные и безопасные лазерные системы большой мощности, способные к распространению на большие расстояния. НАСА в настоящее время разрабатывает технологию космического корабля в рамках миссии по созданию солнечного паруса у околоземного астероида и подписала соглашения с Планетарным обществом для изучения возможности проведения экспериментов с лазерным двигателем-прекурсором с использованием их космического корабля на солнечном парусе LightSail-2. Возможности активов Космической ситуационной осведомленности и передовые аналитические инструменты, доступные для определения орбиты с высоким разрешением, теперь позволяют исследовать практические аспекты эксперимента по излучению с пучком энергии Земля-орбита (EBEX) - демонстрации на поставленных уровнях мощности, которые освещают только космический корабль, не причиняя ему вреда. Исследуется степень, в которой это может привести к измеримому изменению орбиты космического аппарата с низким баллистическим коэффициентом. Основные характеристики системы и предполагаемые характеристики получены для краткосрочной миссии с участием космического корабля LightSail-2 и уровней мощности лазера, скромных по сравнению с предложенными ранее. Хотя технология, продемонстрированная в таком эксперименте, недостаточна для осуществления межзвездной миссии-прекурсора, если она будет одобрена, это будет следующим шагом к этой цели.

Обзор двигательной установки Laser Lightcraft, 16 октября 2017 г., д-р Эрик У. Дэвис [13 Страниц, 1 МБ] - Лазерные системы «Лайткрафт», которые доставляют наноспутники в LEO, были изучены в Исследовательской лаборатории ВВС (AFRL). Исследование было основано на обширной лазерной двигательной установке Lightcraft, уже разработанной в ходе теоретических и экспериментальных работ Управлением тяги AFRL в Edwards AFB, CA. Здесь мы рассмотрим историю и инженерно-физику лазерной системы Lightcraft и ее двигательные характеристики. Мы также рассмотрим эффективность и стоимость автомобиля Lightcraft, работающего от высокоэнергетического лазерного луча. Одним из результатов этого исследования является значительное влияние длины волны лазера на мощность, потерянную при распространении лазерного луча в атмосфере Земли и в космосе. Было обнаружено, что потери энергии и мощности в лазерном луче чрезвычайно чувствительны к длине волны для полетов с Земли на орбиту, и это существенно влияет на количество массы, которое может быть выведено на орбиту для данного максимального количества излучаемой мощности от земли. лазер на основе

ДВИЖЕНИЕ И МАНЕВР В ГЛУБОКОМ ПРОСТРАНСТВЕ: основа для использования передовой тяги, апрель 2017 г. [72 Страницы, 7,5 МБ]. В этом аналитическом исследовании рассматривается важность операций в глубоком космосе и рекомендуется подход для старших политических лидеров. В разделе 1 представлено определение требований к возможностям с возможными решениями и технологическими стратегиями. Раздел 2 рекомендует приобретение и организационный подход. Раздел 3 содержит расширенное стратегическое обоснование операций в дальнем космосе в качестве национального приоритета.

Движитель с пучковой энергией (BEP): соображения по излучению электромагнитных волн высокой плотности энергии через атмосферу, май 2015 г. [58 Стр., 1.7 МБ] - НАСА и Агентство перспективных исследовательских проектов в области обороны совместно с НАСА и Агентством перспективных исследовательских проектов в области обороны провели исследование по определению целесообразности использования электромагнитной энергии с пучками для движения двигателя внутри и за пределами атмосферы Земли. Краткая презентация в апреле 2011 года. Подробный отчет, озаглавленный «Исследование движения пучковой энергии (BEP)», появился в феврале 2012 года под названием NASA / TM-2012-217014. Из очень многих нюансов этой темы, которые были рассмотрены в этом отчете, обсуждались эффекты передачи требуемых электромагнитных полей с высокой плотностью энергии через атмосферу. Тем не менее, из-за ограничений объема отчета, можно было включить только краткое изложение результатов детального анализа. Целью настоящей работы является предоставление полной аналитической моделирующей работы, которая была проделана для проекта BEP в отношении вопросов распространения электромагнитных волн. В частности, настоящий технический меморандум содержит два документа, которые были подготовлены в 2011 году. Первый, озаглавленный «Влияние лучевой энергии через атмосферу», содержит обзор анализа нелинейной проблемы, связанной с передачей большого количества энергии через атмосфера, которая вызывает термические изменения показателя преломления; Затем применяется конкретный сценарий движения пучка. Краткая часть этого отчета представлена ​​в Приложении G к Техническому меморандуму 2012 года. Второй доклад, озаглавленный «Аналитическая оценка влияния теплового блюминга на распространение оптических волн и волн, сфокусированных на миллиметровых волнах, для приложений с мощным излучением», был написан в октябре 2010 года (ранее не публиковался) и содержит более подробное описание распространения. проблема и ее влияние на общие характеристики луча, такие как его отклонение, а также его радиус. Затем проводится сравнение мощности излучения с использованием разнородных электромагнитных волн 1,06 мкм и 2,0 мм.

