Лазерные системы отвода тепла

По виду используемой энергии космические двигатели подразделяются на четыре типа: термохимические, ядерные, электрические, солнечно-парусные. В последнее время появились данные о возможности создания нового пятого типа двигателей, использующих кинетическую энергию космического аппарата [1]. Каждый из указанных типов имеет свои преимущества и недостатки, и может применяться в тех или иных условиях.

При разработке всех космических двигателей общей проблемой является утилизация избыточного тепла. Основным, обсуждаемым в литературе методом отвода мощности, является лучистый теплоотвод с помощью радиаторов различного вида. Излучение теплового источника представляет собой суммарный эффект излучения всех атомов и молекул. Причём все они излучают спонтанно и независимо друг от друга. Это связано с независимостью, случайностью элементарных актов возбуждения, основной причиной которых являются столкновения атомов в нагретых телах.

Величина необходимой площади поверхности радиатора связана с мощностью по закону Стефана – Больцмана (излучаемая мощность пропорциональна площади излучающей поверхности и четвертой степени ее температуры). Допустим, при КПД 50% и удельном импульсе 10 000 с, космический двигатель развивает тягу 50 кг. При температуре радиатора 1000ºК, площадь его поверхности должна составлять около 4200 м2. Таким образом, радиатор если не самая массивная, то наиболее громоздкая часть двигательной установки космического аппарата.

При минимальной массе и объеме космические двигатели должны вырабатывать наибольшую мощность. За счет этого достигается улучшение их технических характеристик (увеличивается тяга и повышается удельный импульс). Возрастание мощности сопровождается увеличением размеров и массы радиатора. При достижении определенной мощности радиатор становится настолько большим и массивным, что его невозможно разместить на борту космического аппарата. Это обстоятельство является барьером на пути развития космических двигательных установок.

Суть предлагаемой разработки заключается в использовании принципиально иного метода высвечивания возбуждённых атомов. Это механизм вынужденного излучения, позволяющий получать очень высокую интенсивность излучения. Его применение позволит значительно уменьшить размеры и массу системы теплоотвода. Для утилизации избыточного тепла, получаемого в процессе работы космического двигателя, предполагается использовать лазеры с тепловой накачкой. Рассмотрим один из способов создания инверсии населенностей, за счет теплового нагрева, который реализуется в газодинамических лазерах.

В настоящее время газодинамические лазеры, работающие на колебательно-вращательных переходах молекул, являются наиболее мощными лазерами непрерывного действия. Принцип их действия можно понять, рассмотрев физическую схему происходящих процессов [2]. Вначале рабочий газ нагревается (обычно до 1000 .3000 К), при этом происходит возбуждение колебательных степеней свободы его молекул.

Линейная симметричная молекула CO2 может совершать колебания трех типов. Колебания 1-го типа называются симметричными, 2-го типа – деформационными, 3-го типа – антисимметричными. В условиях термодинамического равновесия, чем больше энергия колебательного уровня, тем меньше его населённость. Для создания лазерного эффекта необходимо, чтобы населенность частиц верхнего уровня (3), превосходила населенности нижних уровней (1 и 2).

Предварительно нагретый в теплообменнике газ поступает в сопло, где расширяется и охлаждается. Если охлаждение газа происходит достаточно быстро, то в результате столкновений частиц, энергия антисимметричных (3) колебаний не успевает перейти в тепловую. Вместе с тем, энергия деформационных (2) и симметричных (1) колебаний очень быстро переходит в тепловую (особенно в присутствии воды и гелия). В результате, за счет антисимметричных колебаний (3), большая часть молекул охлажденного газа, будут иметь определенную избыточную энергию (такая ситуация называется инверсией населенностей).

Активная среда с инверсией населенностей обладает способностью усиливать световую волну. Усиление зависит от пути, проходимого волной в этой среде [3]. Чтобы увеличить этот путь, активная среда помещается между двумя параллельными отражателями (это могут быть плоские зеркала, сферические, комбинации плоских и сферических и др.). Одно из зеркал полупрозрачное, другое непрозрачное.

Перейти на страницу: 1 2

Дополнительные материалы

Принцип работы и методика измерения.
Прибор имеет два входа, на которые подаются сигналы от датчиков. На один вход поступает сигнал датчика количества оборотов коленчатого вала, который представляет собой импульс с амплитудой равной 5В. Этот импульс вырабатывается в тот момент, когда ...

Атомная энергия за и против
Современная цивилизация немыслима без электрической энергии. Выработка и использование электричества увеличивается с каждым годом, но перед человечеством уже маячит призрак грядущего энергетического голода из-за истощения месторождений гор ...

Системы персонального вызова
Совpеменное пpоизводство pазвивается в условиях научно-технической pеволюции, главное содеpжание котоpой составляет освобождение человека от ручного труда. С автоматизацией пpоизводства пpоисходит пеpедача машинам функций упpавления. На ...

Разделы

Электромагнитный импульс как оружие

История вопроса и современное состояние знаний в области эми.

Лабораторные стенды в учебном процессе

Обзор и сравнительный анализ существующих стендов.

Аспекты технического знания

Технический объект и предмет технических наук.

Сварка металлов плавлением

Классификация электрической дуговой сварки.

Распределение примесей в кремнии

Описание процесса зонной плавки и ее математическая модель.



Наука сегодня и вчера - www.anytechnic.ru