Propulsione laser - Laser propulsion

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Propulsione laser è una forma di propulsione a fascio dove la fonte di energia è remota (di solito a terra) laser sistema e separato dalla massa di reazione. Questa forma di propulsione è diversa da una sostanza chimica convenzionale razzo dove sia l'energia che la massa di reazione provengono dal solido o dal liquido propellenti trasportati a bordo del veicolo.

Un sistema di propulsione dello scambiatore di calore a lancio laser

Storia

I concetti di base alla base di un sistema di propulsione a "vela" a propulsione con fotoni sono stati sviluppati da Eugene Sanger e il fisico ungherese György Marx. I concetti di propulsione che utilizzano razzi energizzati al laser sono stati sviluppati da Arthur Kantrowitz e Wolfgang Moekel negli anni '70.[1] Un'esposizione delle idee di propulsione laser di Kantrowitz è stata pubblicata nel 1988.[2]

I sistemi di propulsione laser possono trasferirsi quantità di moto a un veicolo spaziale in due modi diversi. Il primo modo usa fotone pressione di radiazione per guidare il trasferimento della quantità di moto ed è il principio alla base vele solari e vele laser. Il secondo metodo utilizza il laser per aiutare a espellere la massa dal veicolo spaziale come in un razzo convenzionale. Questo è il metodo proposto più frequentemente, ma è fondamentalmente limitato nelle velocità finali del veicolo spaziale dal equazione del razzo.

Vela luminosa spinto dal laser

Le vele laser-spinte sono esempi di propulsione a fascio.

Vela luminosa spinto dal laser

Una vela luminosa spinta dal laser è una sottile vela riflettente simile a una vela vela solare, in cui la vela viene spinta da un laser, anziché dal sole. Il vantaggio della propulsione a vela leggera è che il veicolo non trasporta né la fonte di energia né la massa di reazione per la propulsione, e quindi i limiti del Equazione del razzo di Tsiolkovsky si evitano velocità elevate. L'uso di una vela leggera spinta dal laser fu inizialmente proposto da Marx nel 1966,[3] come metodo di Viaggio interstellare che eviterebbe estremamente alto rapporti di massa non trasportando carburante e analizzato in dettaglio dal fisico Robert L. Forward nel 1989.[4] Un'ulteriore analisi del concetto è stata effettuata da Landis,[5][6] Mallove e Matloff,[7] Andrews[8] e altri.

La trave deve avere un diametro grande in modo che solo una piccola porzione della trave perda la vela a causa di diffrazione e l'antenna laser o microonde deve avere una buona stabilità di puntamento in modo che l'imbarcazione possa inclinare le vele abbastanza velocemente da seguire il centro del raggio. Questo diventa più importante quando si va da viaggi interplanetari per viaggio interstellaree quando si passa da una missione in volo, a una missione di atterraggio, a una missione di ritorno. Il laser può in alternativa essere un grande array a fasi di piccoli dispositivi, che traggono la loro energia direttamente dalla radiazione solare.

La vela spinta dal laser viene proposta come metodo per azionare una piccola sonda interstellare da parte del Starshot rivoluzionario progetto.

Un altro metodo per spostare un veicolo spaziale molto più grande ad alte velocità è usare un sistema laser per spingere un flusso di vele molto più piccole. Ogni mini vela alternativa è rallentata da un laser del sistema di casa in modo che si scontrino a velocità ionizzanti. Le collisioni ionizzanti potrebbero quindi essere utilizzate per interagire con un potente campo magnetico sul veicolo spaziale per fornire una forza per alimentarlo e spostarlo. Un'estensione dell'idea è di avere materiali nucleari sulle mini vele che subiscono la fissione o la fusione per fornire una forza molto più potente ma le velocità di collisione dovrebbero essere molto più elevate.

Riciclaggio di fotoni

Metzgar e Landis hanno proposto una variante sulla vela spinta dal laser, in cui i fotoni riflessi dalla vela vengono riutilizzati riflettendoli sulla vela da uno specchio fisso; una "vela laser multi-rimbalzo".[9] Ciò amplifica la forza prodotta riciclando i fotoni, risultando in una forza notevolmente maggiore prodotta dalla stessa potenza del laser. Esiste anche una configurazione a vela fotonica multi-rimbalzo che utilizza una grande lente di Fresnel attorno a un sistema di generazione laser. In questa configurazione il laser fa brillare una sonda a vela accelerandola verso l'esterno che viene poi riflessa indietro attraverso la lente di Fresnel per essere riflessa da una sonda riflettore più grande e più massiccia che va nell'altra direzione. La luce laser viene riflessa avanti e indietro molte volte migliorando la forza trasmessa, ma soprattutto consente all'obiettivo grande di rimanere in una posizione più stabile poiché non è fortemente influenzato dalla quantità di moto delle luci laser.

