CC BY
5www.mai.ru/science/trudy/
Труды МАИ. Выпуск № 89
УДК 535.361;551.501.7
Бортовая лазерная силовая установка для борьбы с космическим
мусором
Авдеев А.В.*, Метельников А.А.**
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), МАИ, Волоколамское шоссе, 4, Москва, A-80, ГСП-3, 125993, Россия
*e-mail: alex021894@mail.ru **e-mail: Metelnikov91 @gmail.com
Аннотация
Лазерные бортовые энергетические установки (ЛБЭУ) рассматриваются для решения задачи борьбы с фрагментами космического мусора (ФКМ) [1, 2, 3]. В работе проведен анализ требований, предъявляемых к ЛБЭУ, решающим подобные задачи. Предметом исследования является система ЛБЭУ - космический аппарат (КА) - ФКМ (объект воздействия). Объектом исследования являются тактико-технические характеристики (ТТХ) основных подсистем ЛБЭУ для борьбы с ФКМ. Целью работы является определение основных ТТХ ЛБЭУ для решения задачи борьбы с ФКМ.
Ключевые слова: космический мусор, бортовая лазерная силовая установка, DF-лазер.
1. Построение системной модели ЛБЭУ для борьбы с КМ
Целью лазерной установки, решающей задачу борьбы с ФКМ, является создание на поверхности удаленного объекта излучения с заданной плотностью мощности в заданном промежутке времени:
Ец=/(Ео, о, г), (1)
где Е0 - энергия, излучаемая лазерной установкой; о - общая ошибка наведения и сопровождения объекта; г - время воздействия. Основными факторами внешней среды, влияющими на эффективность работы комплекса, являются вибрации носителя [4] и турбулентность пограничного слоя атмосферы, возникающая вблизи выходной апертуры носителя [5].
Вибрации носителя ¡вн приводят к разъюстировкам оптической системы и, как следствие, снижению ТТХ ЛБЭУ. Задача минимизации влияния колебаний решается двумя способами: введением гироплатформенных систем/ систем амортизации, что приводит к увеличению массогабаритных характеристик установки, или созданием системы динамической настройки - автоюстировки [4,6]. Введение систем динамической настройки не ведет к значительному увеличению массогабаритных характеристик установки, поэтому их использование наиболее рационально при разработке ЛБЭУ [6].
Возникновение турбулентного пограничного слоя атмосферы вблизи выходной апертуры ¡вт приводит к снижению оптического качества и пространственно-энергетических характеристик пучка [5].
По времени воздействия ЛБЭУ можно разделить на две группы:
1) непрерывные ЛБЭУ,
2) импульсные и импульсно-периодические ЛБЭУ.
Установки, относящиеся к первой группе, позволяют передавать большие энергии без возникновения эффектов плазмообразования и электрического пробоя [1,3]. Основной проблемой таких установок является поддержание точности сопровождения объекта в течение длительного времени (до 4-х секунд) при постоянных вибрациях носителя [7].
На установки, относящиеся ко второй группе, накладываются ограничения по передаваемой энергии за счет порогов плазмообразования и элетрического пробоя
[3]:
1пор—1—1зар,
где 1пор - пороговая плотность мощности при которой начинается испарение материала ФКМ (для металлов, при воздействии ЭБ излучением, составляет 106
л
Вт/см ) [3], 1зар - порог развития электронной искры.
При работе в импульсном режиме времена воздействия составляют меньше миллисекунды, то целевую функцию можно считать не зависящей от времени. Следовательно, к установкам данного типа не предъявляется таких жестких требований по точности сопровождения. Поэтому импульсные ЛБЭУ [3] подходят для решения задачи борьбы с ФКМ.
Функциональная схема системы ЛБЭУ представлена на рис. 1.
Рис. 1. Функциональная схема системы ЛК. Функциональные связи: 1 - приемный канал передает данные о цели системе управления; 2 - система управления выдает управляющие команды передающему каналу; 3,4 - система минимизации ошибок наведения и сопровождения получает информацию о разъюстировках приемного и передающего каналов; 5 - передача данных о разъюстировках системе управления; 6 - действие вибраций носителя на комплекс; 7,8 - действие атмосферы на точность определения координат цели приемным каналом и на излучение, генерируемое передающим каналом.
Задачи, решаемые подсистемами ЛБЭУ, приведены в табл. 1.
Табл. 1 - Описание задач, решаемых основными подсистемами ЛБЭУ.
Подсистема Задача
Передающий канал Формирование лазерного излучения с требуемой энергией, оптического качества и расходимости в заданном системой наведения и сопровождения направлении.
