Введение

Лазерная тяга — это вид беcпилотной энергетической двигательной установки, в которой источником энергии является удаленная (обычно наземная) лазерная система, отделенная от рабочего тела. Этот вид тяги отличается от традиционной химической ракеты, где как энергия, так и рабочее тело поступают из твердого или жидкого топлива, перевозимого на борту аппарата.

История

Основные концепции, лежащие в основе фотонного "парусного" двигателя, были разработаны Юджином Сангером и венгерским физиком Дьёрдем Марксом. Концепции движения с использованием ракет, работающих на лазерной энергии, были разработаны в 1970-х годах Артуром Кантровицем и Вольфгангом Мёкелем, а вариант с использованием лазерной абляции был разработан Лейком Мирабо. Изложение идей Кантровица о лазерном движении было опубликовано в 1988 году. Лазерные двигательные системы могут передавать импульс космическому аппарату двумя различными способами. Первый способ использует давление излучения фотонов для передачи импульса и лежит в основе принципа действия солнечных и лазерных парусов. Второй метод использует лазер для помощи в выбросе массы из космического аппарата, как в обычной ракете. Таким образом, первый способ использует лазер и для получения энергии, и в качестве реактивной массы, в то время как второй использует лазер только для получения энергии, но требует наличия реактивной массы. Следовательно, второй способ принципиально ограничен конечной скоростью космического аппарата ракетным уравнением.

Лазерно-двигаемые световые паруса

Лазерный световой парус – это тонкий отражающий парус, аналогичный солнечному парусу, в котором парус разгоняется лазером, а не солнцем. Преимущество светового парусного движения заключается в том, что аппарат не несет ни источника энергии, ни рабочего тела для создания тяги, и, следовательно, удается избежать ограничений ракетного уравнения Циолковского при достижении высоких скоростей. Использование лазерного светового паруса было впервые предложено Марксом в 1966 году как способ межзвездных путешествий, позволяющий избежать крайне высоких массовых соотношений за счет отсутствия необходимости в топливе, и детально проанализировано физиком Робертом Л. Форвардом в 1989 году. Дальнейшие исследования концепции проводились Лэндисом, Маллоувом и Матлоффом, Эндрюсом и другими учеными. Для минимизации потерь из-за дифракции требуется лазерный луч большого диаметра, а космическому аппарату необходима высокая точность стабилизации ориентации, чтобы он мог достаточно быстро наклонять парус и оставаться в центре луча. Эти требования становятся все более важными с ростом сложности миссии, например, при переходе от межпланетных к межзвездным полетам, а также от миссий пролета к односторонним посадочным миссиям и, наконец, к возвращаемым миссиям. Лазер может быть реализован в виде большого фазированного массива небольших устройств, получающих энергию непосредственно от солнечного излучения. Проект Breakthrough Starshot предлагает использовать лазерный световой парус для разгона небольшого межзвездного зонда. Другой способ перемещения более крупного космического аппарата на высоких скоростях – использование лазерной системы для разгона потока гораздо меньших парусов. Каждый из этих мини-парусов замедляется лазером из стартовой системы, чтобы обеспечить столкновение на ионизирующих скоростях. Энергия, высвобождаемая при ионизирующих столкновениях, может быть использована для взаимодействия с мощным магнитным полем на борту аппарата, создавая силу для его питания и движения. Дальнейшее развитие этой идеи предполагает использование ядерных материалов на мини-парусах. Эти материалы будут подвергаться делению или синтезу, значительно увеличивая величину передаваемой силы. Однако для реализации этого подхода потребуются гораздо более высокие скорости столкновения по сравнению с неядерными вариантами.