Una cavità ottica consente un maggiore riutilizzo dei fotoni, ma mantenere il raggio nella cavità diventa molto più difficile. Una cavità ottica può essere realizzata con due specchi ad alta riflettanza, formando a Cavità di risonanza ottica Fabry – Pérot in cui qualsiasi piccolo movimento degli specchi distruggerebbe la condizione di risonanza e la spinta fotonica nulla. Tali cavità ottiche vengono utilizzate per il rilevamento delle onde gravitazionali come in LIGO, per la loro estrema sensibilità al movimento dello specchio. Bae originariamente proposto[10] per utilizzare il riciclo di fotoni da utilizzare in un volo in formazione con precisione nanometrica di satelliti per questo motivo. Bae, tuttavia, ha scoperto[11] che in una cavità ottica attiva formata da due specchi ad alta riflettanza e un mezzo di guadagno laser intermedio, simile alla tipica cavità laser, il riciclo di fotoni diventa meno sensibile al movimento degli specchi. Bae ha chiamato il propulsore laser basato sul riciclo di fotoni in una cavità ottica attiva Photonic Laser Thruster (PLT).[12] Nel 2015 il suo team ha dimostrato il numero di riciclo di fotoni fino a 1.540 su una distanza di pochi metri e spinte fotoniche fino a 3,5 mN con l'uso di un sistema laser da 500 W. In una dimostrazione di laboratorio,[13] un Cubesat (0,75 kg di peso) è stato spinto con PLT.[14]

Razzo energizzato dal laser

Esistono diverse forme di propulsione laser in cui il laser viene utilizzato come fonte di energia per fornire lo slancio al propellente trasportato a bordo del razzo. L'uso di un laser come fonte di energia significa che l'energia fornita al propellente non è limitata dall'energia chimica del propellente.

Razzo termico laser

Il razzo termico laser (propulsore dello scambiatore di calore (HX)) è un razzo termico in cui il propellente viene riscaldato dall'energia fornita da un raggio laser esterno.[15][16] Il fascio riscalda uno scambiatore di calore solido, che a sua volta riscalda un propellente liquido inerte, convertendolo in gas caldo che viene scaricato attraverso un ugello convenzionale. Questo è simile in linea di principio a termico nucleare e solare termico propulsione. L'utilizzo di uno scambiatore di calore piatto di grandi dimensioni consente al raggio laser di brillare direttamente sullo scambiatore di calore senza concentrare l'ottica sul veicolo. Il propulsore HX ha il vantaggio di funzionare ugualmente bene con qualsiasi lunghezza d'onda laser e sia laser CW che pulsati, e di avere un'efficienza che si avvicina al 100%. Il propulsore HX è limitato dal materiale dello scambiatore di calore e dalle perdite radiative a temperature del gas relativamente basse, tipicamente 1000-2000 C.Per una data temperatura, l'impulso specifico è massimizzato con la massa di reazione del peso molecolare minimo e con il propellente idrogeno, che fornisce un impulso specifico sufficiente fino a 600-800 secondi, abbastanza alto in linea di principio da consentire ai veicoli a stadio singolo di raggiungere l'orbita terrestre bassa. Il concetto di propulsore laser HX è stato sviluppato da Jordin Kare nel 1991;[17] un simile concetto di propulsione termica a microonde è stato sviluppato indipendentemente da Kevin L. Parkin a Caltech nel 2001.

Una variazione di questo concetto è stata proposta dal Prof. John Sinko e dal Dr. Clifford Schlecht come concetto di sicurezza ridondante per le risorse in orbita.[18] Pacchetti di propellenti chiusi sono attaccati all'esterno di una tuta spaziale e i canali di scarico corrono da ciascun pacchetto al lato più lontano dell'astronauta o dello strumento. Un raggio laser proveniente da una stazione spaziale o da una navetta vaporizza il propellente all'interno dei pacchetti. Lo scarico è diretto dietro l'astronauta o lo strumento, tirando il bersaglio verso la sorgente laser. Per frenare l'avvicinamento, una seconda lunghezza d'onda viene utilizzata per ablare l'esterno dei pacchetti di propellente sul lato vicino.