Численный анализ одиночного микроканала в высокотемпературном водородном теплообменнике для применения в энергетическом двигателе с пучками, февраль 2013 г. [8 страниц, 1,5 МБ] - Требование о том, что ракетные топлива, используемые в системах ракет-носителей, также должны обеспечивать тепловую энергию, которая должна быть преобразована в кинетическую энергию в сопле ракеты, преследует конструкторов ракет с незапамятных времен космической эры. Однако в пучковых силовых установках избегают этого ограничения, размещая источник энергии на земле и передавая энергию космическому кораблю через микроволны. В данной работе компьютерным путем моделируются три различных конструкции канала теплообменника для использования в космическом корабле с движением пучка. Было обнаружено, что, несмотря на очень маленький диаметр микроканалов, каждая конструкция создавала экстремальные температурные градиенты поперечного сечения канала.

Исследование инновационных конструкций легких аппаратов для гиперзвукового воздушного дыхания и полета ракеты с помощью пучковой энергии, июнь 2013 г. [251 страниц, 12,7 МБ]. Отчет состоит из трех частей: 1) Конструкция входа для легких аппаратов: В работе описана инновационная методология проектирования с отслеживанием потоков и ряд подходящих конструкций входов для легких самолетов. Он также содержит анализ лазерной детонации, анализ системного уровня полета летательного аппарата и анализ наземной испытательной модели. 2) Экспериментальные наземные испытания. Проект легкого корабля, описанный в части 1, был испытан на гиперзвуковой испытательной установке в Университете Южного Квинсленда. В этом отчете описаны эти тесты, которые включают в себя как визуализацию потока, так и измерения поверхностного давления для диапазона углов атаки. 3) Программа будущих летных испытаний. Было проведено технико-экономическое обоснование, чтобы выяснить, как может быть проведена будущая программа испытаний легких самолетов. Описана программа испытаний, состоящая из нескольких частей, включая оценку траектории и затрат.

Исследование движения пучковой энергии (BEP), февраль 2012 г. [698 Pages, 96.8MB] - Целью данного исследования было (1) рассмотреть и проанализировать современное состояние движителя с пучковой энергией (BEP) путем выявления потенциальных приложений, изменяющих игру, (2) сформулировать дорожную карту разработка технологии и (3) выявление ключевых краткосрочных технологических демонстраций для быстрого продвижения элементов технологии BEP до уровня технологической готовности (TRL) 6. Две основные области, представляющие интерес, - запуск полезных нагрузок и космическое движение. В более широком смысле, исследование было запрошено и структурировано для решения основных задач миссии. Притяжение движущейся энергии пучка (BEP) - это потенциал для высокого удельного импульса при удалении массы генерации энергии. Быстрые достижения в области высокоэнергетических систем и оптики с пучковым питанием за последние 20 лет гарантируют новый взгляд на технологию. Что касается запуска полезных нагрузок, исследование пришло к выводу, что использование BEP для продвижения транспортных средств в космос технически осуществимо, если в течение длительных периодов времени могут быть приняты обязательства по разработке новых технологий и крупных инвестиций. С коммерческой конкурентной точки зрения, если будет найдено преимущество лучевой энергии для Земли на орбиту (ETO), она будет опираться на меньшие, часто запускаемые полезные нагрузки. Что касается космического движения, в исследовании сделан вывод о том, что использование лучевой энергии для движения транспортных средств с низкой околоземной орбиты на геосинхронную околоземную орбиту (LEO-GEO) и в дальний космос определенно осуществимо и продемонстрировало явные преимущества и больший потенциал по сравнению с современными технологиями движения. Однако этот вывод также предполагает, что первоначальные инвестиции в инфраструктуру и обязательства по критически важным технологиям будут осуществляться в течение длительных периодов времени. Основная проблема, аналогичная проблеме с полезными нагрузками, - это высокие затраты на инфраструктуру.