Переработка фотонов

Метцгар и Ландис предложили вариант лазерного паруса, в котором фотоны, отраженные от паруса, повторно используются путем отражения их обратно на парус стационарным зеркалом, создавая так называемый "парус на основе многократного отражения лазерного луча". Это усиливает создаваемую силу за счет рециркуляции фотонов, что приводит к значительно большему усилию при той же мощности лазера. Существует также конфигурация многократно отражающего фотонного паруса, использующая большую линзу Френеля вокруг лазерной системы. В этой конфигурации лазер направляет свет на зондовый парус, ускоряя его, после чего свет отражается обратно через линзу Френеля на более крупный и массивный отражающий зонд, движущийся в противоположном направлении. Лазерный свет многократно отражается вперед и назад, улучшая передаваемую силу, и, что важно, позволяет большой линзе оставаться в более стабильном положении, поскольку на нее слабо влияет импульс лазерного света. Оптический резонатор позволяет более эффективно использовать фотоны, однако удержание луча в резонаторе становится гораздо сложнее. Оптический резонатор можно создать с помощью двух зеркал с высокой отражающей способностью, формируя оптический резонансный резонатор Фабри-Перо, в котором любое незначительное смещение зеркал разрушит условия резонанса и приведет к отсутствию фотонного тягового усилия. Такие оптические резонаторы используются для обнаружения гравитационных волн, как в LIGO, благодаря их чрезвычайной чувствительности к смещению зеркал. Бэй изначально предложил использовать рециркуляцию фотонов для обеспечения нанометровой точности формирования строя спутников. Однако Бэй обнаружил, что в активном оптическом резонаторе, образованном двумя зеркалами с высокой отражающей способностью и лазерной средой между ними, аналогичном типичному лазерному резонатору, рециркуляция фотонов становится менее чувствительной к смещению зеркал. Бэй назвал лазерный двигатель, основанный на рециркуляции фотонов в активном оптическом резонаторе, Photonic Laser Thruster (PLT). В 2015 году его команда продемонстрировала рециркуляцию до 1540 фотонов на расстоянии нескольких метров и фотонное тяговое усилие до 3,5 мН с использованием лазерной системы мощностью 500 Вт. В лабораторных условиях с помощью PLT был осуществлен запуск Cubesat (весом 0,75 кг).

Ракета с лазерной энергией

Существует несколько форм лазерного двигательного комплекса, в которых лазер используется как источник энергии для передачи импульса рабочему телу, находящемуся на борту ракеты. Использование лазера в качестве источника энергии означает, что энергия, передаваемая рабочему телу, не ограничена химической энергией самого рабочего тела.

Лазерная тепловая ракета

Лазерная тепловая ракета (двигатель теплообменника (HX)) – это тепловая ракета, в которой рабочее тело нагревается энергией, поставляемой внешним лазерным лучом. Луч нагревает твердый теплообменник, который, в свою очередь, нагревает инертное жидкое топливо, превращая его в горячий газ, который выбрасывается через обычное сопло. Это аналогично ядерной тепловой и солнечной тепловой двигательным установкам. Использование большого плоского теплообменника позволяет лазерному лучу направляться непосредственно на теплообменник без фокусирующей оптики на аппарате. Двигатель HX имеет преимущество в том, что он одинаково эффективно работает с любой длиной волны лазера и как с непрерывными, так и с импульсными лазерами, а также обладает эффективностью, приближающейся к 100%. Двигатель HX ограничен материалом теплообменника и радиационными потерями, что приводит к относительно низким температурам газа, обычно 1000–2000 °C. При заданной температуре удельный импульс максимизируется при использовании рабочего тела с минимальной молекулярной массой, и с водородным топливом это обеспечивает достаточный удельный импульс в диапазоне 600–800 секунд, что достаточно для достижения низкой околоземной орбиты одноступенчатыми аппаратами. Концепция лазерного двигателя HX была разработана Джордином Каре в 1991 году; аналогичная концепция микроволнового теплового движения была независимо разработана Кевином Л. Паркином в Калифорнийском технологическом институте в 2001 году. Вариант этой концепции был предложен профессором Джоном Синко и доктором Клиффордом Шлехтом в качестве резервной системы безопасности для аппаратов на орбите. Герметичные контейнеры с топливом крепятся к внешней стороне скафандра, а выхлопные каналы ведут от каждого контейнера к противоположной стороне астронавта или инструмента. Лазерный луч с космической станции или шаттла испаряет топливо внутри контейнеров. Выхлоп направляется за астронавта или инструмент, притягивая объект к источнику лазера. Для торможения сближения используется вторая длина волны для абляции внешней поверхности контейнеров с топливом на ближней стороне. В 2022 году исследователи из Университета Макгилла опубликовали статью, предлагающую использовать систему лазерного теплового движения для отправки космического корабля на Марс за 45 дней. Одним из основных преимуществ использования предлагаемой системы лазерного теплового движения для отправки космического корабля на Марс является снижение воздействия космических лучей на астронавтов за счет сокращения времени перелета за пределами магнитосферы Земли.

