Лазерные системи відводу тепла

Лазерные системи відводу тепла

Валентин Подвысоцкий По виду використовуваної енергії космічні двигуни поділяються чотирма типу: термохимические, ядерні, електричні, солнечно-парусные. Останнім часом з’явилися даних про можливість створення нового п’ятого типу двигунів, використовують кінетичну енергію космічного апарату [1]. Кожен із зазначених типів має переваги та недоліки, і може застосовуватися у тих чи інших условиях.

При розробці всіх космічних двигунів загальної проблемою є утилізація надлишкового тепла. Основним, обсуждаемым в літературі методом відводу потужності, є променистий теплоотвод з допомогою радіаторів різноманітних. Випромінення теплового джерела є сумарний ефект випромінювання всіх атомів і молекул. До того ж усі вони випромінюють спонтанно і, незалежно друг від друга. Це з незалежністю, випадковістю елементарних актів порушення, основною причиною яких є зіткнення атомів в нагрітих телах.

Величина необхідної площі поверхні радіатора пов’язані з потужністю згідно із законом Стефана — Больцмана (випромінювана потужність пропорційна площі випромінюючої поверхні, і четвертого ступеня її температури). Припустимо, при ККД 50% і питомому імпульсі 10 000 з, космічний двигун розвиває тягу 50 кг. При температурі радіатора 1000ºК, площа поверхні має становити близько 4200 м². Отже, радіатор, а то й сама масивна, та найбільш громіздка частина рухової установки космічного аппарата.

При мінімальної масі і обсязі космічні двигуни мають спільно опрацьовувати найбільшу потужність. У результаті досягається поліпшення їх технічних характеристик (збільшується потяг і підвищується питомий імпульс). Зростання потужності супроводжується збільшенням ж розмірів та маси радіатора. При досягненні певної потужності радіатор стає таким великим і масивним, що його неможливо розмістити на борту космічного апарату. Це обставина є по дорозі розвитку космічних рухових установок.

Суть запропонованої розробки залежить від використанні принципово іншого методу высвечивания возбуждённых атомів. Це механізм вимушеного випромінювання, який дозволяє отримувати дуже дорогу інтенсивність випромінювання. Його застосування дозволить значно зменшити розміри й безліч системи тепловідведення. Для утилізації надлишкового тепла, одержуваного в процесі роботи космічного двигуна, використовувати лазери з теплової накачуванням. Розглянемо одне із способів створення інверсії населенностей, з допомогою теплового нагріву, який в газодинамических лазерах.

В час газодинамические лазери, працюючі на колебательно-вращательных переходах молекул, є потужними лазерами безперервного дії. Принцип їхні діяння можна було зрозуміти, розглянувши фізичну схему цих процесів [2]. Спочатку робочий газ нагрівається (зазвичай до 1000…3000 До), у своїй відбувається порушення коливальних ступенів свободи його молекул.

Линейная симетрична молекула CO2 може здійснювати коливання трьох типів. Коливання 1-го типу називаються симетричними, 2-го типу — деформационными, 3-го типу — антисимметричными. У разі термодинамічної рівноваги, що більше енергія коливального рівня, тим менший за нього населённость. До сформування лазерного ефекту необхідно, щоб населеність частинок верхнього рівня (3), перевершувала населеності нижніх рівнів (1 і 2).

Предварительно нагрітий в теплообменнике газ надходить в сопло, де розширюється й охолоджується. Якщо охолодження газу відбувається досить швидко, то результаті сутичок частинок, енергія антисимметричных (3) коливань не встигає перейти в теплову. Разом про те, енергія деформаційних (2) і симетричних (1) коливань нас дуже швидко переходить в теплову (особливо у присутності води та гелію). Через війну, з допомогою антисимметричных коливань (3), більшість молекул охолодженого газу, будуть мати певну надлишкову енергію (що ситуація називається інверсією населенностей).

Активная середовище з інверсією населенностей має здатністю посилювати світлову хвилю. Посилення залежить від шляху, прохідного хвилею у середовищі [3]. Щоб збільшити цей нелегкий шлях, активна середовище поміщається між двома паралельними відбивачами (що можуть бути плоскі дзеркала, сферичні, комбінації пласких і сферичних та інших.). Один із дзеркал напівпрозоре, інше непрозрачное.

Такая система відбивачів є резонатором. Хвиля, поширювана вздовж його осі, потрапляє у щонайсприятливіші умови. Посилюючись, вона до дзеркала, позначиться його й піде у протилежному напрямі, продовжуючи посилюватися, потім позначиться від другого дзеркала тощо. Якщо посилення більше втрат, які долають хвилею для відсічі, те з кожним проходом хвиля посилюватиметься, поки щільність енергії в хвилі не досягне деякого граничного значения.

