Лазерныя рухавікі — прарыў у галіне касмічных палётаў. Лазерным рухавіком называюць разнавіднасць рухавіка на прамянёвай цязе, дзе крыніцай энергіі з'яўляецца лазерная сістэма (звычайна – наземнага базіравання), аддзеленая ад масы, якая ўступае ў рэакцыю. Гэтая разнавіднасць рухавікоў адрозніваецца ад традыцыйных ракетных рухавікоў на цвёрдым хімічным паліве, дзе і крыніцай энергіі, і ўступае ў рэакцыю масай з'яўляецца цвёрдае або вадкае паліва, якое знаходзіцца на борце карабля.
Гісторыя
Асновы канцэпцыі, схаваныя ў ідэі фатоннага рухавіка ў выглядзе «ветразі», былі распрацаваны Эйгеном Зенгером і венгерскім фізікам Георгам Марксам. Канцэпцыя рухавіка, выкарысталага ракеты з лазернай падсілкоўваннем, былі развіты Артурам Кантровитцем і Вольфгангам Мэкелем ў 1970-х гадах. Выклад ідэй Кантровитца аб лазерным рухавіку было апублікавана ў 1988 годзе.
Сістэмы лазерных рухавікоў могуць перадаваць імпульс касмічнаму караблю двума рознымі спосабамі. Першы мае на ўвазе выкарыстанне ціску фатонаў для перадачы імпульсу па прынцыпе сонечных ветразяў, у тым ліку – якія працуюць пад ціскам лазернага выпраменьвання. Другі метад выкарыстоўвае лазер для таго, каб дапамагчы караблю пазбавіцца ад масы, падобна звычайнай ракеце. Гэты метад прапануюць куды часцей, але ў яго прысутнічае фундаментальнае абмежаванне ў выглядзе канчатковай хуткасці палёту карабля, звязанай з формулай Цыялкоўскага.
Сонечныя ветразі для перамяшчэння пад ціскам выпраменьвання лазера
Сонечныя ветразі для перамяшчэння пад ціскам выпраменьвання лазера з'яўляюцца ўзорамі рухавікоў на прамянёвай цязе.
Сонечны ветразь для руху пад ціскам лазера
Сонечны ветразь для руху пад ціскам лазера – гэта ветразь, які нагадвае сонечны, зроблены з тонкай тканіны з адбівальнай здольнасцю. У адрозненне ад сонечнага, ён рухаецца, хутчэй, за кошт ціску лазернага прамяня, чым сонечнага святла. Перавага рухавікоў з ужываннем сонечных ветразяў падобнага тыпу складаецца ў тым, што караблю не трэба несці на борце якой бы то ні было крыніца энергіі або вступающую у рэакцыю масу, з чаго вынікае, што абмежаванняў формулы Цыялкоўскага, звязаных з наборам высокай хуткасці, атрымоўваецца пазбегнуць. Выкарыстанне ветразяў для руху пад ціскам лазера было ўпершыню прапанавана Георгам Марксам у 1966 года ў якасці метаду для міжзоркавых падарожжаў, якія дазваляюць пазбегнуць вельмі высокага адноснага расходу паліва. Ідэя была старанна прааналізавана фізікам Робертам Форвардам у 1989 годзе. Далейшы аналіз канцэпцыі быў выкананы Джэфры Лэндисом, Юджынам Маловым і Норман Матлоффым, Данай Эндрус і іншымі.
Прамень павінен мець дастаткова вялікі дыяметр, так як толькі некаторыя часціцы пройдуць міма ветразі з-за дыфракцыі, а лазер або антэна, якая прымае мікрахвалі, павінна мець дастатковую ўстойлівасць арыентацыі, так як карабель можа досыць хутка нахіляць ветразь, каб ісці за цэнтрам прамяня. Гэта гуляе куды больш важную ролю, калі гаворка заходзіць пра падарожжа да іншых планет і зорак, палёце па датычнай, прызямленні і вяртанні. Лазер таксама можа быць буйной фазаванай кратамі для малых прылад, якія атрымліваюць энергію напрамую з сонечных прамянёў.
Сонечны ветразь для руху пад ціскам лазера быў прапанаваны ў якасці рухавіка для малога міжзоркавага карабля ў рамках праекта «Breakthrough Project».
Сонечны ветразь для руху з выкарыстаннем лазера і рэцыркуляцыі фо
Фізікі Метцгар і Лэндис прапанавалі мадыфікацыю сонечнага ветразі, дзе фатоны будуць адлюстроўвацца ад ветразі і паўторна выкарыстоўвацца, адлюстроўваючыся назад на ветразь з дапамогай стацыянарнага люстэрка. Яна атрымала назву «Лазерны ветразь шматразовага адлюстравання». Гэта павялічвае сілу, прадукцыю, якая вырабляецца рэцыркуляцыі фатонаў, прыводзячы да шматразовага росту сілы выпраменьвання пры той жа магутнасці. Таксама існуе канфігурацыя ветразі з выкарыстаннем шматкроць рециркулирующих фатонаў, дзе ўжываецца ступеністая лінза, устаноўленая вакол генератара лазера. Там лазер асвятляе ветразь карабля, павялічваючы яго хуткасць, затым святло адлюстроўваецца назад праз ступеністую лінзу і паступае на больш буйны рэфлектар, змяняючы кірунак карабля. Святло лазера шматкроць адлюстроўваецца туды і назад, дазваляючы павялічыць сілу перадачы. Лінза становіцца значна больш стабільнай, так як практычна выключана ўплыў імпульсу лазернага прамяня.
