Лазерный абсорбционный тепловыделяющий элемент

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Лазерный абсорбционный тепловыделяющий

элемент

А.А. Малкин - инженер

Лазерное излучение в современной технике и технологии имеет очень широкую область практического применения [1-6]. Однако возможности его использования еще далеко не исчерпаны.

В данной работе обсуждается перспектива создания приемников лазерного излучения большой мощности. Такие приемники представляются непременным элементом комплексной системы транспортировки лучистой энергии в пространстве.

Необходимость создания такой космической системы назрела достаточно давно. Можно вспомнить аварию космического корабля “Аполлон-13” в апреле 1970 г. или аварию на космической станции “Салют-7” в июне 1985 г., когда вышли из строя системы энергопитания корабля. Известны и другие “нештатные ситуации”, показывающие, что система энергоснабжения, необходимая для жизнеобеспечения космического летательного аппарата, оказывается уязвимой, а существующие способы ее защиты [7] не всегда достигают цели. Поэтому в случае аварийной ситуации полезной была бы возможность подачи энергии извне в терпящий бедствие аппарат. Средством передачи может служить лазерный луч, способный транспортировать энергию на большие расстояния без существенных потерь. Создание такой системы аварийного энергообеспечения становится особенно важной в связи с подготовкой экспедиций на Марс.

Другая область применения системы лазерной транспортировки энергии - энергетика. Как известно, Солнце может обеспечить потребности в энергии даже в самой далекой перспективе. Однако низкая плотность потока энергии, достигающей поверхности Земли, создает непреодолимый барьер для развития солнечной энергетики больших мощностей. Размещение энергетических установок в космосе может снять многие технические ограничения. Экологические проблемы, связанные с передачей лучистой энергии, возможно разрешить использованием соответствующих приемников излучения. В таком случае солнечное излучение, сконцентрированное в лазерные пучки и принимаемое аппаратами, находящимися на границе земной атмосферы, и приемниками на высочайших вершинах гор, может стать одним из неисчерпаемых источников энергии.

В структуре систем транспортировки лучистой энергии в пространстве можно условно выделить три блока.

1. Блок генерации и управления лазерным пучком. Он включает в себя лазер или систему лазеров, создающих поток энергии, подлежащий транспортировке, и систему управления лазерным пучком.

Система управления должна обеспечивать изменение или стабилизацию направления пучка, при необходимости его сканирование, фокусировку, модуляцию. Этот блок можно считать наиболее подготовленным к решению обсуждаемых задач. Существует значительное число типов мощных лазеров, способных обеспечить генерацию необходимого потока энергии, имеется большой опыт управления пучками технологических лазеров.

2. Блок связи. Назначение блока состоит в обеспечении обратной связи и синхронной работы источника и приемника излучения. Для этой цели в зависимости от расстояния между источником и приемником возможно использование радиосвязи, СВЧ-связи и космической лазерной связи. Трудности в развитии последней, по-видимому, связаны с отсутствием потребности в ней. При появлении такой потребности можно надеяться на быстрый прогресс в этой области.

Серьезной проблемой блока связи является то обстоятельство, что энергия и информация о ней переносятся с одинаковой скоростью, а если учесть инерцию средств управления, то информация даже запаздывает. Поэтому могут возникнуть определенные технические трудности в осуществлении синхронной работы источника и приемника.

3. Блок - приемник излучения. Он служит для преобразования энергии лазерного луча в другие более “удобные” виды энергии: тепловую, механическую, электрическую. Для этого в нем должны быть предусмотрены соответствующие устройства: либо теплообменники, либо турбины или МГД-генераторы в зависимости от того, в какой вид энергии преобразуется лазерное излучение. Кроме того, блок должен быть снабжен оптической системой для транспортировки лазерного пучка из “вакуума” космоса в рабочую среду.

В этой среде лучистая энергия, поглощаясь, трансформируется в тепловую энергию. Такой приемник можно считать тепловыделяющим элементом для излучения. Отсюда название ЛАТВЭЛ, т.е. лазерный абсорбционный тепловыделяющий элемент. Это устройство фактически представляет собой оптический разряд в канале, который достаточно хорошо изучен [8-12]. Имеются успешные попытки его детального моделирования [13-15].

Оценим возможность использования оптического разряда в качестве приемника излучения для устройств системы дальней транспортировки энергии в вакууме. Поисковые исследования принципиальной возможности создания ЛАТВЭЛов проведены с использованием трубы и протекающим в ней газом в качестве приемника излучения. Поглощая излучение, газ разогревается и затем отдает свою энергию стенке трубы за счет теплопроводности. Газовый поток дает возможность до некоторой степени управлять процессом. Возможно несколько схем осуществления данной идеи. Направления движения газа и распространения излучения могут совпадать (газодинамический поток спутен лазерному лучу) или быть противоположными (встречный газодинамический поток). Особый интерес представляет также случай, когда газ подается через стенки трубы (пористый вдув газа). При этом тепловая энергия не передается стенке, а выносится вместе с потоком газа, например, в сопло МГД-генератора.