Рост щільності енергії припиняється, коли що виділятимуться внаслідок змушених переходів енергія, неспроможна компенсуватися енергією, затрачиваемой на порушення атомів. Через війну між дзеркалами встановлюється стояча хвиля, а крізь напівпрозоре дзеркало виходить назовні потік когерентного випромінювання, що характеризується високої спрямованістю і монохроматичностью.

Относительным конструктивним недоліком всіх існуючих лазерів є обмежений робочий обсяг відбивача (резонатора). Всередині цієї обсягу неможливо розмістити досить великий кількість активної середовища. Через війну, потужність сучасних лазерів не перевищує кілька десятків кВт. З іншого боку, особливості створення інверсії населенностей в газодинамическом лазері, призводять до істотного розбіжності робочого обсягу резонатора з обсягом активної середовища. Через війну значна частина активної середовища так само участі у формуванні лазерного променя і ККД газодинамического лазера вбирається у 1%. Втім, якщо врахувати енергію лазерних квантів, що йдуть через відкриті бічні поверхні резонатора, коефіцієнт перетворення теплової енергії в енергію випромінювання виявляється значно вища. Невелика міць і низький ККД перетворення теплової енергії в енергію випромінювання, можуть істотно ускладнити завдання створення лазерних систем відводу тепла.

Новизна розробки залежить від істотному зміні конструкції відбивача, що дозволить помітно збільшити потужність й тимчасово підвищити ККД лазера. Відбивач лазера можна виконати як напівпрозорої труби, всередині якої знаходиться активна середовище. Спонтанний випромінювання возбуждённых атомів викликає змушені переходи інших возбуждённых атомів, і як наслідок посилюється. Светоотражающий шар пропускає назовні деяку незначну (1…2%) частина світлового потоку. Більшість излученной енергії, позначаючись від светоотражающего шару, повертається у активну середу, викликаючи нові й нові акти вимушеного излучения.

Предложенный відбивач можна виконати як труби змінного перерізу. Це дозволить організувати протягом газу в такий спосіб, щоб у певному ділянці трубы-отражателя в движущемся газі виникала інверсія населенностей. У цьому ділянці, через напівпрозору поверхню трубы-отражателя, назовні виходить інтенсивний потік випромінювання. Через війну газ втрачає частина енергії й повертається на теплообмінник. Щоб якось забезпечити безупинне протягом газу замкненому контуру додатково може знадобитися компрессор.

Лазерный відбивач зазначеної конструкції зможе виконувати функції резонатора. Наявність бічних стінок значно збільшує число можливих типів коливань (мод). Замість посилення хвилі, що просувалася вздовж його осі, відбуватиметься генерація більшої кількості хвиль. Через війну, через напівпрозору поверхню відбивача назовні виходитиме потік немонохроматичного випромінювання, яке заповнить широкий інтервал довжин хвиль. З іншого боку, це випромінювання буде некогерентным і розбіжним. Безповоротно губляться майже всі унікальні властивості лазерного луча.

Из всіх найкорисніших якостей лазера зберігається лише висока інтенсивність випромінювання, кілька порядків що перевищує інтенсивність випромінювання поверхні теплових радіаторів, за будь-яких реально досяжних температурах. Зміна конструкції дозволить збільшити робочий обсяг лазерного відбивача в тисячі разів. Через війну різко зростає пропускна здатність, і зростає потужність лазера. У результаті можна спробувати покінчити з проблемою відводу великої кількості надлишкового тепла в космічному пространстве.

В на відміну від класичного відкритого резонатора, такий лазерний відбивач можна заповнити випромінюванням з рівної інтенсивністю. Форму й розміри відбивача можна підібрати в такий спосіб, щоб інверсія населенностей не поширювалася його межі. Це забезпечить повне й рівномірне використання всієї активної середовища. Через війну як збільшується потужність газодинамического лазера, а й відчутно підвищується ККД перетворення теплової енергії газу енергію випромінювання. З огляду на це, перевагу запропонованих відбивачів до створення потужних лазерних систем відводу тепла стає очевидным.

Список литературы

Подвысоцкий В.В. Космічні двигуни третього тисячоліття. НиТ, 2003.

Осипов А.І. Неравновесный газ. Московський державний університет ім. М. В. Ломоносова. 1988.

Собельман І.І. Квантова електроніка. Маленька енциклопедія. М.: Наука, 1969.