Новая технология и опция лунного питания для силового привода, октябрь 2004 г. [14 страниц, 0,7 МБ] - Миссии по подъему орбиты (от LEO к GEO или за ее пределами) - единственные миссии с достаточным объемом трафика, чтобы их можно было даже серьезно рассмотреть для силовых движителей. Даже эти миссии не могут оправдать затраты на разработку, необходимые для развертывания необходимых новых лазерных, оптических и двигательных технологий или программных рисков. Чтобы быть развернутыми, лазерные и оптические технологии должны быть побочными продуктами других финансируемых программ. Потребность в ночной мощности пилотируемой лунной базы в ночное время может оправдать программу мощного излучения с лазерами 2 МВт и большими оптическими системами. Новые лазерные и оптические технологии могут теперь сделать эту миссию правдоподобной. В случае развертывания эти системы могут быть перенаправлены для применения в силовых установках. Варианты движения включают в себя тепловую систему с Isp около 1000 с, двигательные фотоэлектрические ионные двигатели с Isp около 3000 с и возможную новую оптическую тепловую систему с Isp более 2000 с.

Два температурных моделирования и экспериментальные измерения лазерной плазмы водорода, май 1993 г. [244 страниц, 12 МБ] - Проведены эксперименты, впервые измерявшие глобальное поглощение и термическую эффективность лазерной водородной плазмы. Результаты включают общее поглощение до 90% и тепловую эффективность до 80%. Эти результаты подтверждают, что лазерная двигательная установка является технологией орбитального переноса. Сформулирована и решена кинетическая неравновесная модель лазерной водородной плазмы. Эта модель является первой в своем роде и включает дискретизированный лучевой след с переменным показателем преломления, основанным на плотности электронов в плазме. Результаты модели были положительно сопоставлены с экспериментальными результатами, и модель использовалась для обеспечения прогнозов производительности LSP далеко за пределами области экспериментов. Было получено несколько модельных решений, которые зависят от начальных условий. Никакой существенной кинетической неравновесности в областях ядра LSP не наблюдалось при падающих мощностях до 700 кВт. Наблюдалось, что преломление луча от LSP оказывает существенное влияние на производительность LSP. Методология, сформулированная в этом документе, имеет прямое применение для двух температурного моделирования струйной плазмы, работа в которой в настоящее время ведется в UIUC…. Энергетические двигатели с пучковым излучением, Моделирование двух температур, Лазерная водородная плазма.

Транспортные процессы в энергетических силовых установках с пучками, 1 сентября 1989 г. - 30 сентября 1991 г. [61 Страницы, 2,6 МБ]. Была разработана модель плазменной двигательной установки, индуцированной микроволновым излучением, в одном измерении для поперечной электрической моды (TE sub 10), работающей в прямоугольном волноводе. Имеющиеся экспериментальные данные сравниваются с результатами расчетов для случая плоской распространяющейся плазменной волны и, используя приближение формы мод TE sub 10, для волны, распространяющейся в волноводе. Температурные профили, скорости распространения плазмы, скоростные профили и истории поглощенной мощности получены для потока гелия при давлении от 0,5 до 1 атмосферы и входной мощности от 500 до 3000 Вт на частоте 2,45 ГГц. Результаты расчетов показывают наблюдаемое скачкообразное движение плазмы к микроволновому источнику. Пиковые температуры плазмы находятся в диапазоне от 8000 до 9000 К в диапазоне входной мощности. Для входной мощности 1081,7 Вт рассчитанный процент потребляемой мощности составляет примерно 70 процентов для плоского корпуса и 40 процентов для корпуса волновода. Сравнения с экспериментальными данными показывают, что другие механизмы (не связанные с переходными процессами), наиболее вероятно связанные с неравновесным поведением плазмы, ответственны за несоответствие между результатами модели и наблюдаемыми скоростями распространения плазмы.

