Тема: Оптический пробой

[screwfeeder]

Здравствуйте.

Интересуюсь ракетными двигателями на лазерном "ходу". А точнее интересует экспериментальное получение зависимости тяги и удельного импульса от мощности лазерной установки. В принципе, в открытых источниках можно отыскать требуемые числа тяги и импульса полученные экспериментальным образом, к примеру http://www.niioep.ru/pages/n-r-pr-lhrd.html. Но есть одно "но", в этих экспериментах геометрия двигателя статична, то есть нельзя проварьировать геометрическими параметрами, например, критическим сечением камеры, а геометрические параметры меня особенно интересуют.
Поэтому вопрос вот какой, подскажите как можно получить минимальный (с точки зрения финансов) оптический пробой.

Спасибо.

П.С. Я, увы, с паяльником на "Вы", так как скорей "железянщик", так что готовые промышленные решения мне больше подойдут.

[Gall]

Если двигатель работает на тяге, создаваемой потоком газов, нагретых лазером в пробое, тогда все будет строиться просто на законе сохранения энергии. Принцип действия ничем не отличается от нагревания газа, скажем, простой нихромовой спиралью. Единственное отличие - длительность импульса.

Пробой можно создать любым коротким импульсом. Но до реактивной тяги тут очень далеко, потому что большой лабораторный лазер энергии даст меньше, чем надутый ртом воздушный шарик. Типичная энергия одного импульса - от 100 мДж до нескольких Дж.

[Gall]

По ссылке получили мощность двигателя 7.5 Вт, для этого пришлось вжарить в него 5 кВт непрерывного лазера. КПД самого лазера был в лучшем случае 50%, получается, из 10 кВт энергии 7.5 Вт полезной работы. КПД 0.075%, то есть. Хм... Может быть выгоднее топить дровами?

[screwfeeder]

Уважаемый Gall, спасибо за ответ. Понимаю Ваш скепсис, но все - таки хотелось бы в живую
померить тягу от двигателей различной конфигурации.

Понимаю что модели двигателей должны быть массой в несколько грамм. Так же понимаю что значения тяги будут малы, даже скорей всего просто мизерны, но остается надеяться что качественная картина эксперимента будет более-менее достоверна и на ее основе можно будет строить предположения о больших мощностях лазера и размерах двигателя.

На просторах форума наткнулся на дальномер SSY-1. Стоит ли смотреть в его сторону?

[Gall]

Уважаемый Gall, спасибо за ответ. Понимаю Ваш скепсис, но все - таки хотелось бы в живую
померить тягу от двигателей различной конфигурации.

Здесь тяга напрямую зависит от лазера. Закон сохранения энергии: сколько в луче лазера было, столько и на выходе двигателя получим. Беда в том, что лазеры в среднем мощность имеют достаточно маленькую (цена и вес лазера растут с мощностью очень быстро).

Типичные характеристики среднего лабораторного лазера - импульс 1 Дж, до 10 импульсов в секунду. То есть, средняя мощность 10 Вт. Если очень постараться, будет 100 Вт. Это однозначно определяет величину максимально достижимой в идеальных условиях тяги (при 100% КПД сопла и прочего): как у небольшого пылесоса. Такой лазер весит от 10 до 100 кг, ценник от 10 тысяч долларов.

На просторах форума наткнулся на дальномер SSY-1. Стоит ли смотреть в его сторону?

Этот лазер дает энергию в импульсе до 100 мДж и, если совсем издеваться и рисковать сжечь лазер, способен примерно на 1 импульс каждые 10 секунд. Это средняя мощность 10 милливатт. У комара тяга и то больше.

По ссылке лазер был 5-киловаттным. Это в полмиллиона раз мощнее, чем SSY-1, и в 50 раз мощнее, чем дорогой лабораторный лазер. Лазеры, способные на такую частоту импульсов в режиме пробоя, чтобы средняя мощность составила киловатты - это уже почти достаточно для управляемого термоядерного синтеза и сбивания крылатых ракет противника.

Непрерывные лазеры такую мощность, конечно, развивают (подключаются к сети 380 вольт и к водопроводу для охлаждения), но непрерывный лазер не может устроить пробой. Для пробоя требуется очень короткий (наносекунды) импульс очень высокой (гигаватт) мощности.