Лазерны фатонны рухавік малой цягі
Лазерны фатонны рухавік малой цягі (ЛФДМТ) – апошняе вынаходства, развившееся з лазернага ветразі шматразовага адлюстравання, дзе актыўны лазер з'яўляецца сродкам рэзанансу, неабходнага для фарміравання аптычнай пустэчу паміж двума люстэркамі. Мяркуецца, што ЛФДМТ будзе здольны забяспечыць суадносіны цягі да магутнасці, (адзінка, якая вымярае эфектыўнасць дапаможнага рухавіка па адносінах да ператворанай у імпульс магутнасці) набліжанага да такіх традыцыйным аналагам, як электрычныя рухавікі малой цягі або рухавікі малой цягі з лазернай абляцией.
Ракеты з лазернай падсілкоўваннем
Існуе некалькі разнавіднасцяў лазерных рухавікоў, дзе лазер выкарыстоўваецца, як крыніца энергіі для імпульсу, неабходнага размешчанага на борце гаручаму. Прымяненне лазера ў якасці крыніцы энергіі азначае, што падаваная энергія не абмежаваная толькі хімічнай энергіяй паліва.
Лазерная ракета з рухавіком на аснове цеплаабмену
Лазерная ракета з тэрмічным рухавіком – падвід ракет з тэрмічным рухавіком, дзе паліва награваецца з дапамогай энергіі, якая ствараецца звонку лазерным промнем. Прамень награвае цвёрды цеплаабменнік, які, у сваю чаргу, награвае вадкае паліва, ператвараючы яго ў распалены газ, які выпускаецца праз звычайныя сопла. Гэта робіць яе падобнай на ракету з ядзерным або сонечным тэрмічным рухавіком. Прымяненне буйнагабарытнага цеплаабменніка дазваляе лазернага промня сьвяціць прама на яго, абыходзячы факусоўку пры дапамозе оптыкі карабля. Рухавік з цеплаабменнікам ў працы мае перавагу, так як можа працаваць аднолькава якасна з лазерам з любой даўжынёй хвалі і тыпам (бесперапынным або імпульсным), а яго ККД набліжаецца да 100 %. Абмежаваннем для дадзенага рухавіка з'яўляецца матэрыял цеплаабменніка і страты выпраменьвання пры адносна нізкіх (1 000 – 2 000 З°). Для дадзенай тэмпературы удзельная імпульс будзе максімальна павялічаны пры мінімальнай малекулярнай масе рэчывы, які ўступае ў рэакцыю, а таксама – наяўнасці вадароднага паліва, які забяспечвае дастатковы імпульс на працягу 600-800 секунд, чаго цалкам дастаткова нават для таго, каб ракета з адной прыступкай змагла абмінуць нізкую арбіту Зямлі. Канцэпцыя лазернай ракеты з рухавіком на аснове цеплаабмену была распрацавана Джордином Кэром ў 1991 годзе. Мікрахвалевых цеплавой рухавік з падобнай канцэпцыяй быў распрацаваны незалежна Кевінам Паркином з Каліфарнійскага універсітэта ў 2001 годзе.
Варыяцыю гэтага праекта прапанавалі прафесар Джон Сайнко і доктар Кліфард Шлехт ў якасці рэзервовай сістэмы бяспекі для апаратаў на арбіце. Бакі з ракетным палівам прымацоўваліся звонку, і выхлапныя сопла працавалі з кожным з іх, не падзенучы астранаўтаў або інструменты. Лазерны прамень з касмічнай станцыі або шатла испарял якое знаходзіцца ў баках паліва. Выхлапныя газы някляеву ззаду экіпажа або інструмента, прыцягваючы мэта бліжэй да крыніцы лазернага прамяня. Для прыпынку збліжэння другі лазер з другога даўжынёй хвалі астуджае знешнюю ашалёўку бакаў з палівам.
Абляционный лазерны рухавік
Абляционным лазерным рухавіком называюць разнавіднасць рухавіка на прамянёвай цязе, дзе знешні імпульсны лазер ўжываецца для ўзгарання плазменнага паходні ў металічным паліве і наступнага стварэння цягі. Вымяраны удзельная імпульс малых АЛД вельмі вялікі і даходзіць да 5 000 з (49 кН*з/кг). У адрозненне ад апарата з сонечным ветразем, распрацаванага Абліччам Майрэбо і выкарыстоўвае паветра ў якасці паліва, АЛД можна выкарыстоўваць у космасе.
