«ЭкоГрад» продолжает публикацию научных работ разных лет профессора, академика РАЕН Виктора Аполлонова - специалиста по лазерам, номинанта конкурса РАЕН «Международная экологическая премия EcoWorld»-2017 (Академик Виктор Аполлонов, специалист по лазерам, номинант конкурса РАЕН «Международная экологическая премия EcoWorld»-2017 (ФОТО, ВИДЕО)). Сегодня вниманию читателей предлагается одна из фундаментальных работ учёного, обобщающая результаты его исследований. Список вышедших материалов - см. в разделе каждой публикации «Виктор Аполлонов в «ЭкоГраде», а также следите за обновлениями на нашем сайте!
Виктор Викторович Аполлонов –– генеральный директор ООО «Энергомаштехника», заведующий отделом мощных лазеров Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, доктор физико-математических наук, профессор, лауреат Государственных премий СССР (1982) и РФ (2001), академик АИН и РАЕН, член Президиума РАЕН. Член докторского совета Института, член Американских физического и оптического обществ. Ведущий специалист в области мощных лазерных систем и взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, автор более 1920 докладов, выступлений в средствах массовой информации, научных публикаций, в том числе 18 монографий и 144 авторских свидетельств и патентов. Окончил c отличием МИФИ в 1970 г. За 49 лет научной работы в ФИАН (до 1983 г.) и далее в ИОФ РАН он впервые:
–– получил многозарядные ионы тяжелых элементов при взаимодействии мощного лазерного излучения с твердыми мишенями и исследовал их энергетические характеристики. Идея использования многозарядных ионов в ускорителях была реализована в Дубне, сегодня она претворяется в жизнь в ЦЕРНе;
–– сформулировал и развил физико-технические основы статической и адаптивной охлаждаемой силовой оптики, сформулировал критерии разрушения зеркальных поверхностей в случае непрерывного, импульсного и импульсно-периодического режимов воздействия. Совместно с рядом предприятий оборонного комплекса им созданы мощные лазерные установки МВт-ного уровня;
–– предложил транспортировку носителей заряда с целью динамического профилирования электрического поля в разрядном промежутке и формирования устойчивых разрядов в промежутках до одного метра и в объемах до нескольких кубических метров, создал высокоэффективные импульсные лазерные системы;
–– провел исследования лазерной молниезащиты ценных объектов с помощью высокопроводящего искрового канала, создаваемого лазерным излучением;
–– разработал физико-технические принципы построения мощных полупроводниковых охлаждаемых матриц лазерных диодов и осуществил фазировку мощных лазерных диодов;
–– предложил, осуществил и исследовал высокочастотный импульсно-периодический режим в мощных лазерных системах, получил новый режим работы лазерного двигателя - резонансное сложение светодетонационных ударных волн;
–– предложил способ реализации сверхдлинных проводящих каналов для передачи энергии, а также обосновал использование предложенной технологии для борьбы с космическим мусором;
–– разработал физико-технические принципы и осуществил многократно воспроизводимый лазерный поджиг ракетного двигателя, работающего на экологически безопасном топливе;
–– исследовал физико-технические процессы лазерного устранения нефтяных загрязнений с поверхности воды, показал высокую эффективность разработанных методов для решения проблем экологии;
–– разработал физико-технические принципы построения высокочастотного моно-модульного дискового импульсно –– периодического лазера с параметрами, масштабируемыми до уровня в несколько десятков МВт.
Виктор Аполлонов является организатором международных конференций, членом организационных комитетов ведущих мировых симпозиумов в области мощных лазеров и их применений. Им подготовлено 32 кандидата и доктора физико-математических наук.
Вперед, к Циолковскому! Реактивное движение по лазерному лучу и другие приложения
Еще в начале прошлого века великий Константин Циолковский предрекал в своих мемуарах, что запуски космических аппаратов (КА) будущего, несомненно, будут осуществляться с помощью электромагнитных волн, направляемых от внешнего источника энергии. Это было время открытия радио, научный мир размышлял о могуществе радиоволн и о новых их применениях. Лазер в то время, как мы хорошо знаем, еще не был известен миру, создание первого лазерного излучателя произошло только в середине столетия. Именно, исходя из этого исторического факта предвидения, мы и ввели в заголовок формулу: «Вперед, к Циолковскому!».
Новый подход к проблеме создания лазерного реактивного двигателя (ЛРД) основан на использовании механизма резонансного объединения ударных волн (УВ), генерируемых оптическим пульсирующим разрядом (ОПР), создаваемым лазером. Для создания ОПР нами было предложено использовать мощное импульсно –– периодическое (И-П) лазерное излучениe с длительностью ~ 150-250 нс., энергией ~ 20-200 Дж. и с большой частотой повторения импульсов ~ 50-100 кГц. ОПР в случае лазерного подхода для обеспечения наивысшей тяги и реализации эффективного управления в полете формируется матрицей рефлекторов (МР). Это одновременно позволяет: в несколько раз повысить эффективность использования лазерного излучения для целей создания ЛРД, избежать сильных ударных нагрузок на аппарат, исключить термическое воздействие лазерной плазмы на рефлектор, уменьшить экранировку лазерного излучения плазмой, снять проблему возникновения резонансных колебаний в теле движимого лазером объекта.
В США подобный подход реализуется в рамках проекта «Лайткрафт» (Lightcraft), в России заявлен проект «Импульсар».
Заметим, что околоземное пространство представляет собой серию мегавольтного класса конденсаторов, создаваемых поверхностью Земли, облачным покровом, различными слоями ионосферы и радиационными поясами. С помощью поддерживаемого высоковольтным источником траекторного следа «Импульсара» можно создать проводящий канал требуемой длины и направления. По мере подъема космического аппарата типа «Импульсар», а значит, и следующего за ним проводящего канала, пробойные характеристики промежутка с убывающей на 5 порядков (90 км) плотностью существенно уменьшаются, и процесс развития канала должен продолжиться расширением сети микроразрядов и развиваться как самоподдерживающийся процесс во внешнем поле всего исследуемого промежутка. Практическая реализация управляемого проводящего канала орбитального масштаба позволит решать и ряд специальных задач, как с поверхности Земли, так и непосредственно из космоса.
Таким образом, помимо прямой и важнейшей задачи космонавтики –– выведения на орбиту полезной нагрузки –– лазерные системы могут помочь в решении другой задачи космического масштаба –– обеспечение требуемой глобальной климатической обстановки в заданных районах земного шара, в частности, уменьшения амплитуды магнитных бурь, ураганов и землетрясений, и быть может, их предотвращения.
Описываемые технические решения окажутся осуществимыми в XXI веке и найдут применение в практической космонавтике – гражданской и военной.
1. РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ ПО ЛАЗЕРНОМУ ЛУЧУ
1.1. Новый класс ракетных двигателей
К наиболее перспективным ракетным двигателям нового класса следует отнести ЛРД. Речь идет о создании двигателя КА, который свою траекторию будет проходить под воздействием направленной на него с поверхности Земли последовательности лазерных импульсов, т.е. под воздействием энергии от внешнего источника.
Важность этой проблемы обусловлена тем обстоятельством, что ЛРД существенно экономичнее традиционных двигателей на химическом топливе. На начальном этапе полета в качестве рабочего тела применяется атмосферный воздух, а за пределами атмосферы незначительный бортовой запас газа или легко возгоняемого вещества. В этом случае удельные затраты на выведение грузов в космос могут сократиться до 5000–10000 руб./кг, то есть примерно в 100 раз меньше по сравнению с современным масштабом цен. Особенно высоко оценивается возможность поддержания параметров орбиты на заданном уровне с помощью той же лазерной системы, предназначенной для запуска.
В настоящее время в развитых странах мира ведутся работы по исследованию возможности создания ЛРД. B США в рамках проекта Lightcraft ведутся интенсивные разработки таких систем. Так в ноябре 2000 года американская компания Lightcraft Tech. успешно провела испытания модели ракеты, которая поднялась на высоту 70 м в течение 12,7 сек. под действием реактивной струи, возникающей под действием мощного лазерного излучения. В эксперименте использовался низкочастотный (20Гц) И-П лазер на двуокиси углерода мощностью 10 кВт, который в настоящее время достраивается до уровня выходной мощности более 100 кВт. Реактивный импульс возникал за счет уноса массы специального полимерного материала с вогнутой поверхности отражателя, расположенного в задней части ракеты, куда направлялся лазерный луч.
Начиная c 1973 года в СССР под руководством академика А.М.Прохорова проводились работы по исследованию возможности создания ЛРД. Отражатель, расположенный в задней части прототипа ракеты, концентрировал полученное излучение в воздухе и обеспечивал микровзрыв, что создавало реактивную тягу. Были получены успешные результаты испытаний различных моделей отражателей, которые в то же время являлись и приемниками набегавшей УВ для обеспечения тяги. Следует отметить, что все вышеуказанные эксперименты проводились с использованием электроразрядных СО2-лазеров малой мощности (до 10 Квт), в то время как для вывода на орбиту различного высоко технологичного оборудования (связь, интернет, фотомониторинг) требуется мощность излучения существенно более высокая. Так, например, для вывода КА весом 1000 кг необходим лазер мощностью не менее 10-15 Мвт. Такой лазер в настоящий момент может быть только газодинамическим (ГДЛ), т.к. только в этом случае лазерная технология в значительной мере пересекается с ракетной, которая за 50 лет достаточно хорошо продвинулась в создании сверхмощных газогенераторов и позволяет ставить подобные задачи. Кроме того, лазер должен работать в И-П режиме с высокой частотой повторения коротких импульсов для исключения процесса экранирования поступающего лазерного излучения плазмой, возникающей при работе двигателя, а также для увеличения эффективности его работы.
По мнению специалистов-ракетчиков, ЛРД уже сегодня смогут найти применение в составе дешевых одноступенчатых средств выведения нано- и микроспутников массой 5-50 кг, что, по мнению экспертов, завтра будет составлять основу коммерческих пусков. На первом этапе полета КА на высотах до 30 км в качестве рабочего тела в двигателе предполагается использовать атмосферный воздух, а затем до выхода на орбиту бортовой запас специального топлива –– аблирующего вещества в количествах, не превышающих 15-20% от веса запускаемого КА.
Опыт создания мощных лазеров накоплен в Институте общей физики им. А.М.Прохорова РАН, в НПО «Энергомаш» им. В.П.Глушко и других организациях страны. В ООО «Энергомаштехника» в последние годы проводились успешные экспериментальные исследования по реализации И-П режима в мощных и хорошо отработанных непрерывных лазерных системах. Это позволяет приступить к экспериментальной реализации сверхмощного И-П лазерного источника на основе газодинамического принципа и ЛРД в составе легкого носителя с системой управления.
Предстоящий комплекс работ должен стать важным шагом к будущим запускам сверхлегких КА на низкую околоземную орбиту и даже в недалеком будущем к выводу в космос пилотируемых аппаратов. Реализация проекта позволит создавать высокоэкономичные ЛРД многоразового запуска для выведения в космос полезных нагрузок широкого назначения. Главное преимущество нового подхода связано с тем, что источник энергии движения и полезный груз развязаны в пространстве и стартовый вес КА может быть снижен до веса полезной нагрузки.
