Кіріспе
Лазерлік итеру – энергия көзі қашықтан (көбінесе жерде орналасқан) лазерлік жүйеден алынатын және реакциялық массадан бөлек болатын, сәулемен қуатталатын итеру түрі. Бұл итеру түрі дәстүрлі химиялық ракетадан өзгеше, онда энергия мен реакциялық масса көлік құралымен бірге тасымалданатын қатты немесе сұйық отындардан түседі.
Laser propulsion is a form of beam powered propulsion where the energy source is a remote (usually ground based) laser system and separate from the reaction mass. This form of propulsion differs from a conventional chemical rocket where both energy and reaction mass come from the solid or liquid propellants carried on board the vehicle.
Тарих
Фотонмен қозғалатын "қанат" қозғалтқыш жүйесінің негізгі принциптері Юджин Сангер және венгр физигі Гьёрги Маркс еңбектерінде қалыптасты. Лазерлік энергиямен жұмыс істейтін ракеталар туралы ұғымдарды 1970 жылдары Артур Кантровиц пен Вольфганг Моэкель жасады, ал Лейк Мирабо лазерлік абляцияны қолдану арқылы осы идеяны дамытты. Кантровицтің лазерлік қозғалтқыштары туралы еңбектері 1988 жылы жарияланды. Лазерлік қозғалтқыш жүйелері ғарыш кемесіне импульс берудің екі әр түрлі жолын пайдалана алады. Бірінші әдіс фотон сәулеленуінің қысымын қолданып импульс беруге негізделген, бұл күн желкендері мен лазерлік желкендердің жұмыс принципі. Екінші әдіс лазерді ғарыш кемесінен масса шығаруға пайдаланады, дәл ракета сияқты. Осылайша, бірінші жағдайда лазер энергия және реакциялық массаның екеуі үшін де қолданылады, ал екінші жағдайда лазер тек энергия үшін қолданылады, бірақ реакциялық масса тасымалданады. Сондықтан, екінші әдіс ғарыш кемесінің соңғы жылдамдығын ракета теңдеуімен шектейді.
Лазерлік жарық желкені
Лазерлік жарықжелкен – күнжелкеніне ұқсас, бірақ күннің емес, лазердің итермелеуімен қоздырылатын жұқа, шағылысқа қабілетті желкен. Жарықжелкендік қозғалтқыштың артықшылығы – көлік энергия көзін де, реакциялық массаны да алып жүрмейді, сондықтан жоғары жылдамдыққа жетудегі Циолковский ракеттік теңдеуінің шектеулерінен құтылуға болады. Лазерлік жарықжелкенді қолдануды Маркс 1966 жылы отын тасымалдамайтындықтан, өте жоғары массалық коэффициенттерден қашуға мүмкіндік беретін ғарызарылық саяхат әдісі ретінде ұсынды, ал физик Роберт Л. Форвард 1989 жылы оны егжей-тегжейлі талдады. Лэндис, Маллоув және Матлофф, Эндрюс және басқалар осы тұжырымдаманы одан әрі зерттеді. Дифракция салдарынан сәуле желкеннің аз бөлігін ғана өткіріп алмауы үшін үлкен диаметрлі сәуле қажет, ал ғарыш кемесі желкенін сәуленің ортасына жеткілікті жылдам бұру үшін берік тұрақтандыру қабілетіне ие болуы керек. Бұл талаптар миссияның күрделілігі артаған сайын маңыздырақ болады, мысалы, планетаралық миссиядан жұлдызаралық миссияға, ал содан кейін ұшып өту миссиясынан бір реттік қону миссиясына және қайта оралу миссиясына көшкенде. Лазер, балама ретінде, өз энергиясын тікелей күн сәулесінен алатын кішкентай құрылғылардың үлкен фазалық массивінен тұруы мүмкін. Лазерлік желкенді кішкентай жұлдызаралық зерттеуші құралын жылжыту әдісі ретінде Breakthrough Starshot жобасы ұсынды. Көптеген кішкентай желкендердің ағынын жылжыту үшін лазерлік жүйені пайдалану – бұл әлемдік ғарыш кемесін жоғары жылдамдыққа жылжытудың тағы бір жолы. Әрбір кішкентай желкен үй жүйесінің лазерімен баяулатылады, осылайша олар иондау жылдамдығымен соқтығысады. Иондау соқтығысуларын ғарыш кемесіндегі күшті магниттік өріспен әрекеттестіруге болады, бұл оны қуаттандырып, жылжытуға қажетті күшті қамтамасыз етеді. Бұл идеяны кеңейту – кішкентай желкендерде ядролық материалдарды пайдалану. Бұл материалдар бөліну немесе бірігу процесінен өтеді, бұл әсер ететін күштің мөлшерін едәуір арттырады. Дегенмен, бұл тәсіл ядролық емес нұсқалармен салыстырғанда әлдеқайда жоғары соқтығысу жылдамдықтарын талап етеді.