Propulsione laser ablativa

La propulsione laser ablativa (ALP) è una forma di propulsione a fascio in cui pulsava un esterno laser è usato per bruciare un file plasma pennacchio da un metallo solido propellente, producendo così spinta.[19] Il misurato impulso specifico delle piccole configurazioni ALP è molto alta a circa 5000 s (49 kN · s / kg) e, a differenza del lightcraft sviluppato da Leik Myrabo che utilizza l'aria come propellente, ALP può essere utilizzato nello spazio.

Il materiale viene rimosso direttamente da una superficie solida o liquida ad alta velocità da ablazione laser da un laser pulsato. A seconda del laser flusso e la durata dell'impulso, il materiale può essere semplicemente riscaldato ed evaporato o convertito in plasma. La propulsione ablativa funzionerà nell'aria o nel vuoto. Impulso specifico sono possibili valori da 200 secondi a diverse migliaia di secondi scegliendo le caratteristiche del propellente e dell'impulso laser. Le varianti della propulsione ablativa includono la propulsione a doppio impulso in cui un impulso laser ablazione il materiale e un secondo impulso laser riscalda ulteriormente il gas ablato, micropropulsione laser in cui un piccolo laser a bordo di un veicolo spaziale ablazione quantità molto piccole di propellente controllo dell'atteggiamento o manovrare, e detriti spaziali rimozione, in cui il laser rimuove il materiale dalle particelle di detriti in orbita terrestre bassa, cambiando le loro orbite e facendoli rientrare.

Università dell'Alabama Huntsville Centro di ricerca sulla propulsione[20] ha studiato ALP.[21]

Propulsione al plasma pulsato

Un impulso ad alta energia focalizzato in un gas o su una superficie solida circondata da gas produce la ripartizione del gas (solitamente aria). Ciò provoca un'onda d'urto in espansione che assorbe l'energia laser sul fronte dell'urto (un'onda di detonazione sostenuta dal laser o un'onda di LSD); espansione del plasma caldo dietro il fronte d'urto durante e dopo che l'impulso trasmette lo slancio al velivolo. La propulsione al plasma pulsato che utilizza l'aria come fluido di lavoro è la forma più semplice di propulsione laser a respirazione d'aria. Il record lightcraft, sviluppato da Leik Myrabo di RPI (Rensselaer Polytechnic Institute) e Frank Mead, funziona su questo principio.

Un altro concetto di propulsione al plasma pulsato è allo studio del Prof. Hideyuki Horisawa.[22]

Propulsione al plasma in CW

Un raggio laser continuo focalizzato in un flusso di gas che scorre crea un plasma stabile sostenuto dal laser che riscalda il gas; il gas caldo viene quindi espanso attraverso un ugello convenzionale per produrre spinta. Poiché il plasma non tocca le pareti del motore, sono possibili temperature del gas molto elevate, come in nucleo di gas nucleare termico propulsione. Tuttavia, per ottenere alti impulso specifico, il propellente deve avere un basso peso molecolare; idrogeno di solito si presume per l'uso effettivo, a impulsi specifici intorno a 1.000 secondi. La propulsione al plasma CW ha lo svantaggio che il raggio laser deve essere focalizzato con precisione nella camera di assorbimento, tramite una finestra o utilizzando un ugello di forma speciale. Gli esperimenti con propulsori al plasma CW furono eseguiti negli anni '70 e '80, principalmente dal Dr. Dennis Keefer di UTSI e il Prof. Herman Krier del Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.

Propulsione elettrica laser

Una classe generale di tecniche di propulsione in cui la potenza del raggio laser viene convertita in elettricità, che quindi alimenta un certo tipo di propulsione elettrica propulsore.

Un piccolo quadricottero ha volato per 12 ore e 26 minuti caricato da un laser da 2,25 kW (alimentato a meno della metà della sua normale corrente di funzionamento), utilizzando 170 watt array fotovoltaici come il ricevitore di potenza,[23] ed è stato dimostrato che un laser carica il batterie di un veicolo aereo senza pilota in volo per 48 ore.[24]

Per i veicoli spaziali, la propulsione elettrica laser è considerata un concorrente solare elettrico o nucleare elettrico propulsione per propulsione a bassa spinta nello spazio. Tuttavia, Leik Myrabo ha proposto la propulsione elettrica laser ad alta spinta, utilizzando magnetoidrodinamica per convertire l'energia laser in elettricità e per accelerare elettricamente l'aria intorno a un veicolo per la spinta.