Большой интерес зарубежных ученых и специалистов, как подтвердили шесть последних симпозиумов в этой области исследований (1), связан с успешным решением в нашей стране проблемы создания мощных излучателей с высокой частотой повторения (50-100 Кгц) импульсов и их малой длительностью (150-250 нс). Вот что совсем недавно писал автору «отец» лазерного реактивного движения Артур Кантровиц:
«Дорогой Виктор, cпасибо за предоставленное удовольствие прочитать Ваши статьи с последнего симпозиума по движению с помощью лазерной энергии, которые теперь доступны для научной общественности. Я уже поразмышлял над Вашими работами и считаю, что эти замечательные идеи о квазистационарной волне, о светодетонационных волнах, о матрице рефлекторов, введенные в Ваше новое рассмотрение, очень важны для развития теории и технологии движения с помощью света. Я с восхищением наблюдаю за развитием лазерного запуска в мире и в России в особенности. Надеюсь, что после Ваших публикаций это стимулирует значительную активность в области создания лазерного двигателя и его приложений. Было бы очень интересно и дальше слышать о прогрессе в этой горячей области исследований. Спасибо за Ваш энергичный вклад и будьте здоровы».
Высокочастотный И-П режим излучения разработан и опробован на базе мощного СО2-ГДЛ и может быть с успехом применён для других типов мощных лазеров, таких как: НF/DF, Nd YAG c полупроводниковой накачкой и COI. В настоящее время проект по реализации лазера с выходной мощностью в несколько десятков Мвт с варьируемой высокочастотной структурой излучения находится в стадии активной проработки как в США, так и в нашей стране. Получены важные результаты по значительному увеличению эффективности использования лазерной энергии в новом режиме излучения, что позволило в оценках перейти от десятков кг полезной нагрузки к сотням и тысячам. Также следует заметить, что работы в данной области, исходя из их большой перспективы различных применений, уже начаты в Германии, Японии, Англии, Франции, Китае, Республике Корея, Бразилии. При этом практически все участники работ по данной теме отмечают выделенное положение ГДЛ как наиболее перспективной системы с точки зрения ее масштабируемости на основе ракетной технологии до уровня нескольких десятков мегаватт и других параметров, важных для данного рода применений.
К настоящему времени сложились два направления, в которых изучается возможность применения лазерного излучения в аэрокосмических задачах: вывод на космическую орбиту легких КА и снижение аэродинамического сопротивления тел, движущихся в атмосфере с большой скоростью.
В задаче создания ЛРД генерируемое лазером И-П излучение фокусируется рефлектором вблизи заднего торца КА и создает периодически повторяющиеся лазерные искры. Искры генерируют УВ, которые передают часть своего импульса рефлектору, расположенному на этом торце. В характерных для прежних лет газоразрядных лазерных системах частота повторения импульсов ограничена временем смены газа в разрядной зоне и составляет ~ 100-300 Гц. Для достижения высокой средней мощности –– 10 МВт –– необходимо использовать лазерные импульсы с энергией 100-70 кДж. При пониженных давлениях воздуха (высоты более 15 км) долго живущий плазменный шар, создаваемый одним импульсом, занимает практически весь объем рефлектора, что приводит к экранировке последующих импульсов в течение ~ 10 мс.
Технической трудностью метода также являются и сильные ударные нагрузки при большой энергии импульсов. Использование высокоэнергетичных импульсов с малой частотой повторения и, следовательно, с очень высокой пиковой мощностью ограничено также и оптическим пробоем, как на трассе, так и на поверхности рефлектора. Нами предложен метод преодоления указанных трудностей на основе: использования лазерного излучения с малой длительностью и большой частотой повторения импульсов; механизма резонансного объединения УВ, генерируемых ОПР. В условиях ЛРД энергия лазерного импульса при малой длительности (~ 100-200 нс) эффективно (~ 95%) поглощается и преобразуется (~ 30%) в УВ. Кроме этого, показано, что удельную силу тяги можно увеличить в несколько раз за счет искусственной трансформации радиальной компоненты УВ в продольную.
1.2. Параметры искры в ЛРД
Расстояние между фокальной точкой и рефлектором должно быть мало Ff /Rd<0.2, что следует из условия достижения высокого значения удельного импульса тяги. Во избежание оптического пробоя на рефлекторе и условий транспортировки следует, что пучок должен иметь большой диаметр на рефлекторе. Если интенсивность излучения превышает порог оптического пробоя, то навстречу лучу распространяется плазменный фронт, происходит нагрев и ионизация воздуха в результате поглощения лазерного излучения. Так как интенсивность в остро сфокусированном луче быстро уменьшается (геометрический фактор), то уже на малом расстоянии от фокуса происходит срыв светодетонационного режима распространения плазменного фронта. Далее, излучение поглощается некоторое время в распадающейся плазме. Из проведенных нами расчетов следует, что для ЛРД наибольший интерес представляют импульсы длительностью ~0.2 мкс. Максимальная энергия лазерных импульсов ограничена условием достижения высокой эффективности использования лазерного излучения для создания тяги. В свободном газовом пространстве переносимый УВ импульс отличен от нуля лишь на малых расстояниях от центра взрыва. Такие же данные наблюдались и в ранних экспериментах. Для рефлектора параболической формы удельный импульс максимален ~ 550 Н*с/кг на расстоянии R1, равном при малой длительности импульса (~ 100-200 нс) примерно десятой доли динамического радиуса, т. е. расстояния, на котором величина импульса убывает примерно в три раза.
При увеличении R1/Rd от ~ 0.1 до 0.33 значение J1 быстро уменьшается ~ 550-200 Н*с/кг. B случае ЛРД возможность использования малых значений R1/Rd ограничена образованием долгоживущей плазмы, характерный радиус которой сравним с размерами рефлектора. На поздних стадиях теплового расширения искры формируется плазменная зона с низкой плотностью и высокой температурой ~ 8000 К ионизованного газа. Контактная граница горячей области останавливается при выравнивании давления в плазме и окружающем газе. В приближении сферической формы искры радиус плазменной области на момент выравнивания давления можно получить оценку радиуса плазменного образования для всего рабочего диапазона давлений 0,1-1 атм. Отношение радиуса плазменной зоны к динамическому радиусу в этом случае составляет величину ~ 0,15-0,25. Это отношение не зависит от энергии и давления газа. Причем его значение находится в том же диапазоне, где достигается максимальное значение удельного импульса отдачи, создаваемого УВ. В рефлекторе, имеющем форму полусферы, максимум удельного импульса тяги достигается при R1/Rd ~ 1. Приведем значения радиуса плазменного образования и времени его формирования для энергии 105 Дж и давлений атмосферы 1 и 0,1 атм. Параметры соответствуют пиковой мощности импульсов –– 2×107 Вт и частоте повторения импульсов –– 100 Гц, а также старту и окончанию стадии разгона КА в режиме ЛРД. При давлении 1 атм размер плазменного шара составит 25 см. При времени формирования порядка 1 мс и давлении 0,1 атм. размер плазменного шара составит уже 50 см при времени формирования 2 мс. Охлаждение лазерной плазмы происходит за счет турбулентного перемешивания с холодным окружающим газом. Характерное время этого процесса более чем на порядок превышает время его формирования.
Здесь рассмотрена искра, имеющая сферическую форму. На самом деле искра в ЛРД имеет форму конуса с большим углом при вершине. Это еще более ухудшает ситуацию. При определенных условиях на поздней стадии расширения искры может формироваться кумулятивная струя, в которой газ движется в направлении к рефлектору. Плазма перестает быть односвязной, принимая форму, похожую на тор.
Таким образом, использование режима с максимальным импульсом, изложенного в ранних работах многих авторов, будет сопровождаться контактом плазмы с поверхностью рефлектора в каждом импульсе, что, несомненно, приведет к разрушению оптического качества отражателя.
1.3. Механизм резонансного объединения УВ в ЛРД
Эффект резонансного объединения отдельных УВ в низкочастотную квазистационарную волну (КВ) в общем случае заключается в следующем. В сплошной среде последовательно создаются периодические возмущения УВ, начальная скорость которых больше скорости звука. Если скорость перемещения области пульсаций меньше скорости звука в среде, то УВ объединяются и создают КВ. В зависимости от пространственно-временной структуры пульсаций механизм проявляется в виде эффектов, основным свойством которых является большая длина области повышенного давления. Механизм объединения УВ не содержит ограничений на тип среды и источника пульсаций, на его энергию. В зависимости от структуры пульсаций КВ может иметь различную форму.
Реализация механизма КВ позволяет снять рассмотренные выше проблемы: экранировка излучения и термическое воздействие лазерной плазмы в ЛРД. Кроме того, КВ позволяет существенно повысить эффективность использования лазерного излучения за счет увеличения удельной силы тяги на единицу мощности. Определим требования к энергии и частоте повторения импульсов И-П лазерного излучения, удовлетворяющие решению данной задачи. Нами рассмотрены два метода, основанные на использовании сферического и плоского ОПР. В обоих случаях формируется плоская КВ за счет использования как геометрии ОПР, так и геометрии рефлектора, а также и организации процесса ввода энергии лазерного излучения в двигатель.
1.4 ЛРД на основе резонансного объединения УВ –– задача для матрицы рефлекторов
Задача создания ЛРД на основе объединения УВ и И-П лазерного излучения с высокой (до 100 кГц) частотой повторения импульсов, а также управление траекторией полета с помощь ЛРД решаема при использовании матрицы рефлекторов (МР). Схема двигателя представляет собой набор из N монорефлекторов. К МР подводится И-П излучение с энергией импульсов q при средней мощности WC. В общем случае элементы МР одинаковы. МР создает матрицу ОПР, каждый из которых стабилизируется воздушной струей набегающего потока. Количество элементов матрицы в общем случае определяет и скоростной режим газовой струи. В нашем случае количество элементов в матрице было N = 8. Большее значение N нецелесообразно.
В наших расчетах мощность лазерного излучения принималась равной 20 МВт, частота следования импульсов –– 100кГц, энергия каждого импульса в таком случае равнялась 200 Дж. Расчеты показали, что для принятых к рассмотрению параметров в случае нормального атмосферного давления полная тяга двигателя будет равна 100 тысяч ньютон, а при давлении порядка десятой атмосферы ее величина упадет до значения – 36 тысяч ньютон.
При этом оптимальные скорости газовых потоков для обоих случаев оказались равными 2,5 км/сек и 5,4 км/сек соответственно. Следует также заметить, что управление полетом возможно с помощью лазерного двигателя за счет изменения тяги в соответствующих элементах МР. Однако увеличение числа элементов МР сопровождается значительным ростом аэродинамического сопротивления на воздухозаборниках, и выбранное число элементов близко к оптимальному.
