Технические науки

Источником энергии химического лазера на фтористом водороде, разработка которого в США в настоящее время наиболее продвинута, служит разветвленно-цепная реакция между фтором и водородом:

(1.18а) (1.186)

Эта реакция хорошо изучена; в нормальных условиях она может приобретать неконтролируемый характер. Чтобы обеспечить устойчивость такой реакции, для работы лазера непрерывного действия газовую смесь фтора и водорода разбавляют азотом или гелием. Масса газовой смеси при этом возрастает в несколько раз, так как «коэффициент разбавления» составляет – 4[1.11,1.12].

Образующиеся в результате химической реакции молекулы фтористого водорода НF находятся в возбужденном состоянии. Возбуждаются колебательно-вращательные уровни, разделенные приблизительно одинаковыми энергетическими промежутками. Степень возбуждения (особенно для второй реакции) достаточно высока – вплоть до десятого уровня, хотя

основная доля излучения обусловлена переходами между низколежащими уровнями. Таким образом, лазер на фтористом водороде – это не монохроматический лазер: в его спектре излучения имеется большое число линий (каждый колебательный уровень вырожден еще и по вращательным состояниям), занимающих диапазон длин волн в интервале от 2,6 до почти 3 мкм.

Отметим, что как раз в интервале 2,5 – 3 мкм расположены многочисленные линии поглощения молекул водяного пара (см.

Важной технической характеристикой химического лазера является удельное энерговыделение – количество энергии, которое можно получить от единицы массы газовой смеси. Проведем оценки этой величины для фтористого водорода и фтористого дейтерия.

Будем рассматриватьDF-лазер с длиной волны 3,8 мкм, что соответствует энергии фотона 0,33 эВ (для HF-лазера имеем, соответственно, 2,8 мкм и 0,44 эВ). Если считать, что химическая реакция завершилась полностью и каждая молекула DF (или НР) приняла участие в формировании лазерного излучения (причем каждая молекула излучила только один фотон), то грамм-молекула вещества излучает энергию

(1.19)

Молекулярная масса DF равна 21 (20 для НF), так что с учетом коэффициента разбавления получим значения удельного энерговыделения:

(1.20)

Первые два предположения (полное сгорание и отсутствие дезактивации возбужденных молекул) приводят к завышению энерговыделения, допущение об излучении одного фотона занижает эффект. Трудно дать оценку степени отклонения первых двух предположений от реальности – в конечном счете, это тема исследовательских работ; что касается последнего допущения, то в предельном случае речь идет о числовом множителе около 2.

Приведем оценки энерговыделения, сделанные ранее для фтористого водорода.

Лазер непрерывного действия реализуется путем быстрой прокачки рабочей газовой смеси через резонатор. В современных мощных химических лазерах прокачка происходит со сверхзвуковой скоростью. Такая система похожа на работающий реактивный двигатель и является источником сильных вибраций, совершенно недопустимых в варианте, рассчитанном на космическое базирование. В настоящее время разрабатываются химические лазеры на фтористом водороде мощностью порядка нескольких мегаватт. Вспомним, что требуемые для лазерных космических станций значения мощности выше почти на три порядка величины. Этот разрыв вряд ли удастся скомпенсировать путем повышения удельного энерговыделения или увеличения объема резонатора, поскольку маловероятно, что удастся обеспечить оптическую однородность сверхзвукового потока большого поперечного сечения.

Поэтому, по крайней мере в настоящее время, кажется сомнительным, чтобы требуемые мощности были сняты с одного резонатора. Можно использовать набор одинаковых блоков, работающих параллельно. Не потребуется какой-то особой синхронности в работе такой группы блоков; важно только, чтобы все они были направлены с достаточной точностью

на одну мишень (т.е. чтобы их лучи перекрывались на мишени). Однако при таком техническом решении размеры космической станции с лазерами непрерывного действия на борту резко возрастают.

Коэффициент полезного действия лазера на фтористом водороде невысок (несколько процентов), но проблема сброса лишнего тепла решается в данном случае автоматически: тепло сбрасывается вместе с потоком отработанной газовой смеси, которая со сверхзвуковой скоростью выбрасывается в окружающее пространство.

Можно указать на два типа помех, препятствующих нормальному функционированию такой боевой лазерной станции.

Похоже, все-таки, что эти помехи не столь велики в действительности. Прежде всего, лазерное излучение не монохроматично. Если даже произойдет поглощение линии, соответствующей переходу с первого возбужденного уровня на основной, без переизлучения, то общая интенсивность уменьшится незначительно, поскольку другие линии не будут поглощаться окружающим газом. Чтобы ответить на второй вопрос, попробуем оценить количество газа, который может находиться в этом случае на луче зрения.

Для оценки порядка величины решим упрощенную задачу. Пусть сфера радиуса R изотропно испускает газ с общим расходом w (г/с). Тогда плотность газа на произвольном радиусе г определяется из соотношения

(1.21)

где V – скорость расширения газового облака.

Отсюда легко определить эффективную массу газа на луче зрения ц (г/см²):

(1.22)

Теперь остается выбрать соответствующие реальные параметры. Будем рассматривать лазер мощностью~2 ГВт. Для минимального энерговыделения 100Дж/г получаем

Примем R = 50 м = 5 * 103 см (с учетом вышесказанного это представляется вполне разумным) и V = 10⁵ см/с. Тогда

(1.23)

Само по себе это значение ц пока ни о чем не говорит. Отметим только, что оно значительно меньше величины, соответствующей случаю прохождения светового луча через земную атмосферу (ц = 1000 г/см2).

Высказанное предположение об изотропности газовыделения упрощает ситуацию. При большом газовыделении всякая анизотропия газовых струй эквивалентна реактивной тяге, вызывающей перемещения и развороты боевой космической станции. Для их компенсации потребуются значительные запасы топлива, сравнимые с массой рабочей газовой смеси лазера. Похоже, что эти паразитные эффекты могут создать сильные помехи работе системы стабилизации станции по угловому положению.