Фотондарды қайта өңдеу
Метцгар мен Ландис лазерлік желкеннің бір түрін ұсынды, онда желкеннен шағылған фотондар стационарлық айна арқылы қайта шағылыстырылып, қайта пайдаланылады; «көп рет шағылысқан лазерлік желкен». Бұл фотондарды қайта пайдалану арқылы күшті күшейтеді, нәтижесінде бірдей лазерлік қуаттан әлдеқайда жоғары күш алынады. Сондай-ақ, лазерлік генерациялау жүйесінің айналасында үлкен Френель линзасын пайдаланатын көп рет шағылысқан фотоникалық желкен конфигурациясы бар. Бұл конфигурацияда лазер зонд желкеніне жарық шашып, оны сыртқа қарай жылдамдатады, содан кейін Френель линзасы арқылы кері шағылыстырылып, басқа бағытта қозғалатын үлкен, салмағы зор рефлектор зондына түседі. Лазерлік жарық бірнеше рет алға-артқа шағылысып, берілетін күшті жақсартады, бірақ ең бастысы, үлкен линза лазерлік жарықтың импульсіне көп әсер етпейтіндіктен, тұрақты күйде қалуын қамтамасыз етеді. Оптикалық қуыс фотондарды көбірек пайдалануға мүмкіндік береді, бірақ сәулені қуыста ұстау әлдеқайда қиын. Оптикалық қуыс екі жоғары шағылыстыратын айнадан жасалуы мүмкін, бұл Фабри-Перо оптикалық резонанстық қуысын құрайды, онда айналардың кез келген кішкентай қозғалысы резонанстық жағдайды бұзып, фотоникалық итермелі күшті жояды. Мұндай оптикалық қуыстар LIGO сияқты гравитациялық толқындарды анықтау үшін қолданылады, себебі олар айнаның қозғалысына өте сезімтал. Баэ бастапқыда осы себеппен спутниктердің нанометрлік дәлдікпен қалыптастыру ұшуында пайдалану үшін фотондарды қайта пайдалануды ұсынды. Алайда, Баэ екі жоғары шағылыстыратын айнадан және олардың арасындағы лазерлік ортадан құралған белсенді оптикалық қуыста, дәстүрлі лазерлік қуысқа ұқсас, фотондарды қайта пайдалану айналардың қозғалысына азырақ сезімтал болатынын анықтады. Баэ белсенді оптикалық қуыстағы фотондарды қайта пайдалануға негізделген лазерлік қозғалтқышты Фотоникалық лазерлік қозғалтқыш (PLT) деп атады. 2015 жылы оның командасы 500 Вт лазерлік жүйені пайдалану арқылы бірнеше метр қашықтықта 1540-қа дейін фотондарды қайта пайдалану санын және 3,5 мН-ға дейінгі фотоникалық итермелі күшті көрсетті. Зертханалық демонстрация кезінде 0,75 кг салмақты Cubesat PLT арқылы қозғалды.
Лазерлік энергиямен жұмыс істейтін зымыран
Лазерлік итерудің бірнеше түрі бар, онда лазер ракетада тасымалданатын отынға импульс беру үшін энергия көзі ретінде қолданылады. Лазерді энергия көзі ретінде пайдалану отынға берілетін энергияның мөлшері отынның химиялық энергиясымен шектелмейтіндей етеді.