Для описания процессов, протекающих в устройстве, была использована система из трех дифференциальных уравнений в частных производных (уравнение движения в приближении пограничного слоя, уравнение неразрывности и уравнение энергии), записанных в цилиндрической системе координат с учетом сделанных предположений. Уравнение энергии содержит слагаемое, учитывающее распространение и поглощение излучения в газе. Оно описывает экспоненциальное убывание плотности потока излучения по мере его распространения в среде. Система уравнений выглядит следующим образом:

где с - плотность газа; н и u - соответственно радиальная и аксиальная составляющие скорости; r и z - соответственно радиальная и аксиальная координаты; м - вязкость газа; p - давление; T - температура газа; л - коэффициент теплопроводности газа; ср - удельная теплоемкость газа при постоянном давлении; S - плотность потока излучения. В зависимости от варианта S представляется в виде S=S0e-kz (если поток излучения спутен газодинамическому потоку) или S=S0e-k(L-z) (при встречных потоках), где S0 - плотность потока излучения при z=0; k - коэффициент поглощения; L - длина трубы. При проведении оценочных расчетов учитывалась зависимость плотности газа от температуры, остальные коэффициенты принимались равными некоторым эффективным средним значениям. Расчеты проводились для трубы с радиусом R=0,1 м и длиной L=1 м. Граничные условия для всех вариантов приведены в таблице.

Таблица 1.

При решении системы находились поля температуры и скоростей, а по ним - плотность теплового потока на стенку трубы в зависимости от z. При этом использовалась формула:

При проведении оценок варьировались управляющие параметры, в качестве которых были выбраны начальная скорость течения (поток газа) и плотность подаваемого в приемник излучения. Почти все значения управляющих параметров, в том числе и геометрические размеры трубы, выбирались кратными десяти. Однако для большей детализации иногда было необходимо отступать от этого правила. Значения всех коэффициентов брали из таблиц для аргона [16]. Значения коэффициента поглощения считались постоянными и брали равными 0,1, 1 и 10 м-1. Наиболее интересны результаты при k=10 м-1, и в первую очередь процесс поглощения излучения. Значения k можно варьировать, например, введением некоторых примесей или изменением химического состава газа.

Рис. 1. Тепловой поток на стенку, отнесенный к единице длины, при различных S0:

а - спутный поток излучения, S0 - 0,1, 1, 5 и 10 кВт/2; 

б - встречный поток излучения, S0 - 1, 5 и 10 кВт/см2

На рис. 1а, б представлены зависимости плотности теплового потока на стенку для случаев, соответственно спутных и встречных потоков газа и излучения.

Рис. 2. Сравнение полей температур для различных случаев при S0 = 1 кВт/см2:

а - газовый поток отсутствует; б - спутный поток излучения;

в - встречный поток излучения; г - пористый вдув газа

На рис. 2 показаны поля температур для всех рассматриваемых вариантов и “эталонного” варианта при отсутствии газодинамического потока. Из рис. 2 видно, что потоками излучения, тепла и полями температур можно эффективно управлять с помощью газовых потоков. Приведенные результаты оценок говорят о существовании практической возможности преобразования энергии лазерного луча в другие виды.

приемник лазерный излучение вакуум

Литература

1. Грибковская Л.Г. Состояние и перспектива применения лазеров в промышленности. - Минск, 1984. - 48 c.

2. Лазерная технология. Обработка материалов. - М.: Знание, 1983. - 354 c.

3. Гангрский Ю.П., Марков Б.Н. Ядра в лучах лазера. - М.: Знание, 1984. - 209 c.

4. Летохов В.С., Устинов Н.Д. Мощные лазеры и их применение. - М.: Советское радио, 1980. - 111 c.

5. Агафонов А.В., Лебедев А.Н. Лазеры на свободных электронах. - М.: Знание, 1987. - С. 10.

6. Пратт В.К. Лазерные системы связи / Пер. с англ. - М., 1972. - 381 c.

7. Инженерный справочник по космической технике. - М., 1969. - С. 217.

8. Векслер В.И., Геккер И.Р. и др. // Тр. Международн. конф. по ускорителям. Дубна. - М., 1964 - С. 1017.

9. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. // ЖЭТФ. - Т. 47. - 1964. - С. 1150.

10. Аскарьян Г.А., Рабинович М.С. // Физика плазмы. - Т.32. - 1976. - С. 160.

11. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов. - М.: Наука, 1980. - 415 с.

12. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1987. - С. 297.

13. Гурович В.Ц., Кулумбаев Э.Б., Лелёвкин В.М. // Физика плазмы.- 1998. - Т.24. - №11. - С. 1010.

Размещено на Allbest.ru