Ракета-зеркало

В этой конструкции линза и/или параболическое зеркало фокусируют лазерный свет в небольшое отверстие в зеркале, ведущее в трубку с высокоотражающей внутренней поверхностью и полностью открытым противоположным концом. Фазированный лазерный массив посылает импульсы с Земли на космический аппарат, где лазерный свет фокусируется в трубку на ожидающий подвижный зеркальный диск, который служит реактивной массой. Импульс лазерного света задерживается внутри трубки, многократно отражаясь и ускоряя зеркальный диск до очень высокой скорости. После выключения лазерного импульса зеркала перемещаются в положение внутри трубки из магазинов, расположенных по бокам аппарата. Эти небольшие высокоотражающие зеркала способны выдерживать ускорения в миллионы g, а скорости на коротких дистанциях могут достигать десятков километров в секунду, обеспечивая удельные импульсы в тысячах. Например, если зеркальный диск ускоряется на протяжении 10 м при ускорении 2 миллиона g, он достигнет скорости 20 км/с на выходе, что более чем в четыре раза превышает скорость истечения газов водородно-кислородного ракетного двигателя, составляющую около 4,5 км/с. Сравнение удельных импульсов водородно-кислородных двигателей космического шаттла (удельный импульс 453) и приведенного выше примера показывает, что удельный импульс зеркальной ракеты составляет 2034, что является значительным улучшением. Точное управление дисками позволит увеличить продолжительность ускорения и, следовательно, достичь более высоких выходных скоростей. Джордин Каре рассчитал, что теоретически эти зеркальные диски можно разогнать до 32 миллионов g, однако это будет на пределе прочности любого материала и может привести к полному разрушению. Эта двигательная конструкция может применяться на космических аппаратах, выходящих непосредственно с околоземной орбиты или приближающихся к Земле, например, при возвращении по эллиптической траектории.

Аблативный лазерный двигатель

Аблативный лазерный двигатель (ALP) — это форма беcпроводной двигательной установки, в которой внешний импульсный лазер используется для создания плазменного шлейфа путём абляции твёрдого металлического топлива, что обеспечивает создание тяги. Измеренный удельный импульс небольших установок ALP очень высок – около 5000 с (49 кН·с/кг), и в отличие от аппарата, разработанного Лейком Мирабо, использующего воздух в качестве рабочего тела, ALP может применяться в космосе. Материал удаляется непосредственно с твёрдой или жидкой поверхности на высоких скоростях посредством лазерной абляции импульсным лазером. В зависимости от лазерного потока и длительности импульса, материал может просто нагреваться и испаряться или переходить в состояние плазмы. Аблятивный двигатель работоспособен как в атмосфере, так и в вакууме. Выбор рабочего тела и характеристик лазерного импульса позволяет достигать значений удельного импульса от 200 секунд до нескольких тысяч секунд. Вариации аблятивной двигательной установки включают двухимпульсную абляцию, при которой один лазерный импульс осуществляет абляцию материала, а второй дополнительно нагревает абляционный газ, лазерную микродвигательную установку, в которой небольшой лазер на борту космического аппарата абляциирует небольшие количества топлива для управления ориентацией или маневрирования, а также удаление космического мусора, при котором лазер абляциирует материал с частиц мусора на низкой околоземной орбите, изменяя их орбиты и вызывая их повторный вход в атмосферу. Центр исследований двигательных установок Университета Алабамы в Хантсвилле проводил исследования ALP.