Guarda anche

Riferimenti

  1. ^ Michaelis, MM e Forbes, A. 2006. Propulsione laser: una revisione. Giornale della scienza sudafricano, 102(7/8), 289-295
  2. ^ A. Kantrowitz, in Atti della Conferenza Internazionale sui Lasers '87, F. J. Duarte, Ed. (STS Press, Mc Lean, VA, 1988).
  3. ^ G. Marx, "Veicolo interstellare azionato da raggio laser", Natura, vol. 211, Luglio 1966, pp. 22-23.
  4. ^ R. L. Forward, "Viaggio interstellare di andata e ritorno con vele luminose spinte dal laser", J. Spacecraft and Rockets, vol. 21, pp 187-195 (marzo-aprile 1989)
  5. ^ G. A. Landis, "Optics and Materials Considerations for a Laser-Propelled Lightsail", paper IAA-89-664 (testo)
  6. ^ G. A. Landis, "Piccola sonda interstellare a vela di luce laser: uno studio delle variazioni dei parametri", J. British Interplanetary Society, Vol. 50, No. 4, pagg. 149-154 (1997); Documento IAA-95-4.1.1.02,
  7. ^ Eugene Mallove e Gregory Matloff (1989). Il manuale di Starflight. John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-61912-3.
  8. ^ D. G. Andrews, "Cost Considerations for Interstellar Missions," paper IAA-93-706
  9. ^ R. A. Metzger e G. A. Landis, "Multi-Bounce Laser-Based Sails", Conferenza STAIF sulla tecnologia di esplorazione spaziale, Albuquerque NM, 11-15 febbraio 2001. Conf. AIP Proc. 552, 397. doi:10.1063/1.1357953
  10. ^ Bae, Young (2007-09-18). "Photon Tether Formation Flight (PTFF) per architetture spaziali distribuite e frazionate". Convegno ed Esposizione AIAA SPACE 2007. Reston, Virginia: Istituto americano di aeronautica e astronautica. doi:10.2514/6.2007-6084. ISBN 9781624100161. Mancante o vuoto | titolo = (Aiuto)
  11. ^ Bae, Young K. (2008). "Propulsione laser fotonica: dimostrazione del concetto". Journal of Spacecraft and Rockets. 45 (1): 153–155. doi:10.2514/1.32284. ISSN 0022-4650.
  12. ^ Bae, Young (2007-09-18). "Propulsione laser fotonica (PLP): Propulsione fotonica utilizzando una cavità ottica risonante attiva". Convegno ed Esposizione AIAA SPACE 2007. Reston, Virginia: Istituto americano di aeronautica e astronautica. doi:10.2514/6.2007-6131. ISBN 9781624100161. Mancante o vuoto | titolo = (Aiuto)
  13. ^ video Youtube
  14. ^ Bae, Young (2016). "Dimostrazione di un propulsore laser fotonico di classe mN". Sportello di ricerca. Conferenza internazionale sull'ablazione laser ad alta potenza e sull'energia diretta. Recuperato 2018-11-22.
  15. ^ H. Krier e R. J. Glumb. "Concetti e stato della propulsione a razzo supportata da laser", Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 21, n. 1 (1984), pagg. 70-79.https://dx.doi.org/10.2514/3.8610
  16. ^ "Propulsione termica laser". Propulsione in orbita e manovra: stato e necessità della ricerca. 1984. pagg. 129–148. doi:10.2514/5.9781600865633.0129.0148. ISBN 978-0-915928-82-8.
  17. ^ [1] Archiviato 24 luglio 2011, presso il Wayback Machine
  18. ^ "I 'raggi traenti' del laser potrebbero travolgere gli astronauti perduti".
  19. ^ "Claude AIP 2010" (PDF).
  20. ^ "UAH Propulsion Research Center". Recuperato 18 marzo 2014.
  21. ^ Grant Bergstue; Richard L. Fork (2011). "Energia irradiata per la propulsione ablativa nello spazio vicino alla Terra" (PDF). Federazione Astronautica Internazionale. Archiviato da l'originale (PDF) il 18 marzo 2014. Recuperato 18 marzo 2014. Cite journal richiede | journal = (Aiuto)
  22. ^ "Copia archiviata". Archiviato da l'originale il 07/02/2017. Recuperato 2017-02-06.Manutenzione CS1: copia archiviata come titolo (collegamento)
  23. ^ Kare / Nugent et al. "Hover di 12 ore: dimostrazione di volo di un quadricottero alimentato a laser" Archiviato 2013-05-14 presso il Wayback Machine LaserMotive, Aprile 2010. Estratto: 12 luglio 2012.
  24. ^ "Il laser alimenta gli UAS Stalker di Lockheed Martin per 48 ore" Notizie SUAS, 11 luglio 2012. Estratto: 12 luglio 2012.

link esterno

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