Измерения преобразования энергии в лазерной плазме аргона для применения в ракетной тяге, апрель 1988 г. [89 Страниц, 4,6 МБ] - Laser Propulsion - создание высоко удельной импульсной тяги ракеты с использованием мощного лазера в качестве удаленного источника энергии. Удельные импульсы, превышающие 1000 секунд, достижимы, потому что температуры топлива очень высоки, и можно использовать газы с низкой молекулярной массой. Этот отчет посвящен механизмам преобразования энергии лазерной плазмы в проточном аргоне. Состояние спонсируемых AFOSR экспериментов по определению термической эффективности и глобального поглощения подробно. Усовершенствованная испытательная установка позволила работать в плазменных условиях еще никогда. Результаты показывают, что почти вся входная мощность лазера может быть поглощена плазмой. Плазмы при повышенном давлении газа были испытаны, и представлены предварительные результаты. Оптимальные условия работы еще не определены для доступных мощностей лазера и давления газа. Дальнейшие эксперименты при очень высоких скоростях газа аргона (20 м / с) должны быть выполнены, чтобы полностью охарактеризовать поведение плазмы. Ключевые слова: лучевая энергия, лазерное плазменное образование.

Усовершенствованная концепция преобразования энергии для движения пучковой энергии, 21 августа 1987 г. [202 Страницы, 6,7 МБ] - Основная цель этого исследования состояла в том, чтобы провести фундаментальные исследования инновационной концепции преобразования энергии для трансатмосферных движителей с пучковой энергией: нового класса двигателей с внешним поверхностным импульсом (ESI). Этот усовершенствованный принцип подруливающего устройства может быть использован для атмосферного VTOL, высокого ускорения и бокового полета (например, кратковременного крейсерского хода) тягача с одним лучом на орбиту (SSTO) на балансире следующего поколения. Изначально были исследованы три класса двигателей ESI: 1) простой тепловой, 2) электростатический и 3) электромагнитный. Были рассмотрены длины волны мощности пучка от 10 см (микроволновая печь) до 0,3 мкм (лазер). Последующие исследовательские усилия были сосредоточены на простых тепловых импульсных двигателях ESI с повторяющимся импульсом, которые питались от лазера и использовали воздух в качестве рабочей жидкости. Частоты лазера были выбраны из-за относительного богатства экспериментальных данных и теоретических исследований по лазерной импульсной связи, которые существуют в литературе. Аналитические работы за первый год убедительно доказали, что такой двигатель может обеспечивать высокий уровень тяги к лучу при взлете (например, по крайней мере, на порядок больше, чем у водородных ракет, работающих на пучке), с бесконечным удельный импульс (уменьшается только, возможно, за счет абляции поверхности двигателя). Позже по орбитальной траектории первичная двигательная функция перейдет в другие режимы; после выхода из атмосферы автомобиль SSTO будет продолжать работать в режиме чистой ракеты с определенным импульсом (I sp), равным 1000 с или более. Ключевые слова: усовершенствованная воздушно-реактивная тяга, силовая установка с пучками, двигатель с внешним радиационным нагревом (ЭГ).

Эксперименты по инициированию плазмы и лазерному поглощению в проточных газах, апрель 1985 г. [41 Страницы, 1,9 МБ]. В этом отчете обобщены предварительные результаты экспериментов, предназначенных для характеристики термического и газодинамического поведения плазмы, поддерживаемой лазером, в проточном аргоне. Калориметрические измерения глобального поглощения были сделаны в диапазоне мощности лазера и давления. Отображения температурного поля дают предварительные оценки тепловой энергии газа и радиационных потерь. Инфракрасная система визуализации была использована для изучения свойств плазмы в зависимости от мощности и скорости потока. Спектроскопические и лазерно-индуцированные флуоресцентные диагностические системы, которые сейчас устанавливаются, выделены. Обсуждаются физические значения данных и результаты двумерной модели сложения тепла. Ключевые слова включают в себя: энергию пучкового движения и поглощение энергии лазера в газах.