В экспериментах модель ракеты с лазерным двигателем представляла собой дюралюминевый цилиндр диаметром ~ 8 см, длиной ~ 26 см и весом 1,1 кг, подвешенный на четырех тонких проволоках длиной 1,1 м. Конструкция допускала перемещение только в осевом направлении. На торце камеры закреплен рефлектор –– сменная цилиндрическая насадка. Лазерное излучение вводилось в камеру через линзу с фокусным расстоянием 17 см. Струя аргона формировалась при истечении из камеры высокого давления через отверстие диаметром ~ 3-4 мм. Скорость V регулировалась давлением аргона, который подавался в камеру по гибкому шлангу. Сила, создаваемая струей и УВ, передавалась с помощью тонкой (~ 0,2 мм) молибденовой проволоки на груз, стоящий на тензовесах. ОПР горел в потоке, который формировался при истечении газа из камеры через отверстие в рефлекторе. ОПР создавался ИП излучением f=50 кГц и 100 кГц, при этом средняя мощность излучения составила W ≈ 1200 Вт. Сила тяги при f=50 кГц, V= 300 м/c оказалась равна 40 г., а при V=400 м/c –– 69 г. Величина коэффициента связи тяги и подводимой мощности излучения оказалась равной 1,06 Н/кВт. Эксперимент подтвердил, что И-П лазерное излучение создает стационарную тягу с очень высоким коэффициентом связи >1000 Н/МВт. Различие экспериментальных результатов и теоретических оценок, величина которых >3500 Н/МВт, связано с необходимостью дальнейшей оптимизации процесса ввода энергии лазера в плазму ОПР.
1.5 Резонансные свойства системы «Лазер – КА»
Важным параметром в оценке резонансных свойств системы «Лазер-KA» является отношение длительности лазерного импульса ко времени прохождения звука по всей длине ракеты. В практическом отношении наибольший интерес представляет случай, когда по всей длине ракеты создается равномерная нагрузка под действием лазерного импульса. Если импульс имеет очень малую длительность, то ускорение нестационарно, длина возбуждаемой в KA волны много меньше длины ракеты. Случай, когда длительность импульса и время прохождения звуковой волны сопоставимы, соответствует резонансной раскачке волн.
Сделаем оценку резонансных свойств системы для лабораторных опытов в случае KA с массой 20 кг, длиной ракеты 200 см, ускорением 100 м/с2. Средняя мощность И-П излучения 4 МВт, энергия импульсов при частоте 200 Гц равна 20 кДж. Расчеты показывают, что И-П режим ускорения в случае малой частоты следования импульсов сопровождается чрезвычайно сильными динамическими нагрузками на конструкцию КА. Они имеют резонансный характер, так как длина волн сжатия сравнима с длиной KA. Кроме того, при увеличении длины KA до 4 м и частоты повторения лазерных импульсов до 1 кГц собственная частота колебаний ракеты равна частоте следования импульсов лазера, и мы получаем выполнение условий резонанса. Это представляется очень опасным, т.к. резонансные нагрузки могут превысить запас прочности ракеты, и она разрушится в полете.
Таким образом, оценки показывают, что при низкой частоте повторения импульсов термический контакт плазмы с рефлектором и сильные динамические нагрузки неизбежны. Ситуация усугубляется возбуждением резонансных колебаний в теле KA. Эти трудности преодолимы лишь при использовании метода, основанного на объединении ударных волн. Расчеты и эксперимент подтвердили возможность создания значительной стационарной силы тяги при использовании И-П излучения с большой частотой повторения импульсов.
1.6 Лазеры для программы «Импульсар»
В России описанную выше идею лазерного старта было предложено осуществить в рамках проекта «Импульсар» (2). В соответствии с описанным выше, принцип работы «Импульсара» коротко может быть изложен следующим образом.
Реактивная тяга предлагаемого устройства осуществляется под действием мощного высокочастотного И-П лазерного излучения. Для этих целей могут использоваться лазеры на двуокиси углерода, химические лазеры и твердотельные лазерные системы. Активный импульс возникает за счет пробоя воздуха (<30 км) или пробоя паров специального полимерного материала (>30 км), насыщенного наночастицами высокопроводящего вещества, обладающего малой величиной работы выхода и расположенного вблизи поверхности фокусирующего зеркала – приемника ударной волны. С каждым импульсом мощного И-П лазера устройство поднимается вверх, оставляя за собой яркий и плотный след продуктов с высокой степенью ионизации и металлизации. Оценки показывают, что при уже продемонстрированных в данной главе экспериментально полученных значениях удельного импульса тяги нижние слои ионосферы могут достигаться за несколько десятков секунд, что вполне достаточно для сохранения проводимости канала на достаточном уровне.
С создания первых лазеров в начале 60-х годов прошлого века непрерывно ведется поиск новых принципов построения источников когерентного оптического излучения, расширяющих область их применения как в научных и прикладных исследованиях, так и в военной технике. При этом, как правило, стремятся к увеличению энергии единичного импульса с одновременным сокращением его длительности и к увеличению средней мощности оптического излучения за счет периодичности процесса его генерации.
На настоящее время в лазерах непрерывного и И-П режима генерации излучения при частотах 200-300 Гц достигнута мощность порядка 104 – для твердотельных лазеров и до 106 – в газовых лазерах. Поперечное сечение пучков таких лазеров составляет от единиц (для твердотельных лазеров) до десятков сантиметров (для газовых лазеров). Это громоздкие установки со сложными системами накачки активной среды, теплоотвода и формирования выходного излучения. При этом основным препятствием для создания сверхмощных и компактных лазеров является проблема отвода тепла из активной среды. Даже в СО2-лазерах, имеющих относительно высокий коэффициент полезного действия (до 15%), необходимо обеспечить эффективный отток тепла из всего объема активной среды. В противном случае перегрев газовой смеси приведет к нарушению ее однородности и, как следствие, к ухудшению качества выходного излучения. Еще более остро эта проблема стоит в твердотельных лазерах вследствие невозможности вывода собственно активной среды из зоны накачки и ее охлаждения во вспомогательных объемах. Даже использование стремительно развивающихся в последнее время источников селективной накачки твердотельных лазеров –– лазерных диодных линеек и матриц, обеспечивающих КПД. твердотельного лазера даже на уровне 50%, –– не снимает данной проблемы. Так как для действительно мощных лазеров тепловыделение в активных элементах остается очень высоким, что ведет к значительному снижению оптического качества лазерного излучения.
Создание мощных лазеров с большим интегральным сечением выходного пучка на основе усилительных каналов, использующих геометрию слэбов, представляет сложную научно-техническую задачу. В настоящий момент времени в США и Японии созданы и активно тестируются многоканальные твердотельные лазеры с уровнем выходной мощности в несколько десятков киловатт. Это чрезвычайно сложные физико-технические устройства, практически не функционирующие без постоянной технической поддержки. Попытка создать твердотельные лазеры высокой мощности за счет увеличения поперечного сечения активной среды с одновременным уменьшением ее размеров вдоль оси резонатора, так называемые «дисковые лазеры», привела к новым техническим проблемам, связанным с подавлением усиления спонтанной эмиссии накачанной активной среды в перпендикулярных к оптической оси направлениях. Спонтанная эмиссия приводит к нежелательному снятию инверсии активной среды и, соответственно, к уменьшению эффективности лазера.
С другой стороны, твердотельные лазеры с диодной накачкой, построенные по традиционным оптическим схемам, имеющие выходную мощность порядка 1-3 кВт являются на Западе уже достаточно обыденными приборами. Имеющиеся технические и технологические решения позволяют выпускать такие лазеры практически не требующими обслуживания в пределах всего срока эксплуатации, который составляет десятки тысяч часов.
Очевидно, что одно из наиболее эффективных решений создания высокомощных твердотельных лазеров состоит в многоканальном принципе их построения. Лазер в этом случае набирается в виде решетки идентичных каналов, в каждом из которых происходит лазерная генерация. Такая решетка лазеров образует оптический источник с составной апертурой, у которой выходное излучение представляет собой совокупность пучков отдельных лазеров. Малое поперечное сечение каналов позволяет эффективно и просто осуществить накачку энергии в активную среду и отвод тепла из ее объема. По такой схеме построен 19-киловаттный лазер фирмы Northrop Grumman. До появления диодной накачки построение твердотельных лазеров по такой схеме было проблематичным, вследствие практически нерешаемых технических проблем охлаждения плотно упакованных ламп и активных элементов. Дальнейшее улучшение выходных параметров многоканальных лазерных систем возможно за счет значительного сокращения оптической толщины усилителя и, следовательно, перехода к дисковой геометрии усилительных каналов.
В лазерах многоканального типа методами фазировки эффективно решается проблема получения высокой направленности излучения. Действительно, угловая расходимость излучения Q=l/D, где D – диаметр апертуры. Несмотря на то, что апертура решетки лазеров на порядок превышает апертуру отдельного излучателя, расходимость излучения определяется расходимостью пучка отдельного излучателя и, соответственно, интенсивность излучения многоканального лазера определяется выражением:
I = N*I0
где N – число излучателей, а I0 – интенсивность, создаваемая одним каналом.
В случае несфазированного излучения каждый канал излучает волну в произвольной фазе, не зависящей от фазы других каналов. Если заставить лазеры излучать в фазе, то картина меняется кардинально. Расходимость излучения будет определяться расстоянием между максимально разнесенными лазерами, а интенсивность будет определяться выражением:
I = N2*I0
Именно по этой схеме разработчикам фирмы Northrop Grumman удалось существенно продвинуться в плане интегральной расходимости объединенного лазерного пучка-1,73 дифракционного предела для составной апертуры при 30% оптической эффективности. Но они пошли значительно дальше –– получены и опубликованы результаты на уровне 105,5 кВт. Очевидно, что количество каналов при определенных условиях может быть увеличено до значительно больших значений, и выходные мощности в несколько сот киловатт при такой схеме не являются пределом. Важно отметить, что при такой компоновке лазерной системы довольно легко осуществить и варьируемый по длительности импульса, и по скважности И-П режим работы всей системы в целом.
Работы в этом направлении проводятся в Институте общей физики АН СССР/РАН начиная с 1987 года. Впервые получены экспериментальные результаты в исследовании дисковой геометрии лазерных излучателей, в разработке внутрирезонаторных методов управления и контроля параметров мощных лазерных систем, по фазировке лазерных диодных структур. Так, например, удалось получить синфазную генерацию большого числа отдельных элементов лазерной диодной линейки, на очереди фазировка матрицы лазерных диодов.
В качестве примера реализации масштабируемой системы сфазированного многоканального твердотельного лазера можно рассмотреть структуру твердотельных лазеров с диодной накачкой на основе прямоугольных элементов типа «шахматная доска», обеспечивающих максимально плотную упаковку отдельных лазерных источников. Такая упаковка позволяет максимально уменьшить габариты сборки, что является принципиально важным для последующей синхронизации источников. При этом обеспечивается очень эффективный теплоотвод из объема активного элемента – вследствие его малой толщины и развитой поверхности теплосъема. В данной конфигурации допустимая мощность будет лимитироваться не теплоотводом, а возможностями лазерных диодных линеек. Представленная система позволяет получить реальные апертуры зеркал и фазирующей оптической системы в пределах многих десятков сантиметров. Изготовление оптических элементов большей апертуры не представляется проблематичным. При этом достаточно реальным, исходя из имеющейся на сегодняшний день элементной базы, представляется получить с отдельного излучателя уровень выходной мощности 300-500 Вт. Это позволяет говорить о возможности создания компактного лазерного источника с дифракционным качеством излучения на уровне нескольких МВт. Кроме того, в указанной конфигурации достаточно просто будет получить режим модулированной добротности и, следовательно, периодически повторяющуюся последовательность импульсов с большой пиковой мощностью. Вследствие того, что при фазировке каждый из излучателей обменивается энергией со своим соседом, для получения режима модуляции достаточно промодулировать излучение отдельного источника, например, при помощи электрооптического затвора на основе ВВО. При этом, требуется затвор минимальной апертуры, что позволяет избежать технических проблем, характерных для больших апертур излучателей. Из общих физических соображений можно считать, что при обсуждаемом уровне мощности и требуемой величине лучевой прочности оптических элементов в данной разработке сфазированной многоканальной высокочастотной И-П лазерной системы с полупроводниковой накачкой может быть достигнуто качество лазерного излучения на уровне М2=1.2. В силу слабой зависимости расходимости сфазированной многоканальной дисковой лазерной системы с полупроводниковой накачкой от числа каналов, а это следует из идеологии многоканальных систем и нашего экспериментального опыта работы, дальнейшее увеличение числа каналов лазерной системы до уровня выходной мощности в несколько сотен киловатт реальное качество суммарного лазерного пучка для обоих случаев (непрерывный и И-П) изменится незначительно и останется в пределах М2=1.5.