Лазерлік жылу зымыраны
Лазерлік жылу зымыраны (жылу алмастырғышы (HX) қозғалтқышы) – бұл қозғалтқыш затты сыртқы лазер сәулесімен берілетін энергия арқылы қыздыратын жылу зымыраны. Сәуле қатты жылу алмастырғышты қыздырады, ол өз кезегінде инертті сұйық қозғалтқышты қыздырып, оны ыстық газға айналдырады, ол дәстүрлі сопло арқылы шығарылады. Бұл принцип бойынша ядролық және күн жылу қозғалтқыштарына ұқсас. Үлкен, жалпақ жылу алмастырғышты пайдалану лазер сәулесін көлік құралына оптикалық жүйелерді бағыттамай, тікелей жылу алмастырғышқа түсіруге мүмкіндік береді. HX қозғалтқышының артықшылығы – ол кез келген лазер толқын ұзындығымен және үздіксіз (CW) және импульстік лазерлермен бірдей тиімді жұмыс істейтіні, ал тиімділігі 100%-ға жуық. HX қозғалтқышы жылу алмастырғыш материалымен және радиациялық жоғалтулармен шектеліп, газ температурасын салыстырмалы түрде төмен деңгейде, әдетте 1000–2000 °C аралығында ұстайды. Белгілі бір температурада, меншікті импульс ең төменгі молекулалық салмағы бар реакциялық массамен және сутекті қозғалтқышпен максималды болады, ол 600–800 секундқа дейін жеткілікті меншікті импульс береді, бұл теориялық тұрғыдан бір сатылы көліктердің Жердің төменгі орбитасына жетуіне мүмкіндік береді. HX лазерлік қозғалтқышын 1991 жылы Жордин Каре әзірледі, ал ұқсас микротолқынды жылулық қозғалтқышты 2001 жылы Калтех институтында Кевин Л. Паркин тәуелсіз түрде әзірледі. Профессор Джон Синко мен доктор Клиффорд Шлехт бұл тұжырымдаманың өзгеруін орбитадағы құрылғылар үшін қосымша қауіпсіздік концепциясы ретінде ұсынды. Жабық қозғалтқыш заттардың пакеттері ғарыш костюмінің сыртына бекітіледі, ал шығару арналары әр пакеттен астронавттың немесе құралдың арт жағына дейін созылады. Ғарыш станциясынан немесе шаттлдан шығарылатын лазер сәулесі пакеттер ішіндегі қозғалтқыш затты буландырады. Шығарылатын газ астронавттың немесе құралдың артына бағытталып, нысананы лазер көзіне қарай тартады. Жақындауды тоқтату үшін екінші толқын ұзындығы қолданылып, жақын жақтағы қозғалтқыш пакеттерінің сыртқы қабаты абляцияланады. 2022 жылы Макгилл университетінің зерттеушілері 45 күнде Марсқа ғарыш кемесін жіберу үшін лазерлік жылулық қозғалтқыш жүйесін ұсынатын мақала жариялады. Ұсынылған лазерлік жылулық қозғалтқыш жүйесін Марсқа ғарыш кемелерін жіберу үшін пайдаланудың басты артықшылықтарының бірі – ғарышкерлердің Жердің магнит сферасының сыртындағы уақытын қысқарту арқылы ғарыш сәулелеріне ұшырауын азайту.