Плазменная инициирующая / проточная камера для изучения поглощения энергии непрерывным лазерным пучком в легких газах, март 1984 г. [78 страниц, 3,6 МБ] - В этом отчете обобщены результаты исследований, проведенных в прошлом году, по изучению использования плазмы, поддерживаемой лазером, для применения в двигательных установках. Одним из направлений исследований является инициирование плазмы в инертных газах с использованием металлических паровых осадителей. Другой заключается в определении рабочих характеристик конструкции с двумя потоками путем измерения температуры, числовой плотности и общего поглощения. Камера давления была построена, чтобы позволить наблюдения плазмы в широких диапазонах давления, условий потока и геометрии пучка. Поглощение энергии лазера будет измеряться с использованием высокопоточного калориметра, а профили температуры - с использованием комбинации спектроскопических измерений относительной интенсивности линий, термопар, инфракрасной термографии и возможной лазерно-индуцированной флуоресценции. В отчете кратко излагается конструкция и конструкция камеры давления, оптики и соответствующего оборудования, а также обсуждаются методы, которые будут использоваться для анализа температур по всему полю потока. Ключевые слова: энергия энергии пучка, применение непрерывного лазера, поглощение электромагнитного излучения.

Краткое описание приобретенного оборудования и описание его использования: поддержка исследований в области энергетического двигателя на пучках 1 октября 84-1 марта 86 [13 страниц, 0,9 МБ] - В этом отчете представлено описание приобретенного оборудования, стоимость этого оборудования и то, как оно используется для проведения исследований по изучению плазмы, образованной из высокоэнергетических лазеров. Программа финансировалась Министерством обороны в рамках Программы университетского исследовательского приборостроения (URIP). Представлены важные результаты термодинамического и теплообмена, связанного с лазерной плазмой. Ключевые слова: диагностическое оборудование, измерение температуры, энергия пучкового лазера, движитель.

Исследование Лучевых Энергетических Концепций для Движения. Анализ сцепления лазера / топлива. Том II, 2 сентября 75 - 1 июля 76 [134 Страницы, 22 МБ]. Цель этой программы - оценить осуществимость концепции энергетических движителей с пучками для миссий ВВС. Работа разделена на три основные задачи: (1) системные исследования; (2) теоретический анализ механизмов связи между энергией пучка и рабочей жидкостью топлива и (3) подготовка плана испытаний для экспериментального исследования процессов связи для различных комбинаций лазер / топливо. Результаты исследования показывают, что энергетическое движение с пучком является технически осуществимым. Фундаментальных препятствий выявлено не было. Однако во многих областях требуется существенное техническое развитие, прежде чем концепция сможет быть реализована на практике. Три перспективных приложения были определены. Буксир с лазерным приводом может быть экономически выгоднее по сравнению с усовершенствованным криогенным буксиром. Коррекция апсидального вращения и перетаскивание являются двумя другими миссиями, в которых могут быть реализованы значительные преимущества концепции лазерного питания. Требуется обширная разработка оборудования. Критические области включают лазеры, двигатели, окна реакционной камеры двигателя и подсистемы сбора и соединения.

Исследование Лучевых Энергетических Концепций для Движения. Анализ сцепления лазера / топлива. Том I, 2 сентября 75 - 1 июля 76 [262 страниц, 41,2 МБ]. Цель этой программы - оценить осуществимость концепции энергетических движителей с пучками для миссий ВВС. Результаты исследования показывают, что энергетическое движение с пучком является технически осуществимым. Фундаментальных препятствий выявлено не было. Однако во многих областях требуется существенное техническое развитие, прежде чем концепция сможет быть реализована на практике. Чтобы минимизировать требуемую площадь коллектора, лазерные концепции предпочтительнее микроволн. Для того чтобы концепции космических лазерных передатчиков были эффективными с точки зрения затрат, им потребуется наличие космических атомных или солнечных электростанций на уровне мегаватт. Ввиду большой суммарной энергии, необходимой для каждой миссии, наземные передатчики будут наиболее экономически эффективными, когда они работают в замкнутом цикле от электроэнергии центральной станции. Радиус действия лазера, превышающий несколько сотен морских миль, приведет к чрезмерному размеру коллектора. Поэтому применение наземных передатчиков будет ограничено орбитальными функциями, которые могут выполняться на малых орбитальных высотах. Три перспективных приложения были определены. Буксир с лазерным приводом может быть экономически выгоднее по сравнению с усовершенствованным криогенным буксиром. Коррекция апсидального вращения и перетаскивание являются двумя другими миссиями, где могут быть реализованы значительные преимущества для концепции с лазерным питанием.

Дополнительная информация

Комментарии

Комментарии

Похожие

Комментарии