Высокочастотный И-П режим генерации с варьируемой временной структурой излучения сфазированной многоканальной лазерной системы с полупроводниковой накачкой будет способствовать преодолению проблемы плазменной экранировки мишени, повышению энергосъема в активной среде, повышению качества лазерного излучения, увеличению предельных параметров эффективного воздействия L и-п / L непр. = (I пик./I сред.)1/2, расширению спектра применений в современной технологии.
В будущем высокочастотные мощных И-П лазеры будут использоваться для решения задач: экологические применения мощных лазеров, передачи энергии на значительные расстояния с помощью мощных лазеров; получения мощного плазменного источника излучения в диапазоне десятков-сотен ангстрем, реализацию произвольных геометрий пробоя в трехмерном пространстве и других.
Таким образом, мы прогнозируем решение на базе ЛРД ряда весьма интересных и важных задач, в частности:
1.Создание перехватчика космического мусора и других опасных космических объектов, таких как астероиды, кометы, метеориты.
2.Запуск макрообъектов со сверхвысоким ускорением на порядки большей массы;
3.Реализация сверхдлинных проводящих каналов орбитального масштаба для решения глобальных задач экологии и энергетики.
Последняя задача столь же перспективна, сколь и сложна, и потому ее обсуждение вынесено в разделы 2 и 3.
2. Энергетика атмосферы
2.1 Энергетика атмосферы и управление климатом
В последнее время в литературе появились надежные результаты изучения так называемых джетов и спрайтов –– разрядов в гигантском природном конденсаторе «Ионосфера-Земля». Объем каждого такого разряда составляет около 5-10 тысяч кубических километров, и обычно он возникает над поверхностью океана. Есть случаи и надземных разрядов. Величина переносимой на Землю энергии может составлять до нескольких тераджоулей. Совсем недавно зарегистрирована серия из 5 разрядов в интервале 12 мин. События сопровождаются излучением волн сверхнизкой частоты. Их изучение представляет значительный интерес с многих точек зрения.
Суть наблюдаемых аномальных явлений состоит в электромеханическом преобразовании избытков энергии природного электричества в механическую и тепловую энергии циклонов, тайфунов и других природных катаклизмов. Ионосфера может удерживать лишь определенное количество энергии, и она сбрасывает излишки электричества через атмосферу или трансформирует их в энергию циклонов, бурь, в том числе и внутри Земли. Электрический пробой (в том числе и подземный) такого масштаба энергии может выступать в роли спускового крючка, ведущего к высвобождению накопленной ранее огромной энергии. Путем использования части природного электричества в полезных целях можно управлять погодой планеты. Вызывая искусственные пробои ионосферы можно устраивать сброс управляемых водных осадков в нужных районах земного шара. С помощью мощных лазерных систем, на наш взгляд, можно также пытаться регулировать климат планеты и искать возможности эффективного влияния на амплитуды магнитных бурь, землетрясений и ураганов и даже их предотвращения.
Контроль влияния спрайтов и джетов на процессы в атмосфере важен со многих точек зрения. Необходимо детальное исследование динамики заряженных аэрозолей и их влияния на интенсивность осадков и радиационный баланс атмосферы. Количество атмоcферного электричества тесно связано с важными составляющими природного комплекса планеты, в части выведения из строя систем электронного обеспечения, воздействия на космические аппараты и авиацию, их эффективного энергообеспечения, совершенствования методов сверхдальнего обнаружения в космическом пространстве опасных для жизнедеятельности на Земле объектов, решения проблемы электромагнитного воздействия на экосистемы и различные устройства, определения роли ОЭЦ в системе земных связей и коррекции климатической обстановки на Земле. Данная область исследований чрезвычайно насыщена интересной физикой и в будущем вызовет развитие новых технологий, в том числе и космических.
2.2 Энергетика электрических разрядов
Чтобы продемонстрировать возможности управления молниевыми разрядами с помощью лазеров, рассмотрим сначала детальнее механизм электрического разряда.
Молния –– электрический искровой разряд, проявляющийся, обычно, яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Молнии были зафиксированы, кроме Земли на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране. Средняя длина молнии –– 2-5 км, некоторые разряды простираются в атмосфере на расстояние до 150 км. Обычно наблюдаются линейные молнии, которые относятся к так называемым безэлектродным разрядам, так как они начинаются и заканчиваются в скоплениях заряженных частиц. Это определяет их некоторые до сих пор не вполне объяснённые свойства, отличающие молнии от разрядов между электродами.
Так, молнии не бывают короче нескольких сотен метров; они возникают в электрических полях значительно более слабых, чем поля при межэлектродных разрядах; сбор зарядов, переносимых молнией, происходит за тысячные доли секунды с мириадов мелких, хорошо изолированных друг от друга частиц, расположенных в объёме несколько км3. Наиболее изучен процесс развития молнии в грозовых облаках, при этом молнии могут проходить в самих облаках — внутриоблачные молнии, а могут ударять в землю — наземные молнии.
Для возникновения молнии необходимо, чтобы в относительно малом, но не меньше некоторого критического, объёме облака образовалось электрическое поле с напряжённостью, достаточной для начала электрического разряда ~ 1 МВ/м, а в значительной части облака существовало бы поле со средней напряжённостью, достаточной для поддержания начавшегося разряда ~ 0,1-0,2 МВ/м. В молнии электрическая энергия облака превращается в тепловую и световую.
Процесс развития наземной молнии состоит из несколько стадий.
На первой стадии, в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными электронами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизуют их. Таким образом, возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов — стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью — ступенчатому лидеру молнии.
Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров со скоростью ~ 50 000 000 метров в секунду, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков микросекунд, а свечение сильно ослабевает; затем в последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков метров. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют снова остановка и ослабление свечения.
Эти процессы повторяются при движении лидера до поверхности земли со средней скоростью 200 000 м/с. По мере продвижения лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода.
В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу следует обратный (снизу вверх), или главный, разряд молнии, характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч ампер, яркостью, заметно превышающей яркость лидера, и большой скоростью продвижения, вначале доходящей до ~ 100 000 000 метров в секунду, а в конце уменьшающейся до ~ 10 000 000 метров в секунду. температура канала при главном разряде может превышать 25000°C. Длина канала молнии может быть от 1 до 10 км, а диаметр — несколько сантиметров. После прохождения импульса тока ионизация канала и его свечение ослабевают. В финальной стадии ток молнии может длиться сотые и даже десятые доли сек, достигая сотен и тысяч ампер. Такие молнии называют затяжными, они наиболее часто вызывают пожары.
Главный разряд разряжает нередко только часть облака. Заряды, расположенные на больших высотах, могут дать начало новому стреловидному лидеру, движущемуся непрерывно со скоростью в тысячи километров в секунду. Яркость его свечения близка к яркости ступенчатого лидера. Когда стреловидный лидер доходит до поверхности земли, следует второй главный удар, подобный первому. Обычно молния включает несколько повторных разрядов, но их число может доходить и до нескольких десятков. Длительность многократной молнии может превышать 1 сек. Смещение канала многократной молнии ветром создаёт так называемую ленточную молнию — светящуюся полосу. При попадании молнии непосредственно в грунт возможно образование своеобразного минерала фульгурита, представляющего собой, в основном, спёкшийся кварцевый песок.
Внутриоблачные молнии включают в себя обычно только лидерные стадии; их длина колеблется от 1 до 150 км. Доля внутриоблачных молний растет по мере смещения к экватору, меняясь от 0,5 в умеренных широтах до 0,9 в экваториальной полосе. Прохождение молнии сопровождается изменениями электрических и магнитных полей и радиоизлучением –– так называемыми атмосфериками. Вероятность поражения молнией наземного объекта растет по мере увеличения его высоты и с увеличением электропроводности почвы на поверхности или на некоторой глубине. На этих факторах основано действие громоотвода. Если в облаке существует электрическое поле, достаточное для поддержания разряда, но недостаточное для его возникновения, роль инициатора молнии может выполнить длинный металлический трос, продукты сгорания двигателя самолёта или ракеты. Именно таким образом иногда провоцируются молнии в слоисто-дождевых и мощных кучевых облаках, а иногда происходят трагедии с гибелью людей, находящихся на борту воздушного лайнера. Такое может случиться и с космическим кораблем.
2.3 Молнии в природном конденсаторе «Земля-Облако»
Фундаментальная связь грозовых явлений с электричеством за два с половиной века была надежно подтверждена многочисленными исследованиями геофизиков, метеорологов, специалистов по грозопеленгации и грозозащите. Однако качественный скачок в совершенствовании методов наблюдений в последние два десятилетия привел к неожиданным открытиям в изучении грозовых облаков, молний, орбитального масштаба атмосферной электрической цепи. Похоже, что переживаемый сейчас всплеск интереса к проблемам атмосферного электричества заставит взглянуть по-иному на механизмы формирования электрического поля и его роль в динамике атмосферы и ионосферы Земли.
Сердце атмосферной электрической машины –– грозовое облако, точнее, совокупность одновременно работающих тысяч гроз, распределенных в нижней части атмосферы –– тропосфере. Грозовое облако живет не так уж долго –– от часа до нескольких часов. Но на смену одним грозам приходят другие, формирующиеся в тропосфере по соседству.
Современные спутниковые измерения, а также наземные системы регистрации молний дают исследователям достаточно надежные карты распределения частоты молниевых вспышек по поверхности Земли. Частота вспышек над поверхностью океана в среднем на порядок ниже, чем над континентами в тропиках. Одна из причин такой асимметрии заключается в интенсивной конвекции в континентальных областях, где суша эффективно прогревается солнечным излучением. Быстрый подъем прогретого насыщенного влагой воздуха способствует образованию мощных конвективных облаков вертикального развития, в верхней части которых температура ниже ~ 40°C. В результате формируются частицы льда, снежной крупы, града, взаимодействие которых на фоне быстрого восходящего потока и приводит к разделению зарядов. Над океанами высота облаков в среднем ниже, чем над континентами, и процессы электризации менее эффективны.