Подсистема Задача
Приемный канал Прием информации о фоноцелевой обстановке, ее преобразование и передача в систему наведения и сопровождения.
Система управления Направлять, сформированное силовым лазерным модулем, излучение в заданную системой наведения и сопровождения точку пространства, осуществлять динамическую настройку (автоюстировку) ЛБЭУ.
Система наведения и сопровождения Обнаружение целей. Передача команд по наведению и сопровождению системе управления. Передача данных о разъюстировках в приемном и передающем каналах системе управления.
Порядок работы ЛБЭУ:
Лазерный комплекс обнаруживает цель. Осуществляется первичное наведение на цель:
1) Система наведения и сопровождения формирует команды для наведения и передает их системе управления.
2) Система управления выдает управляющие команды на привода передающего канала.
3) Система наведения и сопровождения и система управления сопровождают цель.
После чего проводится уточнение координат цели с применением активных методов разведки (дальнометрирование) и повторное наведение на цель с учетом уточненных координат цели. Система наведения и сопровождения передает данные
о рассогласовании осей приемного и передающего каналов системе управления. Система управления осуществляет совмещение осей приемного и передающего каналов. Передающий канал осуществляет воздействие на удаленный объект.
В работах [1, 3] обосновано применение непрерывных химических лазеров (НХЛ) для борьбы с ФКМ. Химический НБ лазер обладает большей энергией излучения, чем химический ЭБ лазер, но так только как излучение молекул ЭБ лежит в окне прозрачности земной атмосферы, то при работе в верхних слоях земной атмосферы необходимо использовать именно лазеры на молекулах ЭБ [1]. Приведем основные преимущества импульсных ЛБЭУ на основе ЭБ лазеров:
1) Спектр излучения молекулы ЭБ лежит в окне прозрачности земной атмосферы.
2) Возможность осуществления воздействия лазерного излучения на удаленные объекты с верхней границы земной атмосферы, что позволяет избежать поглощения и рассеяния в атмосферных аэрозолях искусственного происхождения [8].
3) Точность сопровождения ЛБЭУ объекта может быть снижена из-за малых времен воздействия (до миллисекунды).
4) Лазеры на основе молекулы ЭБ позволяют создавать на ФКМ плотность мощности I, достаточную для решения задачи борьбы с ФКМ (1> 1пор [2, 3]).
Так как длительность импульса подобных установок лежит в диапазоне от милисекунд до наносекунд, то целевую функцию (1) будем считать не зависящей от времени:
Eц=f(Eo, a),
Генерируемую ЛБЭУ энергию можно представить в следующем виде:
Ео=/(а{, вн), = 1..п,
где а - параметры системы передающего канала; п - количество параметров.
Общую ошибку наведения можно представить в виде аддитивной функции (рис. 2):
@ @пр + @пер,
где апр - ошибка определения координат цели приемным каналом, апер - ошибка отработки целеуказания передающим каналом.
КА.
Рис. 2. Принципиальная схема передачи энергии ЛБЭУ на приемный канал
Ошибки определения координат и отработки целеуказания:
°пр=/(Уи вт), = 1..т, Опер = /(Ц, вн), 1= 1-П,
где у - параметры системы приемного канала, т - количество параметров. Так как на установки, работающие в импульсном режиме, накладываются ограничения по плотности мощности создаваемой на объекте, то при разработке системы необходимо учитывать следующие ограничения [3]:
1пор<1— 1зар,
о< Д
где А - допустимая ошибка наведения.
2. Определение основных ТТХ ЛБЭУ на основе НХЛ для борьбы с ФКМ
В работе [1] описаны алгоритмы борьбы с космическим мусором. Сделан вывод, что из опасных ФКМ (размером от 1 до 10 см в поперечине) наибольшую угрозу представляют ФКМ из металлов с габаритными размерами 10 см. В работе [3] рассматривалась ЛБЭУ с высотой базирования 20 км, передающая энергию на приемную апертуру спутника (рис. 2) с орбитой 200-250 км. Размер приемной апертуры принимался равным йпр=15 м.
Плотность мощности, создаваемая на объекте должна лежать в диапазоне 1пор—1<1зар [8]. Для металлов значение 1зар рассчитывается по формуле [10]:
4ар>1,8-108/Л2,
где X - длина волны излучения (JDF лазер излучает в диапазоне 3,5..4,5 мкм).
Проведем оценку требуемой точности наведения ЛБЭУ. Найдем требуемую расходимость лазерного пучка для создания пятна с диаметром, равным на расстоянии 250 км:
Ф=аг^^пр/Ь)= аг^(15/250Л0ъ)=6^ 10-5(рад).