Рэчыва шляхам абляцыі імпульсным лазерам выдаляецца напрамую з цвёрдай ці вадкай паверхні. У залежнасці ад працягласці імпульсу і шчыльнасці патоку лазера, рэчыва можа быць проста нагрето, испарено або пераўтворана ў плазму. Абляционный рухавік будзе працаваць і ў паветры, і ў вакууме. Удзельная імпульс складае ад 200 да некалькіх тысяч секунд, што становіцца магчымым за кошт дакладнага выбару паліва і характарыстык лазера. Сярод варыяцый гэтай тэхналогіі – лазерны рухавік з падвойным імпульсам, дзе адзін імпульсны лазер падвяргае абляцыі рэчыва, а іншы – награвае да газападобнага стану; лазерны микродвигатель, дзе малы лазер на борце падвяргае абляцыі вельмі малая колькасць паліва, дастатковую для манеўру і кантролю вышыні; ачышчальнік ад касмічнага смецця, дзе лазер падвяргае абляцыі часціцы касмічнага смецця, якія знаходзяцца на нізкай калязямной арбіце, змяняючы іх арбіты і змушаючы іх зноў увайсці ў атмасферу.
Даследчы цэнтр у вобласці ракетных рухавікоў пры Універсітэце Алабамы ў Хантсвилле займаўся распрацоўкамі ў галіне АЛД.
Імпульсны плазменны рухавік
Высокаэнергетычных імпульс, сфакусаваны на газе або цвёрдай паверхні, акружанай газам, прыводзіць да яго раскладанню. Гэта прыводзіць да пашыраецца ударнай хвалі, паглынальнай энергію лазера на фронце ударнай хвалі (адбываецца т. зв. детонационное гарэнне, падтрымоўванае лазерам або ДГПЛ-хваля), пасля чаго варта пашырэнне гарачай плазмы за межы фронту ударнай хвалі і перадача імпульсу карабля. Імпульсны плазменны рухавік, які выкарыстоўвае паветра, як працоўнае асяроддзе, з'яўляецца найпростым прыкладам лазернага рухавіка з аэрадынамічнай накачкі. Касмічны апарат з сонечным ветразем, распрацаваны Абліччам Майрэбо з Політэхнічнага інстытута Ренсселера і які ўсталяваў сусветны рэкорд, працуе па гэтым прынцыпе.
Іншая канцэпцыя імпульснага плазменнага рухавіка была даследавана японскім прафесарам Хидэюки Хорисавой.
Плазменны рухавік з пастаяннай даўжынёй хвалі
Бесперапынны лазерны прамень, сфакусаваны на патоку газу, стварае стабільны паток плазмы. Пасля гэтага пашыраецца распалены газ выкідваецца праз звычайныя сопла, ствараючы цягу. Так як плазма не кантактуе са сценкамі рухавіка, можна дамагчыся звышвысокіх тэмператур газу, як у выпадку з газофазным ядзернай рэактыўным рухавіком. Аднак, для дасягнення высокага удзельнага імпульсу паліва павінна валодаць малой малекулярнай масай. Як правіла, у нашы дні выкарыстоўваецца вадарод, які дазваляе дамагчыся ўдзельнай імпульсу ў 1 000 секунд. Плазменны рухавік з пастаяннай даўжынёй хвалі не пазбаўлены недахопаў, так як лазерны прамень павінен быць дакладна сфакусаваны на абсарбцыйнай камеры, чаго можна дамагчыся альбо пры выкарыстанні дыпольныя адбівальнікаў, альбо сопла пэўнай формы. Эксперыменты з гэтымі відамі рухавікоў праводзіліся ў 1970-1980-х гадах, у асноўным, доктарам Дэнісам Кифером з Інстытута Космасу пры Універсітэце штата Тэнэсі і прафесарам Германам Крайером з Иллинойского універсітэта ў Урбане-Шампейне.
Лазерны электрарухавік
Шырокі клас рухавікоў, дзе магутнасць лазернага прамяня пераўтворыцца ў электрычнасць, якое дае энергію для працы касмічным электрарухавікоў, называецца лазернымі электрарухавікамі.
Невялікі квадрокоптер лётаў на працягу 12 гадзін 26 хвілін, зараджаны лазерам магутнасцю ў 2 250 Вт (менш за палову ад нармальнай працоўнай магутнасці) і выкарыстоўваючы 170-ватовыя фотаэлектрычныя батарэі ў якасці прымача харчавання. Таксама быў прадэманстраваны лазер для зарадкі батарэй, за кошт якіх беспілотны лятальны апарат мог знаходзіцца ў паветры 48 гадзін.
У касманаўтыцы лазерны электрарухавік складае канкурэнцыю сонечнага або ядзернай электродвигателю сярод іншых рухавікоў малой цягі для палётаў у космас. Аднак Аблічча Майрэбо прапанаваў лазерны электрарухавік з вялікай цягай, скарыстоўвае магнітную гідрадынамікі для пераўтварэння энергіі лазера ў электрычнасць і наступнай электрызацыі паветра вакол карабля для стварэння цягі.