Лазерлік айна зымыран
Бұл конструкцияда линза және/немесе параболалық айна лазер сәулесін айнадағы кішкентай тесікке шоғырландырады, ол ішкі жағынан жоғары шағылыстырылатын және екінші жағынан толық ашық түтікке алып келеді. Жерден ғарыш кемесіне фазалық тізімді лазерлік импульс жіберіледі, онда лазер сәулесі түтікке бағытталады, ал күтіп тұрған жылжымалы айна дискі реакциялық масса болады. Лазер сәулесінің импульсі түтікке түсіп, алға-артқа секіріп, айна дискісін өте жоғары жылдамдықпен үдетеді. Лазерлік импульс тоқтағаннан кейін айналар кеме жанындағы жинақтағыштардан түтік ішіне орналастырылады. Бұл кішкентай, жоғары шағылыстырылатын айналар үшін миллиондаған g үдеуі мүмкін, ал қысқа қашықтықтағы жылдамдықтар секундына ондаған шақырымға жете алады, бұл мыңдаған нақты импульстарға мүмкіндік береді. Мысалы, егер айна дискісі 10 метрлік қашықтықта 2 миллион g үдеумен үдетілсе, ол шығыста 20 км/с жылдамдыққа жетеді, бұл сутек/оттегі зымыран қозғалтқышының шығару жылдамдығынан (шамамен 4,5 км/с) төрт есе жоғары. Ғарыш айлағының сутек/оттегі қозғалтқыштарының нақты импульсі 453 болса, ал жоғарыда келтірілген мысал айна зымыраны үшін 2034 нақты импульсын береді, бұл елеулі жақсару. Дискілерді тиімді басқару одан да ұзақ үдеу кезеңдеріне және, демек, жоғары шығу жылдамдықтарына мүмкіндік береді. Жордин Каре есептегендей, бұл айна дискілерін теориялық тұрғыдан шамамен 32 миллион g дейін үдетуге болады, бірақ бұл кез келген материалдың беріктігінің шегінде болады және толық бұзылуға әкелуі мүмкін. Бұл қозғалтқыш конструкциясын Жер орбитасынан тікелей ұшып кететін немесе Жерге қайтып келетін эллипстік орбитадағы ғарыш кемелерінде қолдануға болады.
Аблативті лазерлік қозғалтқыш
Аблативті лазерлік қозғалтқыш (АЛП) – сәулелік қуатпен жұмыс істейтін қозғалтқыш түрі, онда сыртқы импульсті лазер қатты металл отынынан плазмалық қабатты күйдіріп, итермелеу күшін тудырады. Шағын АЛП орналымдарының өлшенген меншікті импульсі шамамен 5000 с (49 кН·с/кг) құрайды, бұл өте жоғары көрсеткіш. Лейк Мирабо әзірлеген жеңіл ғарыш кемесінен айырмашылығы, ол отын ретінде ауаны пайдаланса, АЛП ғарышта қолданылуы мүмкін. Материал импульсті лазерлік абляция арқылы қатты немесе сұйық беттен жоғары жылдамдықпен тікелей алынады. Лазерлік сәуленің қарқындылығы мен импульстің ұзақтығына байланысты материал жай ғана қыздырылып, буландырылуы немесе плазмаға айналдырылуы мүмкін. Аблативті қозғалтқыш ауада да, вакуумде де жұмыс істейді. Отынды және лазерлік импульстің сипаттамаларын таңдау арқылы 200 секундтан бірнеше мың секундқа дейінгі нақты импульс мәндерін алуға болады. Аблативті қозғалтқыштың түрлеріне екі импульстік қозғалтқыштар кіреді, онда бір лазерлік импульс материалды абляциялайды, ал екінші импульс абляцияланған гасты қосымша қыздырады; лазерлік микроқозғалтқыштар, онда ғарыш кемесіндегі кішкентай лазер аз мөлшерде отынды абляциялап, бағытты басқаруға немесе маневрлеуге мүмкіндік береді; сондай-ақ, ғарыш қиындыларын жою, онда лазер Жердің төменгі орбитасындағы қиындылардың бөлшектерінен материалды абляциялап, олардың орбиталарын өзгертіп, қайтадан атмосфераға енуіне себеп болады. Алабама университетінің Хантсвиллдегі Ұйымдық зерттеу орталығы АЛП-ді зерттеді.
Импульстік плазмалық қозғалтқыш
Газда немесе газбен қоршалған қатты бетте шоғырланған жоғары энергиялы импульс газдың (әдетте ауаның) ыдырауын тудырады. Бұл лазерлік энергияны соққы фронтында сіңіретін, кеңейіп жатқан соққы толқынын құрайды (лазерлік тұрақты детонациялық толқын немесе LSD толқыны); импульс барысында және одан кейін соққы фронтының артындағы ыстық плазманың кеңеюі кемеге қозғалыс импульсін жеткізеді. Жұмыс сұйықтығы ретінде ауаны пайдаланатын импульстік плазмалық жылжыту – ауамен тыныс алатын лазерлік жылжытудың ең қарапайым түрі. РПИ (Ренсселер политехникалық институты) және Фрэнк Мид жасаған рекордтық жеңіл ұшу аппараты осы принцип бойынша жұмыс істейді. Пулстік плазмалық жылжытудың тағы бір тұжырымын профессор Хидэюки Хорисава зерттеп жатыр.
