Спосіб зменшення аеродинамічної сили

Винахід відноситься до авіації, зокрема до гіперзвукових літальних апаратів (далі ЛА) і може переважно використовува тися в ракетній і космічній техніці для керування аеродинамічною силою. Є відомий спосіб зменшення аеродинамічної сили, що включає зменшення щільності газового потоку, що набігає на літальний апарат шляхом створення в носовій частині фюзеляжу і передніх крайках крил штучного плазменого утворення за допомогою системи електродів, перетворювача енергії і магнітогазодинамічного генератора. Додатково керують обтіканням іонів плазменого потоку за допомогою генерації штучного плазменого утворення поблизу поверхні літального апарата [1]. Однак відомий спосіб недостатньо ефективний, тому що він не виключає виникнення головної ударної хвилі, що не дозволяє повною мірою зменшити аеродинамічну силу. Найбільш близьким по технічній сутності і результату, що досягається, до запропонованого, є спосіб зменшення аеродинамічної сили гіперзвукових літальних апаратів, що включає зменшення щільності газового потоку, що набігає на літальний апарат, шляхом створення електромагнітного поля уздовж корпусу апарата за допомогою послідовного ряду Н-подібних магнітопроводів, рівномірно розташованих по окружності корпусу апарата на рівні його поверхні. Додатково керують обтіканням іонів плазменого потоку за допомогою електромагнітного поля поблизу поверхні літального апарата [2]. Однак відомий спосіб також недостатньо ефективний, тому що він не виключає виникнення головної ударної хвилі, що не дозволяє повною мірою зменшити аеродинамічну силу. Задачею винаходу є створення способу зменшення аеродинамічної сили, використання якого дозволить виключити виникнення головної ударної хвилі і пов'язане з цим виникнення плазми і тим самим багаторазово збільшити швидкість переміщення реактивного літального апарата в атмосфері Землі й інших планет, зменшити витрату реактивного палива, усунути газодинамічний нагрів літального апарата, забезпечити з ним стійкий радіозв'язок. Поставлена задача вирішується таким чином. У відомому способі, що включає зменшення щільності газового потоку, що набігає на ЛА, електромагнітним впливом попереду літального апарата і керування обтіканням газового потоку молекул, що досягла поверхні літального апарата, відповідно до винаходу, зустрічне газовому потоку, що набігає, постійно впливають трьома когерентними електромагнітними потоками заданих параметрів, одним із яких створюють гальмування молекул газового потоку, що рухаються у лобовому напрямку, другим викликають деколімацію газового потоку до утворення вакуумної порожнини, третім викликають перекачування молекул для забезпечення циклічності процесів поглинаннявипромінювання, при цьому, періодично після утворення вакуумної порожнини четвертим електромагнітним потоком створюють навколо вакуумної порожнини потенційний бар'єр для молекул із зовні, а керування обтіканням, молекул газового потоку, що прорвалися, здійснюють за допомогою світлоіндукованої оболонки на відстані порядку довжини світлової хвилі від поверхні літального апарата, де створюють градієнтне електромагнітне поле із позитивним відстроюванням частоти щодо однієї з резонансних частот молекул, що набігають на літальний апарат і дзеркально відбивають їх. Зустрічне газовому потоку, що набігає, впливають чотирма потоками лазерного випромінювання. Спосіб утворення вакуумних порожнин (далі ВП) в атмосфері Землі відомий і здійснюється за допомогою надпотужних НВЧ імпульсів, утворених в іоносфері і переміщуваних у будь-яку точку атмосфери Землі впливом лазерів (плазмена решітка "HAARP")[4]. До недоліків відноситься необхідність утворення плазмоіда з високими температурами. Досягнуте в останні роки розуміння механізмів керування рухом атомів лазерним світлом, ролі в цих процесах світлового розширення