В последнее время обсуждается и другой фактор –– различие в концентрациях аэрозолей над океаном и континентами. Так как аэрозоли служат ядрами конденсации, необходимыми для образования частиц в переохлажденном воздухе, то их обилие над сушей повышает вероятность сильной электризации облака. Количественный анализ этого фактора требует детальных экспериментов. Примерно 78% всех молний регистрируется между 30° ю.ш. и 30° с.ш. Максимальная величина средней плотности числа вспышек на единицу поверхности Земли превышает 80 на км2 в год и наблюдается в Африке (Руанда). Весь бассейн реки Конго площадью около 3 млн. км2 регулярно демонстрирует наибольшую энергетическую активность, хотя и другие экваториальные зоны, расположенные в Америке, Азии и Океании, изобилуют грозами. Оказалось, что существенный вклад в глобальную грозовую активность дают грозовые очаги субтропиков и средних широт. Некоторые из них, например, в Северной Аргентине и Парагвае, лидируют по темпу молниевых вспышек.
Прогресс в исследованиях атмосферного электричества связан прежде всего с изучением механизмов генерации и диссипации электрической энергии в атмосфере. Ключевая проблема здесь –– так называемое электрическое динамо, т. е. генерация квазистационарного электрического поля и пространственного заряда в движущейся слабопроводящей среде. Уже в самой формулировке проблемы электрического динамо проявляется ее важная особенность –– очень широкий интервал пространственно-временных масштабов. Чтобы на масштабе в несколько километров возникло электрическое поле, сравнимое по величине с пробойным ~25 кВ/см для влажного воздуха при нормальном давлении, нужно, чтобы беспорядочный обмен зарядами при столкновениях облачных твердых или жидких частиц привел к согласованному эффекту сложения микротоков в макроскопический ток весьма большой величины (несколько ампер), достаточный для быстрого (десятки секунд) процесса разделения зарядов.
Из опыта известно, что в стандартной грозовой ячейке молниевые разряды происходят с завидной регулярностью –– каждые 15-20 с, т.е. действующий в облаке механизм зарядки очень эффективен, хотя средняя плотность электрического заряда редко превышает несколько нКл/м3. Измерения электрического поля на поверхности земли, а также внутри облачной среды с помощью хорошо известного инструментария в виде высотных баллонов, самолетов и ракет в типичном грозовом облаке показали, что основная доля отрицательного заряда –– в среднем несколько десятков кулон –– занимает интервал высот, соответствующий температурам от -10 до -25°C. Основной положительный заряд составляет также несколько десятков кулон, но располагается выше основного отрицательного, поэтому большая часть молниевых разрядов облако –– земля отдает земле отрицательный заряд. В нижней части облака часто обнаруживается положительный заряд, составляющий по величине не более 10 Кл. Для объяснения описанной выше трипольной структуры поля и заряда, –– а в действительности она бывает и более сложной, –– в грозовом облаке рассматривается множество механизмов разделения зарядов. Они зависят от таких факторов как температура, фазовый состав среды, спектр размеров облачных частиц.
Очень важна зависимость величины передаваемого за одно соударение заряда от электрического поля. По этому параметру принято подразделять все механизмы на индукционные и безындукционные. Для первого класса механизмов заряд q зависит от величины и направления внешнего электрического поля и связан с поляризацией взаимодействующих частиц. Безындукционный обмен зарядами между сталкивающимися частицами в явном виде от напряженности поля не зависит. Несмотря на обилие различных механизмов электризации, безындукционный обмен зарядами при столкновениях мелких с размерами от единиц до десятков микрометров кристаллов льда и частиц снежной крупы с размерами порядка нескольких миллиметров представляется главным.
В экспериментах было установлено наличие характерного значения температуры, при которой меняется знак заряда q, –– точки реверса, лежащей обычно между -15 и -20°C. Именно эта особенность сделала данный механизм столь популярным, так как с учетом типичного профиля температуры в облаке она, по крайней мере, хорошо объясняет трипольную структуру распределения плотности заряда. Недавние эксперименты показали, однако, что многие грозовые облака обладают значительно более сложной структурой пространственного заряда. Особенно интересны мезомасштабные, т. е. с горизонтальными масштабами от десятков до сотен километров, конвективные системы, служащие важным источником грозовой активности. Их характерная черта –– наличие единой электрической структуры, включающей область интенсивной конвекции и протяженную, иногда до нескольких сотен километров, стратифицированную область. В области стратификации восходящие потоки достаточно слабые, но электрическое поле имеет устойчивую многослойную структуру. Вблизи нулевой изотермы формируются достаточно узкие, толщиной в несколько сот метров, стабильные слои пространственного заряда, во многом ответственные за высокую молниевую активность мезомасштабных конвективных систем. Многие вопросы, связанные с механизмом и закономерностями образования слоя положительного заряда в окрестности нулевой изотермы, пока остаются до конца не решенными.
Проблема инициации молниевого разряда остается одной из наиболее острых и объединяет комплекс вопросов. Кратко остановимся на двух из них.
Во-первых, как показали измерения на баллонах, ракетах и самолетах, максимальная напряженность электрического поля в грозовых облаках не превышает обычно 2 кВ/см, что существенно ниже порога пробоя сухого воздуха на облачных высотах, составляющего величину порядка 10 кВ/см. В грозовом облаке, однако, разряд развивается во влажном воздухе, содержащем частицы различного размера. Естественно предположить, что пороговое поле достигается в компактной пространственной области, например, на масштабе менее 10 м или вообще на микромасштабах из-за усиления поля на частицах, и на довольно короткое время, так что обычные датчики поля не обеспечивают требуемого пространственно-временного разрешения при регистрации.
Альтернативным объяснением инициации искры в достаточно слабом поле может служить развитие лавины быстрых, так называемых убегающих электронов с энергией порядка 0,1-1 МэВ. Такие электроны могут ускоряться в поле облака благодаря падению силы торможения с ростом энергии частицы. Порог развития лавины почти на порядок ниже обычного порога пробоя сухого воздуха, поэтому при наличии затравочных частиц высокой энергии, которые поставляются космическими лучами, развитие лавины в облаке может породить локализованную область высокой проводимости, способную инициировать искру.
Во-вторых, классическая теория газового разряда не позволяет объяснить быстрый переход облачной среды в проводящее состояние на предварительной стадии молнии. Недавно был предложен и исследован новый сценарий этой стадии, связанный с достижением облаком режима самоорганизованной критичности. В модели электрических ячеек с характерным размером ~ 1-30 м и со случайно растущим в пространстве и времени потенциалом отдельный мелкомасштабный пробой между парой ячеек способен вызвать цепную реакцию внутриоблачных микроразрядов –– разыгрывается стохастический процесс металлизации внутриоблачной среды. Данная модель хорошо описывает экспериментально наблюдаемые особенности предварительной стадии грозового разряда, в том числе динамику микроразрядов и характеристики радиоизлучения. В рамках трехмерной модели динамика таких разрядов ведет к быстрому переходу облачной среды в состояние, напоминающее объемную паутину из динамичных проводящих нитей, на фоне которых и формируется видимый глазом лидерный канал молнии – высоко-проводящий плазменный канал, по которому и переносится основной электрический заряд, накопленный в облаке.
Изучение грозовых явлений включает и эксперименты по искусственной инициации молний –– триггерная молния. Чтобы вызвать разряд в атмосфере под грозовым облаком, сегодня используют ракету, которая оставляет после себя в режиме недостатка окислителя значительное количество проводящей электричество сажи. Как оказалось, инициация происходит при достаточно высокой напряженности поля на поверхности земли под облаком –– не менее 5-10 кВ/м. Впервые классическая схема инициирования разрядов с тянущимся за ракетой проводом была реализована в 1960 году с борта исследовательского судна. С тех пор проведено около тысячи успешных экспериментов, и именно благодаря им была детально исследована физика восходящего и стреловидного лидеров, возвратного удара, механизма внезапного усиления светимости молниевого канала из-за резкого усиления тока и многое другое.
Сегодня открываются новые возможности для управления молниевыми разрядами, в том числе с помощью лазеров. Так, мощные лазеры способны организовать протяженные плазменные каналы в воздухе, которые могли бы инициировать и направлять молниевые разряды, подобно металлической проволоке в триггерной молнии и проводящим каналам из продуктов сгорания специальных геофизических ракет.
На возможность ускорения электронов до релятивистских энергий в поле грозового облака (убегающие электроны) указал еще Чарлз Вильсон в 1925 году. В наши дни эта гипотеза подтвердилась –– о генерации релятивистских частиц и квантов высокочастотного излучения в атмосфере, коррелирующих с грозовой активностью, свидетельствует ряд экспериментов. Так, измерения на баллонах выявили аномальный рост интенсивности рентгеновского и гамма-излучения более чем на два-три порядка в течение примерно минуты с максимумом спектра в области 50-60 кэВ. Наземные наблюдения тоже обнаружили интенсивные вспышки рентгеновского излучения с энергией квантов в несколько сот кэВ, появление которых совпадало с формированием лидера молниевой вспышки и стреловидного лидера триггерной молнии. Наконец, за последние несколько лет были опубликованы результаты наблюдений со спутников всплесков гамма-квантов МэВ-ного уровня, рентгеновского и ультрафиолетового излучения атмосферного происхождения. Для объяснения этих явлений привлекаются упомянутые выше новые для атмосферной электродинамики идеи, а именно: генерация убегающих электронов и пробой на убегающих электронах (3). Энергичные кванты могут возникать в результате тормозного излучения быстрых электронов, взаимодействующих с молекулами воздуха. Модели описывают различные ситуации, включая развитие лавины быстрых электронов при наличии широкого атмосферного ливня космических лучей и пробой на убегающих электронах в сильном поле ступенчатого лидера молнии.
Следует отметить, что рост числа быстрых электронов в поле грозового облака при наличии широкого атмосферного ливня сопровождается рождением большого количества вторичных частиц, и это приводит к генерации импульсов тока и радиоизлучения. Если энергия первичной частицы достаточно велика (1015-1017 эВ), короткий (несколько микросекунд) импульс радиоизлучения может иметь огромную энергию, что объясняет появление так называемых узких биполярных импульсов, наблюдаемых иногда при наземных и спутниковых радиоизмерениях и коррелирующих с грозовой активностью. Формирование столь интенсивных импульсов тока представляет интерес как для понимания механизма генерации молнии, так и для изучения космических лучей сверхвысоких энергий. Интересно, что наличие ячеистой структуры электрического поля в грозовом облаке с амплитудой, превышающей порог убегания, оказывается существенным для процесса ускорения электронов до релятивистских энергий. Случайно ориентированные электрические ячейки наряду с эффектом ускорения убегающих электронов резко увеличивают время их жизни в облаке благодаря диффузному характеру рабочих траекторий. Это позволяет объяснить значительную продолжительность всплесков рентгеновского и гамма-излучений, а также характер их взаимосвязи с молниевыми вспышками. Роль космических лучей в процессах генерации атмосферного электричества продолжают прояснять эксперименты на комплексе «Гроза» Физического института РАН, где уже много лет ведутся исследования корреляции космических процессов с изучаемыми грозовыми явлениями.
2.4 Молнии в природном конденсаторе «Облако-Ионосфера»
Мощный импульс к изучению атмосферного электричества в самом конце XX века дали наблюдения разрядных явлений в средней атмосфере, коррелирующих с грозовой активностью –– спрайтов. Область свечения спрайтов простирается до 85-90 км над землей, а длительность вспышки составляет от единиц до десятков миллисекунд. Эльфы простираются до высот 70-90 км с продолжительностью свечения не менее 100 мс. Джеты –– разряды, стартующие как с земли, так и с верхней части облака, –– распространяются порою до мезосферных высот со скоростью около 100 км/с. Регистрация высотных разрядов и диагностика их характеристик осложнены из-за малого времени жизни и спорадической природы этих разрядов. Отчасти поэтому до сих пор физические модели спрайтов, эльфов и джетов остаются предметом дискуссий.