[screwfeeder]

Gall, спасибо большое за Ваш развернутый ответ. Такое отношение к новичкам очень импонирует
Я же, в свою очередь, уперся в слабое знание предметной области и поэтому взялся за учебники, так как есть желание докопаться до сути.

П. С. Gall, а Вы бы не могли прокомментировать вот этот механизм http://www.mbs10.ru/lis-25.html на предмет использования его не по прямому назначению   

[Gall]

Не за что!

На самом деле, в любом новом явлении имеет смысл в первую очередь вспоминать самые простые вещи: законы сохранения энергии, массы, импульса, заряда, формулу E=mc² и так далее. Через эти законы можно получить оптимистичную оценку ожидаемого эффекта. Реальность будет несколько хуже из-за потерь. Но во многих случаях именно оптимистичной оценки оказывается достаточно, чтобы определить минимальные технические требования и даже забраковать нерабочие идеи.

Пример. Сложная задача: какую энергию излучения может иметь данный лазер? Оценка сверху делается из простой бухгалтерии: в идеальном случае каждый атом рабочего тела лазера испустит по одному фотону. Достаточно посчитать общее количество атомов и умножить на энергию одного фотона. Атомы считаются только активные, например атомы неодима в неодимовом лазере (их примерно 1% от общей массы). Расчет делается как на уроке химии в школе, через молярные массы. Реальность будет в несколько раз хуже, потому что не все атомы удастся заставить работать.

Или более близкий пример: фотонная ракета. Принцип: создавать реактивную тягу пучком фотонов. Опять сложный расчет, но опять легкая оценка: тяга определяется просто законом сохранения импульса, точно так же, как и для обычной ракеты, выбрасывающей газы. Просто газ заменяется фотонами, а масса газа - массой фотонов. Масса фотона определяется из E=mc^2, и общую массу и энергию фотонов определить можно по той же формуле. В результате имеем, что в реакторе фотонной ракеты надо сжечь столько же ядерного топлива, сколько в обычной ракете сгорает обычного топлива, а значит, надо искать другой принцип. Например, получать энергию извне, от Солнца (солнечный парус).

http://www.mbs10.ru/lis-25.html

Энергия одного импульса 25 Дж. Частота импульсов не более 8 в секунду. Перемножая, опять же получаем среднюю мощность 200 Вт, то есть опять же средний бытовой пылесос мощнее.

С подобными лазерами можно будет обнаружить существование явления тяги от нагрева воздуха в пробоях, но вряд ли хватит мощности на движение хоть чего-нибудь более тяжелого, чем ракета из пищевой алюминиевой фольги.

[screwfeeder]

Gall, спасибо за ответ.

Во время обучения не было курса нелинейной оптики, поэтому осваиваю ее самостоятельно.
К сожалению, насколько мне хватило уже полученных знаний, понял, что получение качественного (в смысле количества плазмы) пробоя весьма затратная вещь. И с точки зрения энергии и с точки зрения техники. и все же... Поделитесь, пожалуйста, своими своим опытом и знанием на задачу получения энергии в импульсе 200 Дж с частотой, допустим, 5 Гц с минимальными финансовыми силами. Понимаю, что задача нетривиальная и сложная, но есть желание попытаться ее решить и заинтересовать людей.

[nerv]

200 дж с частотой 5гц - очень нетривиальная задача, слово "бюджетно" здесь неприменимо. Даже если покупать необходимые комплектующие по барахолкам, с рук, и подобными методами. Такую энергию дают импульсные лазеры на стекле с неодимом, но на такой частоте такие лазеры не работают из-за физических свойств неодимового стекла.
Есть выход - использовать несколько лазеров, примерно с десяток. И запускать их по очереди. Один работает, другие остывают.
Каждый лазер будет иметь активный элемент размером 20х300мм, в накачке по 4 лампы и по 700-800кг конденсаторов. Ну и сеть позволяющую потреблять примерно 70-100кВт тоже придется иметь под боком.
Возможно что сейчас есть что-то более современное, но стоимость будет измеряться миллионами... евро.