Считая, что расходимость равна дифракционному пределу, найдем значение выходной апертуры передающего канала ЛБЭУ:
Ввых=1,22-к/ф=1,22-4-10"6/ 6-10"5=0,08 (м).
Проведем оценку требуемой точности по методике, приведенной в работе [9]. На рис. 3 представлена зависимость плотности мощности, создаваемой ЛБЭУ на поверхности ФКМ, от ошибки наведения а при работе на расстоянии 250 км. При расчетах был взят ББ НХЛ [1,2] с параметрами импульса: Еимп=1,35 Дж, гимп=10 нс.
Рис. 3. Зависимость создаваемой на ФКМ плотности мощности 1ФКМ от ошибки наведения ЛБЭУ при работе на расстоянии 250 км.
На рисунке 3 видно, что пороговая плотность мощности достигается при ошибке наведения А =7,5 угл. сек. Наиболее целесообразно снижение а до 3 угл. сек., что соответствует превышению создаваемой плотности мощности на ФКМ
порогового значения на 39%. Дальнейшее повышение точности наведения не приводит к значительному росту плотности мощности, создаваемой ЛБЭУ на поверхности ФКМ.
В результате можно сделать вывод, что для решения поставленной задачи точность наведения должна лежать в диапазоне 3 угл. сек.< а < 7,5 угл. сек..
3. Выводы
В работе проведено системное исследование ЛБЭУ для борьбы с ФКМ и передачи энергии. Разработана функциональная схема системы ЛБЭУ и сформулирован алгоритм работы установки. Выделены основные факторы, влияющие на эффективность подобных комплексов.
Проведен расчет плотности мощности на поверхности ФКМ, создаваемой ЛБЭУ на основе импульсно-периодического ВБ-НХЛ (энергия импульса 1,35 Дж, длительность 10 нс). Рассчитана требуемая выходная апертура передающего канала ЛБЭУ Dвых=0,08 (м). Определена допустимая ошибка наведения, которая составила А <7,5 угл. сек.. Сделан вывод, что ошибка наведения ЛБЭУ должна лежать в диапазоне 3 угл. сек.< а <7,5 угл. сек..
Библиографический список
1. Авдеев А.В., Башкин А.С., Каторгин Б.И., Парфеньев М.В. Анализ возможности очистки околоземного пространства от опасных фрагментов космического мусора с помощью космической лазерной установки на основе
автономного непрерывного химического HF-лазера // Квантовая электроника. 2011. 41 (7). С. 669-674.
2. Авдеев А.В. К вопросу борьбы с космическим мусором с помощью лазерной космической установки на основе HF-НХЛ // Труды МАИ, 2012, №61: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=35496
3. Ашурбейли И.Р., Лаговиер А.И., Игнатьев А.Б., Назаренко А.В. Возможности использования авиационной лазерной системы для борьбы с космическим мусором и поддержания орбит космического аппарата // Труды МАИ, 2011, № 43: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=24856
4. Барышников Н.В. Разработка методов и оптико-электронной аппаратуры автоюстировки бортовой локационной станции с мощным источником лазерного излучения: Автореферат дисс. ... доктора тех. наук. М.: 2012.
5. Eric J. Jumper, Stanislav Gordeyev, David Cavalieri, Phil Rollins, Matthew Whiteley, and Matthew Krizo. "Airborne Aero-Optics Laboratory - Transonic (AAOL-T)", 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting, AIAA SciTech, Kissimmee, Florida, 2015, Janury. http://dx.doi.org/10.2514/6.2015-0675
6. Червонкин А.П. Оптическая система многоспектральной моноапертурной оптиколокационной станции самолёта с динамической стабилизацией осей функциональных каналов: Автореферат дисс. ... канд. техн. наук. М.: 2006.
7. Brij Agrawal Improved beam jitter control methods for high energy laser systems//Thesis, Naval Postgraduate School, Monterey, California, 2009.
8. Зуев В.Е., Кабанов М.В. Оптика атмосферного аэрозоля. Т. 4. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1987. - 250 с.
9. Игнатьев А.Б. Вопросы обеспечения ориентации в пространстве и точного наведения мощного лазерного пучка на удаленные объекты: Учебное пособие. - М.: МИРЭА, 2004. - 87 с.
10. Бункин Ф.В., Прохоров А.М. Использование лазерного источника энергии для создания реактивной тяги // Успехи физических наук. 1976. Т. 119. № 3, С. 425446.
11. Campbell I.W. Project ORION: orbital debris removal using ground-based sensors and lasers // NASA Technical Memorandum 108522. 1996.