і зсувів енергетичних рівнів в атомах, поява нового покоління високоефективних лазерів, досвіди по охолодженню і полону атомів в оптичні пастки дозволяють обґрунтувати практичну реалізуємість запропонованого винаходу. Експериментальне встановлений ефект виштовхування атомів градієнтною силою зі світлового пучка при відстроюванні частоти випромінювання лазера в блакитний бік може бути значно посилений погодженою дією декількох лазерів. Для здійснення даного проекту важливу роль також мають наступні фізичні ефекти: експериментальне отриманий полон атомів лазерно-індукованими ґратами, розроблені методи боротьби з оптичним накачуванням і доплеровським зсувом. До відомостей, що підтверджують можливість здійснення винаходу, варто віднести гарну вивченість спектрів молекул, що входять до складу атмосфери і, насамперед, молекул азоту і кисню. Велике значення має також розвиненість методів виміру і контролю над розподілом повітряних потоків у просторі і по швидкостях (оптична анемометрія). Спостереження за зміною щільності потоку, що обтікає ЛА і відпрацьовування оптимального режиму лазерного впливу, може бути проведене в аеродинамічній трубі. В зв'язку з тим, що власні частоти коливань повітря є й у сантиметровому діапазоні хвиль (наприклад, l =0,5см і 0,25см), то для ефективного впливу на газ, крім лазерів, можливо також застосування мазерів. Більш докладно сутність винаходу пояснюється кресленням, на якому схематично зображені: на фіг.1 взаємне розташування літального апарата, електромагнітних і газових потоків; на фіг.2 - розріз по А-А на фіг.1 (форма поперечного перерізу вакуумної порожнини). Попереду літального апарата 1 створюють чотири когерентних електромагнітних потоки 2 (показані одним світловим пучком), що впливають на зустрічний газовий потік 3, у якому створюється вакуумна порожнина 4. Потенційний бар'єр позначений позицією 5, світлоіндукована оболонка - 6. Спосіб здійснюють таким чином. Зменшення аеродинамічної сили, що діє на літальний апарат, досягається за рахунок перетворення частини енергії лазерного випромінювання в енергію упорядкованого руху в радіальному напрямку молекул газу, що складають атмосферу. Розташовані на борті літального апарата лазери генерують у напрямку руху літального апарата 1 когерентне електромагнітне випромінювання оптичного діапазону. Частоти випромінювання лазерів лежать поблизу резонансних частот визначених переходів у молекулах. Просторово-часову зміну інтенсивностей і частот лазерів здійснюють таким чином, щоб найбільш ефективним образом видалити молекули з області молекулярно-фотонних взаємодій. Це буде мати місце, якщо зміна частот відбувається поблизу часто т, відповідних найбільш яскравим лініям спектра випромінювання молекул. Найбільш важливим для досягнення технічного результату є зменшення аеродинамічного опору Ха. Це підтверджується відомою формулою: Ca = C x r SV 2 / 2 де С х - аеродинамічний коефіцієнт опору, r - щільність газового середовища, V - швидкість руху ЛА щодо цього середовища, S - характерна площа ЛА, з якої видно, що зменшення щільності газового середовища спричиняє зменшення аеродинамічного опору. Випромінювання N сполучених лазерів (N>5), установлених на ЛА, приводить молекули повітря або іншого газу в прискорений рух у радіальному напрямку, перпендикулярному до когерентного електромагнітного потоку. При цьому відбувається зменшення щільності газу r у зоні молекулярнофотонних взаємодій і в прилягаючій до неї області. Неоднорідне лазерне поле спричиняє деколімацію набігаючого на ЛА газового потоку. Можливість деколімації лазерним світлом була доведена експериментальне на атомних пучках. Інтенсивність атомів у центрі пучка, що поширюється у вакуумі, була зменшена в 1000 разів [5]. По розрахунках автора, ефект деколімації газового потоку може бути посилений до макроскопічних