CW плазмалық қозғалтқышы
Ағып жатқан газ ағынына шоғырланған үздіксіз лазер сәулесі газды қыздыратын тұрақты лазерлік плазма жасайды; қызған газ содан кейін итеру күшін алу үшін дәстүрлі сопло арқылы кеңейтіледі. Плазма қозғалтқыш қабырғаларына жанаспайтындықтан, газ ядролық-жылулық қозғалтқыштардағыдай, өте жоғары температураға жетеді. Дегенмен, жоғары нақты импульсқа қол жеткізу үшін отынның молекулалық массасы төмен болуы керек; сутегі, әдетте, қолдануда шамамен 1000 секундтық нақты импульспен қарастырылады. Ұздіксіз толқынды (CW) плазмалық қозғалтқыштың кемшілігі – лазер сәулесін сіңіру камерасына, терезе арқылы немесе арнайы пішінделген соплоны пайдаланып, дәл шоғырландыру қажеттігінде. 1970 және 1980 жылдары CW плазмалық қозғалтқыштар бойынша эксперименттер жүргізілді, оларды негізінен UTSI-дің Деннис Кифер және Иллинойс университетінің профессоры Герман Криер атқарды.
Пелеттік сәулелі қозғалтқыш
Бұл ұсынысқа екі ғарыш кемесі қажет: біреуі саяхатқа шығады, екіншісі Жер орбитасында болып, алғашқысын итереді. Екінші ғарыш кемесі біріншісіне мыңдаған металл дөңгелектерін атып жібереді. Ол бірінші ғарыш кемесіне лазер сәулесін бағыттайды немесе Жерден лазер сәулесін бірінші ғарыш кемесіне келтіреді. Лазер әр дөңгелектен материалдың бір бөлігін буландырып, оларды жоғары жылдамдықпен (>120 км/с) итеру арқылы ғарыш кемесіне күш береді. Бұл әдіс ғарыш кемесіне бір жылдан кем уақытта сыртқы планеталарға, 3 жылда Күннен 100 АЕ қашықтыққа және 15 жылда Күннің гравитациялық линзасына жетуге мүмкіндік береді. Бұған қоса, ол басқа ұсынылған қозғалтқыштарға қарағанда ауыр ғарыш кемелерін (шамамен 1 тонна массасы бар) жылдамдата алады.
Лазерлік электрлік қозғалтқыш
Лазерлік сәуле қуаты электр энергиясына айналатын және одан кейін түрлі электрлік қозғалтқыштарды қуаттандыратын қозғалтқыш техникаларының жалпы класы. 2,25 кВт лазермен (қалыпты жұмыс тогының жартысынан кем қуатпен) зарядталған кішкентай квадрокоптер 12 сағат 26 минут бойы ұшқан, ал 170 ватттық фотоэлектрлік панельдер қуатты қабылдағыш ретінде қолданылған. Лазердің ұшқышсыз әуе көлігінің батареясын 48 сағат бойы ұшу кезінде зарядтауы көрсетілді. Ғарыш кемелері үшін лазерлік электрлік қозғалтқыш, ғарышта төмен итермелі қозғалтқыш жүйесі ретінде күн электрлік немесе ядролық электрлік қозғалтқыштармен бәсекелеседі. Дегенмен, Лейк Мирабо лазерлік энергияны электр энергиясына айналдыру үшін магнитогидродинамиканы пайдаланып, жоғары итермелі лазерлік электрлік қозғалтқышты ұсынды, сондай-ақ көліктің айналасындағы ауаны электрлік түрде жылдамдату арқылы итерме жасау мүмкіндігін қарастырды.