Импульсная плазменная тяга

Высокоэнергетический импульс, сфокусированный в газе или на твердой поверхности, окруженной газом, вызывает пробой газа (обычно воздуха). Это порождает расширяющуюся ударную волну, которая поглощает энергию лазера на фронте ударной волны (лазер-поддерживаемая детонационная волна или LSD-волна); расширение горячей плазмы за фронтом ударной волны во время и после импульса передает импульс аппарату. Импульсная плазменная тяга, использующая воздух в качестве рабочего тела, является простейшей формой лазерной тяги с забором воздуха. Рекордный аппарат Lightcraft, разработанный Лейком Мирабо из РПИ (Политехнического института Ренсселера) и Фрэнком Мидом, работает по этому принципу. Другая концепция импульсной плазменной тяги исследуется профессором Хидэюки Хорисавой.

Плазменная тяга CW

Непрерывный лазерный луч, сфокусированный в потоке газа, создает устойчивую лазерно-поддерживаемую плазму, которая нагревает газ; нагретый газ затем расширяется через обычное сопло для создания тяги. Поскольку плазма не контактирует со стенками двигателя, возможны очень высокие температуры газа, как в ядерно-тепловом двигателе с газовым сердечником. Однако для достижения высокого удельного импульса рабочее тело должно иметь низкую молекулярную массу; водород обычно рассматривается как рабочее тело для практического применения, обеспечивающее удельные импульсы около 1000 секунд. Недостатком плазменного двигателя непрерывного действия (CW) является необходимость точной фокусировки лазерного луча в камеру поглощения либо через окно, либо с помощью специально профилированного сопла. Эксперименты с плазменными двигателями CW проводились в 1970-х и 1980-х годах, в основном доктором Деннисом Кифером из UTSI и профессором Германом Криером из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн.

Двигатель с пеллетным лучом

Это предложение потребует два космических аппарата: один для путешествия и другой на околоземной орбите для разгона первого. Второй космический аппарат будет выпускать тысячи металлических гранул в направлении первого. Он либо будет обстреливать первый аппарат лазером, либо наводить лазер с Земли на первый аппарат. Лазер будет абляционно удалять материал с каждой гранулы, разгоняя их до высоких скоростей (более 120 км/с) для создания тяги. Этот метод может позволить космическому аппарату достичь внешних планет менее чем за год, 100 а.е. от Солнца за 3 года и солнечной гравитационной линзы за 15 лет. Он также сможет разгонять более тяжелые аппараты, чем это возможно с использованием других двигательных установок (до 1 тонны массы).

Лазерная электрическая тяга

Общий класс двигательных технологий, в которых мощность лазерного луча преобразуется в электричество, которое затем питает тот или иной тип электрического ракетного двигателя. Небольшой квадрокоптер совершил 12-часовой 26-минутный полет, заряжаясь от лазера мощностью 2,25 кВт (работающего менее чем на половине своего нормального рабочего тока), используя фотоэлектрические панели мощностью 170 Вт в качестве приемника энергии, и был продемонстрирован лазер, способный заряжать батареи беспилотного летательного аппарата непосредственно в полете в течение 48 часов. Для космических аппаратов лазерная электрическая тяга рассматривается как конкурент солнечной или ядерной электрической тяги для двигателей с малой тягой в космосе. Однако Лейк Мирабо предложил высокотяговую лазерную электрическую двигательную установку, использующую магнитогидродинамику для преобразования лазерной энергии в электричество и электрического ускорения воздуха вокруг аппарата для создания тяги.