масштабів. Таким чином, рух ЛА відбувається в сильно розрідженому газовому середовищі, що еквівалентно зменшенню лобового опору. Утворення ВП лазерним полем лежить в основі запропонованого способу і при оптимальному співвідношенні швидкості ЛА і швидкості радіального руху газу він може бути реалізований навіть без наявності екранування (без потенційного бар'єру). Екранування ВП дозволяє розширити діапазон швидкостей руху ЛА і може бути реалізовано трьома способами (пп.1.2 - 1.4с. опису). Для здійснення кожного з цих способів необхідно як мінімум два когерентних світлови х п учка, подібно тому як для створення голограми використовують опорний і сигнальний світлові пучки. Розглянемо конкретний приклад виконання екрана, що представляє собою систему інтерференційних смуг, що утворюють циліндричні поверхні навколо ВП. При перетинанні молекулами газу таких оптичних ґрат вони піддаються дії періодичного електричного поля, індукуючого перемінний дипольний момент. Цей процес супроводжується випромінюванням диполя з частотою n = V / d , де d - період оптичних ґрат. Найбільший ефект взаємодії досягається при резонансі. Наприклад, кисень має резонасну довжину хвилі при l =0,5см. Знайдемо період оптичних ґрат з умови d=V l /c, де V=5.102м/с - швидкість молекул, с - швидкість світла. Одержимо d~0,01мкм. Тому що період ґрат не може бути менше довжини хвилі, її утворюючої, то і довжина хвиль, необхідна для утворення резонансних ґрат порядку 0,01мкм., що відповідає межі ультрафіолетового й рентгенівського випромінювань. Довжина гальмового шляху молекули екраном може бути визначена з 2 5 2 , формули 1=V2/2a, де, a= h n / mc = 11 × 10 м / с . Одержимо товщину стінок екрана 1~1м. 1. Гальмування атомів і молекул полем лазерної хвилі. 1.1. У процесі резонансного розсіювання здійснюється передача імпульсу від світлового пучка до атомів. Відповідне прискорення, що може бути передано молекулі (атому) масою М досягає 10 6м/с2 [5, 6]. При такій силі можна зупинити атоми, що рухаються з тепловою швидкістю, на відстані порядку одного метра за час порядку 1мс. Світло зі зрушеною частотою повинне бути спрямоване назустріч атомам і в міру уповільнення атомів, необхідно змінювати частоту так, щоб утримувати світло в резонансі з атомами при мінливому доплеровському зрушенні. Це так називаний метод чирпирування (модуляції) частоти лазера. Існують і інші методи. Наприклад - застосувати широкополосний лазер [8], щоб для всі х атомів незалежно від їхньої швидкості було присутнє резонансне світло. 1.2. Перехідне випромінювання молекул (аналог перехідного випромінювання електричне заряджених часток). При перетинанні молекулами стаціонарної інтерференційної картини, утвореної випромінюванням лазерів у просторі навколо ВП виникають коливання електричного дипольного моменту молекул. Частота коливань залежить від швидкості перетинання молекулами границь зон простору з максимальним і мінімальним значеннями інтенсивності світлового поля і від періоду чергування цих зон. Чим більше швидкість часток, що налітають, і чим менше період, тим вище частота випромінювання диполя і, отже, більше величина імпульсу віддачі, що гальмує молекулу. 1.3. Для посилення гальмуючої дії потенційного бар'єра, утвореного лазерно-індукованими ґратами, довжина хвилі повинна бути не тільки мала, але і відповідати відстроюванню в блакитну сторону стосовно частоти резонансу конкретного атома (молекули). 1.4. Як електромагнітний екран можна використовувати також оптичні ґрати [8], що представляють собою просторово періодичні просторові ями, створювані світловими зрушеннями, утвореними в результаті биттів різних частот. 