Оптическая вспышка спрайта в мезосфере возникает через несколько миллисекунд после разряда «облако-земля», иногда на удалении несколько десятков километров по горизонтали от канала молнии. Разряд зажигается на достаточно большой высоте, поскольку порог пробоя воздуха падает с высотой экспоненциально, тогда как амплитуда возмущений электрического поля, возникающих в момент мощных молниевых вспышек конденсатора «Облако-Земля», уменьшается с высотой гораздо медленнее - по степенному закону, и на высотах примерно 75 км в атмосфере превышает порог пробоя. За последнее десятилетие изучение высотных разрядов в атмосфере превратилось в обширное, интенсивно развивающееся направление геофизической электродинамики. И хотя этап накопления данных, характеризующих морфологию этих явлений, отнюдь не завершен, уже можно перейти к исследованию более тонких особенностей структуры и динамики высотных разрядов и их роли в орбитальной электрической цепи и балансе малых составляющих атмосферы. Эксперименты и теоретические расчеты показывают, что эти разряды должны рассматриваться как часть динамического процесса, включающего формирование структуры поля и заряда в облаке и молниевый разряд на землю.
Один из новых и совершенно не изученных вопросов –– это возможное влияние спрайтов и джетов на состав средней атмосферы. Однако учет электродинамических явлений в моделях климата необходим не только в связи с действием грозовых разрядов, как источника оксидов азота в атмосфере. Не менее важен и вопрос о грозовых разрядах, как источниках пожароопасности. Очень большое значение имеет полярность разрядов в конденсаторного типа системе «Облако–Земля» с точки зрения величины энерговыделения на стадии непрерывного тока молнии, а также возможные варианты разделения зарядов облака при наличии избыточной концентрации частиц дыма и пыли. Наконец, еще одной важной задачей является оценка влияния динамики заряженных аэрозолей на интенсивность осадков и радиационный баланс атмосферы.
Широко обсуждаются различные подходы к моделированию, в том числе с привлечением механизма убегающих электронов. В частности, была разработана модель генерации электрического поля в средней атмосфере, которая учитывает особенности распределения заряда и его динамики в орбитального масштаба конвективных системах, служащих основными источниками положительных разрядов на землю. Развита модель, позволяющая описывать тонкую структуру и динамику спрайтов: спрайт представляется как сеть микроразрядов –– стримеров –– и развивается как самоподдерживающийся процесс во внешнем поле. Наряду с упоминавшимся выше процессом металлизации грозового облака, мы имеем здесь еще один пример самоорганизации, когда динамика высотного разряда обусловлена достижением порога так называемого направленного протекания, которое характеризует формирование разветвленных проводящих каналов, перекрывающих всю длину спрайта. Ближайшие перспективы в изучении высотных разрядов в атмосфере связаны с проведением координированных наземных и космических экспериментов, а также с разработкой новых методов диагностики параметров высотных разрядов, в том числе с использованием возможностей радиоволновой и лазерной диагностик.
Электрическое поле атмосферы очень изменчиво. Напряженность вертикальной компоненты поля, которая обычно много больше горизонтальной достигает нескольких кВ/м при осадках, поземках и грозовой облачности. Поэтому вводится понятие условий хорошей погоды, соответствующих скорости ветра не более 6 м/с в отсутствие всякого рода осадков, инея, тумана, нижней облачности. Но даже в этих условиях вблизи поверхности Земли существует электрическое поле напряженностью около 150 В/м, вдоль которого в слабо проводящем воздухе течет электрический ток с плотностью несколько пА/м2. Это поле меняется во времени и пространстве, причем колебания относительно среднего значения могут составлять от единиц до десятков процентов. Измерения электрического поля, тока и проводимости в условиях хорошей погоды служат мощным средством изучения электрического состояния атмосферы. Однако, использовать его можно, только научившись разделять глобальные т.е. планетарного масштаба, орбитальные –– с масштабом порядка высоты нейтральной атмосферы 100 км и локальные возмущения электрических параметров. Последние, в свою очередь, напрямую связаны как с изменениями ионно-аэрозольного состава, так и с динамикой среды. В исследованиях было установлено, что пограничный слой атмосферы характеризуется наличием аэроэлектрических структур, проявляющихся в короткопериодных с периодами от единиц до нескольких сотен секунд пульсациях электрического поля со степенными спектрами.
2.4 Орбитальная электрическая цепь
Электричество хорошей погоды неразрывно связано с грозовым электричеством и составляет часть распределенного токового контура –– орбитальной электрической цепи (ОЭЦ) в атмосфере. Физической причиной формирования ОЭЦ в атмосфере служит резкий рост проводимости воздуха с высотой. Вблизи поверхности Земли проводимость воздуха очень мала и составляет (2-3) 10-14 См/м, что соответствует концентрации легких ионов около 103 см-3. С ростом высоты благодаря увеличению уровня ионизации, определяемого до 40 км галактическими космическими лучами, а выше –– ультрафиолетовым и рентгеновским излучением Солнца, проводимость растет почти экспоненциально с характерным масштабом 6 км. Уже на высоте нижней границы ионосферы (около 80 км) она увеличивается более чем на 10 порядков по сравнению с тропосферой. Проводимость земли в поверхностном слое, и тем более воды в океане тоже превышает проводимость пограничного слоя атмосферы на 10-12 порядков.
Таким образом, постоянно функционирующие грозовые генераторы оказываются сосредоточенными в достаточно узком слабо проводящем слое между земной поверхностью и ионосферой. Часто при упрощенном описании ОЭЦ земная поверхность и нижняя граница ионосферы (70–80 км) рассматриваются как обкладки еще одного гигантского сферического конденсатора орбитального масштаба, который разряжается в областях хорошей погоды и заряжается в областях грозовой активности. При этом квазистационарные токи зарядки не замыкаются полностью на землю вблизи грозовых облаков, а частично затягиваются в вышележащую область высокой проводимости и растекаются по ионосфере. Считается, что именно квазистационарные токи в первую очередь несут ответственность за поддержание разности потенциалов ~ 350 кВ между ионосферой и землей.
Так как верхняя часть большинства грозовых облаков имеет положительный заряд, потенциал ионосферы также оказывается положительным, и в областях хорошей погоды электрическое поле направлено вниз, обусловливая тем самым токи проводимости, замыкающие ОЭЦ. Если бы действие генераторов прекратилось, разность потенциалов между поверхностью Земли и ионосферой исчезла бы за время не более десятка минут.
Наряду с грозовыми генераторами, потенциально важным источником атмосферного электричества может служить орбитальный электрический генератор, обусловленный немонолитным характером вращения плазменной оболочки планеты. Чтобы понять в деталях механизм работы ОЭЦ и ее роль в системе солнечно –– земных связей, разобраться в пространственно-временной динамике, необходимы комплексные эксперименты, включающие высокоточные измерения электрического поля и тока на орбитальных масштабах и измерения интегральной активности грозовых генераторов. Для понимания работы ОЭЦ нужны адекватные модели грозовых генераторов, дающие возможность рассчитывать квазистационарные и импульсные токи, а также вклад генераторов в полную энергетику ОЭЦ. Результаты расчетов показывают, что вклад мезомасштабных конвективных систем в ОЭЦ может существенно превосходить вклад одиночных гроз. Несмотря на значительное возмущение электрического потенциала в области конвекции, достигающее сотен мегавольт, основной вклад в полный вертикальный ток и структура полей и токов в окрестности мезомасштабных конвективных систем определяются областью стратификации.
С учетом последних экспериментальных данных и основанных на них теоретических оценок было создано новое описание ОЭЦ, поддерживаемой в состоянии динамического равновесия поступающим в нее потоком энергии, в первую очередь энергии излучения Солнца. Установлено, что электрическая энергия генерируется преимущественно в областях пониженного атмосферного давления и в зонах холодных фронтов и составляет в среднем 5·1014 Дж, что на два-три порядка выше энергии, сосредоточенной в орбитальном сферическом конденсаторе земля –– ионосфера. Средняя скорость диссипации электрической энергии 4·1011 Вт превышает скорость рассеяния энергии в тектонических и магматических процессах и характеризует ОЭЦ как весьма динамичную систему с очень малой постоянной времени обновления электрической энергии. Процесс трансформации энергии в атмосфере сопровождается генерацией диссипативных структур различных масштабов, в частности конвективных систем и аэроэлектрических структур, что наглядно можно представить себе в виде глобальных процессов накопления электрической энергии и ее диссипации в атмосфере. Совершенно очевидно, что в ближайшее время изучение энергетики атмосферы, структуры и динамики ОЭЦ будет оставаться одной из наиболее интересных и актуальных задач исследования и приручения атмосферного электричества.
Для управления природными явлениями необходимо стабилизировать величину восполняемых от Солнца запасов энергии в ионосфере. Это может быть достигнуто путем контролируемой передачи энергии из ионосферы на Землю с помощью сверхдлинных проводящих каналов, которые можно получать с помощью мощных лазеров и технологии «Импульсара», которая в сочетании с высоковольтным высокочастотным источником может быть полезной в решении перечисленных выше задач, в значительной степени пересекающихся с задачами, решаемыми американской программой HAARP (4).
3. Сверхдлинный токопроводящий канал
3.1 Лазерные методы создания проводящих каналов
Большой научный интерес представляет разработка новых методов однопроводной передачи энергии на большие расстояния. Эти работы являются развитием исследований Николы Теслы в начале XX века. В частности, в последнее время показана высокоэффективная передача энергии между двумя резонансными контурами, соединенными тонкой проволокой длиной более километра. В этих экспериментах использовались трансформаторы Тесла с выходным напряжением несколько десятков киловольт и мощностью до 10 кВт. Очевидным и весьма эффективным усовершенствованием данной технологии представляется замена проволоки лазеро-плазменным каналом.
Вместе с этим в последние 20 лет в лабораториях многих развитых стран ведутся исследования по созданию эффективной системы лазерной молниезащиты. В ее основе лежит так называемая длинная лазерная искра, соединяющая грозовое облако с заземленным металлическим стержнем –– классическим молниеотводом. Максимальные длины управляемого лазерной искрой электрического разряда ~ 16 м были получены нами, как в России, так и в Японии при использовании импульсных электроразрядных СО2-лазеров с энергией до 0,5 кДж и сферической оптической системы. Среди огромного количества различных типов лазеров для направляемых лазерной искрой электрических разрядов нашли широкое применение только два типа: импульсные субмикросекундные СО2-лазеры и фемтосекундные твердотельные лазеры.
Основным преимуществом фемтосекундных лазеров является возможность создания в атмосфере вдоль направления распространения лазерного луча одного или нескольких параллельных ионизованных каналов, так называемых филаментов, с характерным диаметром 100 мкм при незначительных энергиях импульсов. При оценочных плотностях электронов в таких филаментах до 1016 1/см3 и длине волны лазера в интервале 0,5–1,0 мкм плазма практически не поглощает лазерное излучение. В этом случае длина канала определяется интенсивностью лазерного излучения и в случае энергии фемтосекундного импульса ~ 100 мДж может достигать 150-200 м. Возможность существенного увеличения длины филаментов может быть связана только с применением уникальных сверхмощных фемтосекундных лазерных систем с энергией ~ 1 Дж и более. Однако, такие системы в настоящее время существуют в виде уникальных лабораторных стендов и вряд ли могут быть использованы для коммерческих и иных применений. Другим важным недостатком фемтосекундной технологии создания проводящих каналов является их высокое омическое сопротивление, не позволяющее филаментам служить эффективным проводящим каналом для передачи электрической энергии.
В случае использования импульсных СО2-лазеров и классической сферической или конической оптики длина искрового канала определяется параметрами каустики лазера и той ее части, в которой интенсивность излучения превышает пороговое значение для оптического пробоя воздуха. Наличие порога по интенсивности связано с особенностями механизма формирования плазмы, в котором происходит лавинное размножение исходных фоновых электронов в поле лазерного излучения. Принципиальным отличием геометрии искры в случае длинного импульса и сферической оптики от случая с фемтосекундными лазерами является то, что лазерная искра занимает объем внутри каустики от фокальной плоскости в сторону лазера, т.к. излучение лазера не может пройти через созданную им плазму. При этом для формирования максимально длинной искры важным является использование импульсов СО2 лазера традиционной формы, т.е. с коротким (50-100 нс) пичком и длинным (1-3 мкс) хвостом. В этом случае длинный хвост обеспечивает догрев движущейся навстречу лазерному лучу и расширяющейся в каустике лазерной плазмы и, соответственно, увеличение общей длины лазерной искры. Длины лазерной искры более сотни метров были получены еще в СССР с помощью СО2-лазера с энергией излучения ~ 5 кДж и классической формой импульса излучения.
В случае же использования конической оптики появляется возможность формирования лазерно-плазменных каналов существенно большей длины. По нашим оценкам длина таких каналов в случае конической оптики может достигать нескольких километров при использовании И-П СО2 лазеров со средней мощностью в 0,1-1 МВт. В этом случае геометрия искры совершенно другая: происходит как бы последовательное схлопывание лазерного пучка на его оси, при этом длина области схлопывания определяется только диаметром пучка на коническом зеркале и углом конуса. В этом случае в отличие от сферической оптики плазменный фронт движется в направлении лазерного луча, т.е. от поверхности фокусирующего зеркала во вне, при этом различные пространственные области в сечении лазерного пучка формируют различные участки плазменного канала. Поэтому возможно формирование очень длинных лазерных искр даже при сравнительно коротких длинах лазерных импульсов. Фоторегистрация искры показала, что она состоит из множества почти соприкасающихся между собой элементов, по форме напоминающих китайскую конической формы шапочку, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга.
Таким образом, при проведении экспериментов по передаче электрической энергии между двумя резонансными контурами, расположенными на расстоянии 1-100 м, можно использовать оба типа лазеров. В то же время для создания коммерческих систем передачи энергии мощные высокочастотные И-П СО2-лазеры выглядят более перспективными, так как обладают существенно более низким порогом оптического пробоя воздуха и являются инженерно-технически более продвинутыми в плане масштабирования выходной энергетики импульсных систем до многих десятков килоджоулей, а для систем, излучающих непрерывное излучение до нескольких мегаватт.
Проведенные до настоящего времени эксперименты по реализации направляемых лазером, или точнее, лазерной искрой электрических разрядов показали еще одно принципиальное различие в применении фемтосекундных твердотельных и субмикросекундных СО2-лазеров. В первом случае (фемтосекундные лазеры) удалось добиться того, что направление движения лидера в высоковольтном пробое было прямолинейным и совпадало с направлением лазерной искры, а также достичь существенного увеличения скорости движения лидера, т.е. уменьшения времени коммутации высоковольтного промежутка, однако длина коммутируемого промежутка осталась на уровне нескольких метров в силу значительной высокоомности микронного сечения филаментов. Пробивное напряжение лазерно-плазменного канала, состоящего из филаментов, также практически не снижалось.
Во втором случае (СО2-лазерный пробой воздуха), помимо значительного увеличения скорости лидера, удалось также существенно снизить пробивное напряжение (>10). Эти результаты свидетельствуют о том, что проводимость лазерной плазмы в случае СО2 лазера существенно выше, а в случае конической оптики значительно меньше и время ее включения. Поэтому рекордные длины направляемого одиночным лазерным импульсом хорошо воспроизводимого электрического разряда в несколько десятков метров были получены именно с помощью мощного импульсного СО2 лазера с конической фокусирующей оптикой.
Как уже говорилось выше, геометрия плазменных каналов для двух типов лазеров совершенно различна: набор тонких параллельных друг другу филаментов (фемтосекундный лазер) или одноканальная, более или менее однородная плазма (мощные субмикросекундные СО2 или ДФ-лазеры). Сегодня уже можно утверждать, что мощные импульсные молекулярные лазеры и механизм лазерного пробоя среды имеют решающее преимущество перед фемтосекундной идеологией для решения задачи передачи энергии в случае больших длин лазерно-плазменного канала.
Эксперименты, проведенные нами в ИОФ им. А. М. Прохорова РАН с традиционной формой излучения импульсного СО2-лазера и небольшим (до 600 В) потенциалом, приложенным к концам лазерной искры, показали, что свечение лазерной плазмы сохраняется не более 10 мкс, в то время как проводимость лазерно-плазменного канала существует значительно дольше –– до 100 мкс. Высокочастотный И-П режим генерации излучения способен решить задачи воспроизведения проводящего канала в течение длительного времени и увеличения его общей длины. Наиболее существенным недостатком описанного способа является то, что его невозможно напрямую использовать в вакууме, т. е. за пределами земной атмосферы.
3.2 Мощные пучки для создания проводящих каналов
В литературе подробно описаны способы передачи электрической энергии с помощью релятивистских пучков электронов высоких энергий. Недостатком данного подхода является факт больших потерь энергии на рассеивание при столкновении электронов с молекулами в газовой среде, что ограничивает длину распространения и мощность электронного потока в атмосфере. Недостатком также является и необходимость преобразования электронного потока у потребителя в электрическую энергию с заданными параметрами, так как именно поток электронов представляет собой источник тока. Отбор энергии от пучка электронов производят за счет торможения электронов в электрическом поле конденсатора и увеличения заряда конденсатора. В магнитном поле энергия пучка электронов преобразуется в синхротронное излучение. При облучении твердой мишени энергия пучка электронов превратится в теплоту, которую можно преобразовать в электрическую энергию с помощью известных термодинамических циклов преобразования энергии.
Известен также и способ передачи электрической энергии, включающий генерирование высокочастотных электромагнитных колебаний и передачу их по проводящему каналу между источником и приемником электрической энергии, в котором проводящий канал можно сформировать с помощью ускорителя в виде релятивистского пучка электронов, на который подают высокое напряжение с частотой до 300 кГц –– от спиральной антенны бегущей волны. Для увеличения радиационной безопасности проводящий канал предлагается формировать в виде двух пересекающихся пучков, один из которых формируется в атмосфере с помощью лазера, а второй –– в разреженной среде и за пределами атмосферы в виде релятивистского пучка электронов.
Пучки в проводящем канале могут быть направлены соосно встречно друг другу, пучок релятивистских электронов направляется преимущественно из оптически менее плотной среды в сторону оптически более плотной среды, а лазерное излучение преимущественно из оптической более плотной среды в сторону оптической менее плотной среды. Формирование проводящего канала может осуществляться путем передачи вдоль оси канала соосного релятивистского пучка электронов и лазерного пучка и подачи на проводящий канал высокого напряжения от высокочастотного трансформатора Тесла или путем передачи вдоль оси канала двух параллельных пучков лазерного излучения и релятивистских электронов, расстояние между которыми не превышает поперечного размера меньшего по диаметру пучка.
Для передачи электрической энергии по линии, отличной от прямой, проводящий канал должен содержать проводящее тело, которое необходимо облучать с одной или нескольких сторон с помощью релятивистских пучков электронов и лазерных пучков, соединенных с высоковольтными трансформаторами Тесла. Недостатками такого способа передачи энергии, несомненно, являются сложность его реализации, обусловленная необходимостью использования большого количества технически сложных устройств ускорителя релятивистских пучков электронов, проблемы неустойчивости мощных пучков электронов, а также полное отсутствие на практике и в ближайшей перспективе гипотетического сверхмощного рентгеновского лазера для создания необходимых проводящих каналов. В то же время хорошо известно, что все способы преобразования электрической энергии электронного пучка в электрический ток характеризуются низкой эффективностью, а рентгеновского лазера требуемой мощности все еще нет и, как представляется на данный момент времени, он еще достаточно долго не будет создан.
3.3 Технология «Импульсара» –– новый подход к созданию проводящих каналов большой длины
Новый способ передачи энергии и предложение нового подхода к формированию передающего канала направлены на существенное упрощение способа передачи электрической энергии, в том числе и в условиях непроводящей среды. Необходимый результат может быть достигнут благодаря применению технологии «Импульсара». Передача энергии в данном случае достигается благодаря тому, что в конструкцию фокусирующей системы помещают источник создания среды в виде легкоионизируемого вещества, образующего парогазовую среду с низким порогом пробоя, что особенно важно в случае недостаточно высокого давления среды или непосредственно в вакууме. Перемещение в среде оптической фокусирующей системы и направление на нее излучения И-П лазера с энергией достаточной для пробоя среды в фокусе оптической системы обеспечивает формирование непрерывного токопроводящего канала в воздушной среде за счет ее ионизации, при этом, как показывают расчеты, указанный диапазон частот импульсов лазера и обеспечивает непрерывность формируемого токопроводящего канала в том диапазоне скоростей перемещаемой фокусирующей системы, который может быть реализован в этой среде.
Действительно, каждый импульс лазерного излучения, сфокусированный затем фокусирующей системой, создает в области фокуса некоторую протяженную область плазмы, которая распространяется на относительно небольшой отрезок пространства в траектории перемещения фокусирующей системы. Если импульсы излучения от лазера будут следовать с малой частотой, то при некоторых скоростях перемещения фокусирующей системы эти области будут представлять собой нечто похожее на пунктирную линию. При частоте же более 10 кГц и оптимальных для среды скоростях перемещения эти области ионизации уже не будут иметь разрывов и формируемый проводящий канал будет сплошным.
Однако, при выходе перемещаемой оптической системы в разреженные слои атмосферы и далее в вакуум возникает проблема дефицита среды, которая могла бы восполнить недостаток ионизируемого газа. Для этого, как уже отмечалось выше, перемещаемая оптическая система должна быть снабжена источником создания среды в окрестностях фокуса в виде возгоняющегося под воздействием падающего на него лазерного излучения легкоионизируемого вещества, содержащего наночастицы металлов или вещества, которое под воздействием лазерного излучения обеспечивает синтез таких наночастиц. Наличие источника легкоионизируемого вещества, возгоняющегося под воздействием лазерного излучения, позволяет формировать токопроводящий канал в вакууме и обеспечивает при этом его непрерывность. Наличие в возгоняющемся веществе наночастиц металлов позволяет одновременно с улучшением условий проводимости канала также увеличить и величину удельного импульса тяги ЛРД (лазерного реактивного двигателя, содержащего мобильную оптическую систему и резервуар с возгоняемым веществом), который в сущности при данном использовании и определяет время достижения требуемой дальности (высоты) канала передачи электроэнергии.