2. Виштовхування молекул і атомів з об'єму світлового пучка градієнтною силою Fгp позитивному відстроюванні частоти випромінювання лазера. Для гаусова проміння [3]: ( [ Fгр = (r / r 0 )(d - kV z )G / 1 + G + (d - kV z )2 / Г 2 де h=1,054 •10-34 Дж • с - постійна Планка, ]) d = wL - w A , де І, I S - відповідно інтенсивність світла й інтенсивність насичення атомного переходу; Г швидкість розсіювання фотонів; r0 - радіус лазерного променя; r - відстань від осі лазерного променя; wL w частота випромінювання лазера; A - резонансна частота атома. Сила реакції Fгp, яку називають також "дипольна сила", обумовлена поперечною неоднорідністю поля лазерного променя. Її величина й напрямок залежить також від d . При d 0 індукований момент знаходиться в протифазі з діючим полем, енергія частки зростає, і частка буде випробувати силу, що виштовхує її з поля. Величина дипольної сили може перевищувати силу світло вого тиску. Так, у роботі [5] відзначалося, що при використанні імпульсних лазерів на барвнику, світлоіндуковане дзеркало може відбивати атоми з максимальною поперечною швидкістю V~5м/с2 так, як навіть при нормальному падінні. Гальмування атомів відбувається на відрізку шляху l порядку довжини світлової хвилі. Через те що повітря на 78,08% складається з азоту, для якого довжина хвилі в максимумі спектра дорівнює l =3,9·10-7м, то прискорення а, що надається молекулі N2 світлоіндукованим дзеркалом при відбиванні: A=V2 /2 l =3,2·107м/c2 Сильне градієнтне поле, створене в тонкій поверхневій хвилі, що виникає при повному внутрішнім відбитті лазерного променя від границі поділу діелектрик - вакуум, є максимально можливим в оптиці [5]. w w При L > A градієнтна сила виштовхує атом з поверхні хвилі у вакуум. Згідно [5-8] цей ефект повинен мати місце і для молекул. Оп уклі світлоіндуковані дзеркала утворюють світлоіндуковану оболонку 6 ЛА 1. Дія дипольних сил, викликаних інтенсивним сфокусованим лазерним пучком, згідно [6], на кілька порядків менше, ніж це необхідно, щоб удержати атоми, що мають при кімнатній температурі середню енергію 3kВT/2 ~mV2/2, де k В - постійна Больцмана, Т-абсолютна температура. Однак, теоретично й експериментальне встановлено, що атоми можуть бути полонені дипольними силами оптичних ґрат, що створюють потенційні ями з енергією, щоперевищує теплову енергію молекул [8]. Новизна винаходу полягає в тім, що в ньому вперше запропоновано спосіб створення лазерного поля, за допомогою якого в атмосфері Землі або іншої планети може бути утворена ВП розмірами, формою й положенням у просторі, якими можна керувати за допомогою радіаційних сил випромінювання, що генеруються лазерами ЛА. Форма ВП при відсутності руху ЛА щодо атмосфери близька до циліндричної (форма поперечного перерізу ВП буде уточнена нижче). Довжина твірної такого циліндра L ~ 1/ sN , де s ефективний перетин атомів чи молекул, що входять до складу даної атмосфери, N - концентрація даного сорту атомів чи молекул. Довжина світлових хвиль, використовуваних для гальмування молекул, що рухаються в аксіальному напрямку назустріч ЛА, повинна бути досить велика, щоб величина L відповідала швидкості руху ЛА і швидкості процесів катапультування молекул у радіальному напрямку. У чистому повітрі, згідно [7], при атмосферному тиску інтенсивність видимого світла зменшується в е раз на шляху близько 100км, а при l =1,8·10-7м (ультрафіолетові промені) величина L ~0,1см. Так, що діапазон L досить широкий і визначається довжиною електромагнітної хвилі й сполукою атмосфери. Площа основи циліндра S залежить від D - характерного розміру ЛА і визначається енергетичним потенціалом лазерного поля. Бічна поверхня циліндра утворена осьосиметричною каустичною поверхнею сімейства світлових променів лазерів. Границя вакуум - газ при цьому досить розмита, тому що глибина проникнення молекул у ВП тим більше, чим більше нормальна складова швидкості V молекул. Висота потенційного бар'єра U(0), що екранує ВП, не повинна бути менше M(Vmax) 2/2, де М - маса найбільш важкої молекули в складі атмосфери. Так, для кисню М = 53,1·10 -27кг. При V= 6·10 2м/с маємо: U(0)=9,6·1021Дж. При S(t)=Smax лазери ЛА утворюють навколо ВП бар'єр у вигляді вкладених одна в одну коаксіальних циліндричних поверхонь. Вони утворюються в результаті інтерференції двох чи декількох світлових хвиль когерентного випромінювання лазерів. Перетинаючи границі областей з максимумами й мінімумами електричного поля стаціонарної інтерференційної картини, молекули випробовують періодичні впливи, що зміщують їхні електронні оболонки. Частота коливань індукованого дипольного моменту тим більша, чим більша нормальна складова швидкості молекул і, чим менше просторовий період зон Imax - I min, - де І інтенсивність електромагнітного поля. Через те що. величина імпульсу віддачі росте зі збільшенням частоти фотонів, випромінюваних молекулами, то найбільше гальмуюче дію будуть випробовувати самі швидкі молекули. Таким чином, екранування ВП здійснюється одними радіаційними силами без допомоги границь поділу середовищ типу вакуум - діелектрик. Такий електромагнітний екран буде гальмувати як молекули, що р ухаються з ВП, так і молекули, спрямовані усередину ВП. Тому його треба включати після того, як відбудеться катапультування молекул. При русі ВП разом з ЛА в атмосфері рух молекул газу має вид розбіжного пучка. Обмеження N>5 пояснюється тим, що для катапультування молекул одного сорту необхідно не менше двох лазерів плюс перекачувальний лазер (для забезпечення багатьох циклів поглинання-випромінювання) плюс лазер контролю над процесом розрідження газу. Через те що атмосфери планет багатокомпонентні, то для одночасного видалення двох компонентів треба N>5 лазерів. Наприклад, повітря на 78,1% складається з азоту і на 21% із кисню. Отже, випромінювання лазерів повинне впливати, насамперед, на ці молекули. Максимальна швидкість, що розвивається ЛА в а тмосфері, визначається мінімальним часом, який необхідно для досягнення високого ступеня розрідження газу. Ясно, що цей час зростає з ростом радіуса ВП і щільності газу, і зменшується з ростом енергії електромагнітного випромінювання, витраченого на утворення ВП. Щоб ЛА рухався зі швидкістю 8км/с, при радіусі дії деколімуючих лазерів 1км, необхідний час катапультування молекул не більш 1/8 секунди. При радіусі ВП їм швидкість упорядкованого руху, що набувають молекули в радіальному напрямку, дорівнює 8м/с. Оцінимо роботу, яку необхідно затратити на утворення ВП довжиною 1км і радіусом їм: Вважаючи, що Р~105Па V0=L·S, одержимо А=Р LS=1.3·108Дж. Але при визначені потужності лазерів треба враховувати також те, що частина енергії має бути витрачена на кінетичну та внутрішню енергію молекул. Для запобігання пробою атмосферного повітря інтенсивність світла не повинна перевищувати 1013-1015Вт/м 2. Джерела інформації: 1. Патент Російської Федерації №2172278, МКВ В64С23/06, 2001р. 2. 3аявка Російської Федерації №95114486, МКВ F42В10/00,1997p. 3. Физический энциклопедический словарь. - М.:Советская энциклопедия. - с.656. 4. К.П. Гармаш, Л.Ф. Черногор. Эффекты в околоземной космической плазме, стимулированные воздействием мощного радиоизлучения // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. -1998. - №6. - С.17-40. 5. В.И. Балыкин, B.C. Летохов. Лазерная оптика // Успехи физических наук. - Т.160. - №1. - С.141-154. 6. Нобелевские лекции по физике - 1997. С. Чу. Управление нейтральными частицами // Успехи физических наук. - Т.169. - №3. - С.274-291. 7. Нобелевские лекции по физике - 1997. К.Н. Коэн - Тануджи. Управление атомами с помощью фотонов // Успехи физических наук. - Т.169. - №3. - С.292-304. 8. Нобелевские лекции по физике - 1997. У.Д. Филипс. Лазерное охлаждение и пленение нейтральных атомов // Успехи физических наук. - Т.169. - №3. - С.274-291. 9. Я.Б. Зельдович,. И.М. Яглом. Высшая математика для начинающих физиков и техников. - М.: Наука, 1982. - 512с.