В случае больших длин проводящих каналов целесообразно излучение высокочастотного И-П лазера формировать в виде временной структуры, обеспечивающей пробой среды в каждом импульсе излучения с возникновением в ней ударных волн, скорость распространения, а значит и энергия которых зависит от значения пиковой интенсивности лазерного импульса. В этом случае перемещаемая фокусирующая оптическая система получает значительную величину количества движения, которое и обеспечивает требуемое ускорение по направлению распространения лазерного луча. Внесение электрода источника высокого напряжения в токопроводящий канал, формируемый перемещаемой оптической фокусирующей системой, позволяет, с одной стороны, поддерживать проводящий канал требуемой длины, сечения и направления от источника излучения (поверхность Земли), а с другой стороны, передавать энергию по этому каналу.
Для того чтобы облегчить пробой среды в фокусе оптической системы с возникновением при необходимости кроме проводящего канала еще и ударной волны, целесообразно использовать в качестве источника создания среды легкоионизируемые вещества, образующие парогазовую среду с низким порогом пробоя. Последнее обстоятельство позволяет существенно снизить требования к величине энергии в каждом импульсе лазерного излучения.
Перемещаемая фокусирующая система может быть выполнена в виде конического тела вращения или комбинации цилиндра и конуса, обращенного вершиной в сторону направления ее движения. В торце перемещаемой системы должна быть установлена оптика, которая может быть выбрана из числа известных оптических систем, и обеспечивающая фокусировку излучения, падающего на торец, на некотором расстоянии от него. В самом теле перемещаемой системы размещается возгоняющееся под воздействием лазерного излучения легкоионизируемое вещество, содержащее наночастицы металла или вещества, обеспечивающие их синтез. В качестве легкоионизируемого вещества может быть использован воск, парафин, делрин (высококачественный ацетальный гомо-полимер) и др. полимерные вещества. Наночастицы металла могут иметь характерный размер, например, 10-100 нм и изготовлены из таких металлов, как алюминий, олово, медь, вольфрам, молибден, свинец. В качестве вещества, позволяющего синтезировать наночастицы металла или металлокомпозитные материалы, обладающие достаточно высокой электропроводностью и низкой работой выхода, могут быть использованы углеродсодержащие вещества в комбинации со щелочными металлами. Из литературы известны металлофуллерены на основе щелочных металлов, фуллериды меди, которые являются высокотемпературными сверхпроводниками с Тс>140К и т.п. Для получения нанокристаллических порошков применяется плазменный и лазерный способы нагрева. В литературе известны работы, в которых были получены наночастицы карбидов, оксидов и нитридов с помощью импульсного лазерного нагрева металлов в разреженной атмосфере метана (в случае карбидов), кислорода (в случае оксидов), азота или аммиака (в случае нитридов). Импульсное лазерное испарение металлов в атмосфере инертного газа (Не или Аr) и газа-реагента (O2, N2, NН3, СН4) позволяет получать смеси нанокристаллических оксидов различных металлов, окcидно-нитридные или карбидно-нитридные смеси. Состав и размер наночастиц можно контролировать изменением давления и состава атмосферы (инертный газ и газ реагент), мощностью лазерного импульса или температурного градиента при охлаждении
Содержание наночастиц в возгоняющемся веществе обычно составляет 10-15% по массе. В качестве источника лазерного излучения может быть использован высокочастотный И-П лазер, обеспечивающий необходимую частоту следования импульсов и энергию в импульсе. Перемещаемая фокусирующая система может запускаться непосредственно от поверхности Земли или с борта воздушного или космического судна с помощью излучения высокочастотного И-П лазера с энергией достаточной для пробоя среды в фокусе оптической системы. В результате фокусировки излучения лазера в относительно небольшом объеме вблизи оптической системы происходит пробой среды, которая в нем находится. В случае перемещения в атмосфере –– это воздух, а в вакууме –– парогазовая фаза вещества после его абляции лазерным излучением. В результате пробоя возникает область ионизации, которая распространяется на некоторое расстояние вслед за перемещающейся фокусирующей системой, и ударная волна, которая придает перемещающейся системе дополнительное количество движения, приводящее к ее ускорению. При переходе перемещаемой фокусирующей системы в разреженные слои атмосферы или открытый космос, пробой и возникающая при этом ударная волна, как уже отмечалось, будут осуществляться в среде, источником которой служит легкоионизируемое вещество, которым снабжена перемещаемая система. При удалении перемещаемой фокусирующей системы на заданное расстояние или по достижению ею приемника энергии в токопроводящий канал необходимо поместить электрод источника высокого напряжения и обеспечить передачу энергии.
Для проверки нового подхода к созданию проводящих каналов была изготовлена перемещаемая фокусирующая система, которая представляла собой двойной конус из титановой фольги диаметром 5 и длиной 10 мм. С одной стороны перемещаемого лазерным излучением объекта был присоединен конус с углом 15 град. при вершине. Во внутренней полости оптической системы было размещено незначительное количество парафина (<15%), содержащего равномерно распределенные в нем частицы графита или пермалоя с размером 10-100 нм в количестве 20% по массе. С другой стороны объекта была закреплена оптическая система фокусировки, выполненная в виде внеосевой параболы. Содержащий перемещаемую фокусирующую систему объект был запущен вверх от поверхности оптического стола с помощью излучения высокочастотного И-П СО2-лазера со средней мощностью 1 кВт. В сформированный ею из плазмы легкоионизуемого вещества (парафин) и наночастиц проводящего вещества (пермалой, графит) с помощью излучения лазера проводящий канал был помещен электрод высоковольтного генератора с выходным напряжением 50 кв. и мощностью 1 кВт. Проводимость канала оказалась достаточной для разряда конденсаторной батареи на землю при достижении перемещаемой оптической системой земляной шины, расположенной в конечной точке подъема. Величина удельного пробойного напряжения созданной таким образом среды оказалась равной 300в/см. Очевидно, что указанная величина не является физическим пределом и может быть значительно уменьшена.
4. Программа HAARP
Как хорошо известно, НААRP (4) является программой высокочастотных активных авроральных исследований — американский научно-исследовательский проект по изучению полярных сияний, по другим данным — геофизическое или ионосферное оружие. Слухи о сомнительных экспериментах с погодой в США не раз становились причиной политических скандалов. После знаменитого наводнения 2002 года такого рода скандалы прокатились по Европе — тогда парламентарии многих стран впервые внятно обвиняли США в подрыве экономики ЕС. Комитет по обороне Государственной Думы РФ в те годы также выносил на широкое обсуждение вопрос о пагубном воздействии на климат экспериментов по воздействию на ионосферу и магнитосферу Земли. События прошедшего лета дали дополнительную пищу для подобных обсуждений в прессе и парламентских запросов. Фраза о 5-летнем мальчике, тыкающем острой палкой в спину спящему медведю и не вполне понимающем всю совокупность последствий этого, все лето не сходила со страниц западных газет и журналов.
Из сайта названной выше программы известно, что на севере США в 400 км от Анкориджа, на военной базе Гакхона, и находится этот пресловутый объект. Огромный участок территории засеян лесом 25-метровых антенн. Это и есть HAARP. База обнесена колючей проволокой, периметр охраняют вооруженные патрули морской пехоты, а воздушное пространство над исследовательским стендом зарыто для всех видов гражданских и военных самолетов. После событий 11 сентября 2001 года вокруг HAARP согласно американской печати установлены и противовоздушные комплексы ПВО.
Эта установка была построена совместными силами ВМС и ВВС США для изучения возможностей боевого применения возмущений в ионосфере и магнитосфере Земли. Научные журналы утверждают, что с помощью HAARP можно вызывать искусственные северные сияния (если бы только это), забивать помехами, расположенные за горизонтом радиолокационные станции раннего обнаружения пусков баллистических ракет, связываться с подводными лодками в океане и даже обнаруживать подземные секретные комплексы противника. Радиоизлучение HAARP по заявлениям американских специалистов способно проникать под землю и диагностировать скрытые бункеры и тоннели, выжигать электронику, выводить из строя космические спутники. Кроме того, специалисты, работающие на HAARP, пытаются создать технологии воздействия на атмосферу, которые позволят изменять погоду вплоть до возбуждения стихийных бедствий: мощных ливней, землетрясений, наводнений и ураганов и тем самым влиять на экономику стран и регионов, а значит и на их политическую систему.
В этой связи следует сказать, что успешные разработки технологии высокочастотного И-П режима мощных лазеров и технологии ЛРД для решения задач «Импульсара» позволяют предвидеть возможность реализации хорошо проводящих каналов длиной в несколько десятков и сотен километров с целью передачи энергии на значительные расстояния, реализации эффективного метода контроля и тестирования ионосферы, создания новой перспективной для освоения космического пространства энергетики и способствовать существенному улучшению глобальной экологии планеты.
Заключение
Таким образом, согласно нашим оценкам в XXI веке будут интенсивно развиваться технологии лазерного реактивного движения, именно по тому сценарию, который предвидел Константин Циолковский в своих мемуарах. В первую очередь такая технология начнет применяться для ориентации и расчетного перемещения космических аппаратов, космического мусора и астероидов в межпланетном пространстве. Далее они начнут практически использоваться и для вывода на орбиту полезной нагрузки. Также с помощью мощных лазеров в скором времени будут создаваться протяженные плазменные каналы, как в космосе, так и в атмосфере, которые будут способны инициировать и направлять разряды мощных природных конденсаторов в интересах энергетики будущего. Лазерные технологии, несомненно, будут использоваться и для решения планетарных задач космического масштаба –– таких, как управление климатом, смягчение или полное устранение разрушительного воздействия атмосферных явлений, диагностика разрушительных тектонических эффектов природы.
Литература
1. International Symposiumon Beamed Energy Propulsion (ISBEP1 – ISBEP6). Симпозиумы проводятся попеременно в США и в Японии с 2000 года.
2. Apollonov V.V., Baturin Yu.M., Bashilov A.S., Katorgin B.I., Misin P.P., Shurov A.I. The Impulsar Project: General Descripton and Implementation // ISBEP4. International Symposium on Beamed Energy Propulsion, 15-18 November 2005. Nara, Japan, 2005, p.22.
3. Гуревич А.В.и др. УФН, т.179, 2009, №7.
4. HAARP (High Frequency Active Auroral Research Program — программа высокочастотных активных авроральных исследований) — американский научно-исследовательский проект по изучению полярных сияний, по другим данным — геофизическое или ионосферное оружие.
Диалог профессионалов. Академик Виктор АПОЛЛОНОВ и заместитель главного редактора "ЭкоГрада" Александр ПЕРЕПЕЧКО.
Фото Валерия ЛОМОВА.
Виктор Аполлонов в «ЭкоГраде»
Борьба с космическим мусором с помощью лазеров
Многозарядные ионы и их эффективные применения
Лазер на службе в ледокольном флоте
Силовая оптика и ее новые проявления
Лазерное лечение острых форм туберкулеза
Какой режим работы лазера является максимально эффективным?
Дисковые лазеры: преимущества и перспективы
