Геометрическая Волновая Инженерия: Инженерные решения на основе псевдоповерхностей для различных областей науки и техники

Рис. № 10. Псевдогиперболоидный газодинамический лазер с встречным сжатием волн детонационного горения

Два источника волн детонационного горения, генерируя ударные волны со скоростями порядка 2000–3000 м/с и температурами выше 2000 C, создают условия для интенсивного возбуждения молекулярных уровней газа.

При встрече этих волн в объёме, ограниченном псевдогиперболоидным (или иным фокусирующим) резонатором, происходит резкое повышение давления и локальная компрессия газа, сопровождаемая дополнительным нагревом, который может превышать 3000 градусов

Такие резкие изменения температур вызывают инверсию населённостей на колебательно-вращательных уровнях молекул (например, CO, CO2, N2O, HCl и др.). Это создаёт условия для вынужденного излучения – основы лазерной генерации, поскольку переходы происходят между колебательно-вращательными уровнями, длины волн излучения попадают в ближний (около 1–3 мкм) и средний (от 3 до 8 мкм) инфракрасный диапазон спектра.

Таким образом, описанный процесс – это реализация без электродного лазера, где энергетическая накачка осуществляется исключительно за счёт газодинамических процессов, без участия электрических разрядов или оптической накачки.

Заключение

Использование волн детонационного горения в конфигурации с встречным сжатием внутри псевдогиперболоидного резонатора позволяет эффективно формировать инверсию населённостей молекулярных уровней без применения традиционных методов накачки. Такой подход обеспечивает сверхбыстрый нагрев газа до температур, достаточных для возбуждения колебательно-вращательных переходов, что приводит к генерации когерентного излучения в ближней и средней инфракрасной области спектра. Полученный лазерный выход может быть использован в различных приложениях – от дистанционного зондирования и спектроскопии до оборонных и промышленных технологий. Этот метод представляет собой перспективное направление в области разработки высокоэнергетических газодинамических ИК-лазеров.

1.4. Газодинамический лазер: сменная насадка стрелкового оружия.

Известны два метода получения инверсной населенности: быстрое расширение газа в сопле (колебательная температура газа больше температуры активных степеней свободы Т1> Т) и быстрый нагрев газа (например, в ударной волне), когда Т> Т 1. Обращается внимание на то, что при сверх быстрого изменения температуры системы в силу различия времен релаксации для разных энергетических уровней в процессе установления термодинамического равновесия для некоторых пар энергетических уровней возникает состояние с отрицательной температурой. Возникает инверсия населённостей. Дальнейший самопроизвольный переход системы в нормальное состояние сопровождается излучением фотонов стохастически (не упорядочено).

Предлагается вариант конструктивного исполнения первого метода (быстрое расширение газа в сопле) для получения инверсной населенности.

Предлагается сменная насадка на ствол стрелкового оружия, позволяющая преобразовать энергию пороховых газов холостого патрона в инфракрасное лазерное излучение с длиной волны от 9,4 до 10,6 мкм.

О газодинамических лазерах:

Известно, что в случае быстрого понижения или резкого повышения поступательной температуры газа, состоящего из много атомных молекул (например, в ударных волнах), из-за разной скорости колебательно-колебательного и колебательно-поступательного обмена для различных компонентов смеси между некоторыми квантовыми уровнями может возникнуть инверсная населённости.

Рассмотрим классический газодинамический лазер. В газодинамических лазерах используется тепловая накачка. Если нагретый газ быстро охладить, например, путем адиабатического расширения, то населенность отдельных уровней не успевает быстро установиться в соответствии с новой температурой. Такие уровни называют «замороженными». Между «замороженными» и нижележащими уровнями возникает на некоторое время инверсия населенности.

Один из вариантов реализации данного способа заключается в пропускании нагретого газа через сопло Лаваля со сверхзвуковой скоростью (рис. 15). Углекислый газ, полученный в результате сжигания топлива в камере сгорания, смешивается с азотом и водяным паром в соотношении 7,5 : 91,7 : 1,2.

В результате образуется высокотемпературная газовая смесь (Т=1400 К), которая под высоким давлением со сверхзвуковой скоростью (U= 4 М) проходит через сверхзвуковое сопло.

За соплом происходит быстрое расширение газовой смеси, сопровождающееся его охлаждением (до Т=300К). В силу относительно большего времени жизни верхнего энергетического уровня молекул СО2 и малого времени прохождения газа через сопло населенность этого уровня сохраняется на значительных (до 1 м в крупных лазерных установках) расстояниях от сопла.

Время жизни нижнего энергетического уровня значительно меньше и его населенность быстро падает, и практически исчезает уже на расстоянии 3 см от сопла. Это приводит к тому, что инверсия населенности возникает уже на расстоянии 1 см от сопла и сохраняется по направлению потока газа на протяженности свыше 1 м

Для получения стимулированного излучения в области, где существует инверсионная населенность, устанавливаются зеркала резонатора, ось которых перпендикулярна потоку газа.

В лазерных устройствах широко используются оптические резонаторы, состоящие чаще всего из двух плоскопараллельных или сферических зеркал. Оптические резонаторы обеспечивают необходимую для лазерной генерации положительную обратную связь и позволяют повысить плотность мощности светового поля до уровня, при котором происходит эффективный съем энергии с активной лазерной среды.

В газовой смеси, состоящей из 10% СО2 и 90% N2 при Т=1400К удельная мощность излучения составляет 40 кДж/кг. КПД газодинамических ОКГ составляет 2-5% и увеличивается с ростом температуры газовой смеси.

Энергетика пороховых газов:

В процессе выстрела штатного патрона образуются следующие дымовые газы:

2KNC3 + 3C + S= N2 + 3CO2 +K2S.

Продукты сгорания пороха содержан необходимые элементы, как азот и СО2 в возбуждённом состоянии.

Продукты сгорания имеют скорость истечения 1200-2000м/с.

Заявленные характеристики пороховых газов можно использовать для создания активной среды газодинамического лазера.

Заключительным и необходимым элементом в создании активной среды газодинамического лазера должны стать пары воды для “подмораживания” СО2.

Осталось предложить резонатор, в котором истечение пороховых газов используется на всей длине присутствия инверсии населённости.

Резонатор:

Для заявленных целей предлагается использовать принципиально новый псевдогиперболоидный резонатор.

Внешний вид псевдогиперболоидного резонатора заявлен на следующем рисунке

Рис. № 11. Псевдогиперболоидный резонатор.

В конструктивном плане реализация газодинамической лазерной насадки на основе псевдогиперболоида со сквозным полно проходным каналом для стрельбы штатным патроном заявлена на следующем рисунке.

Рис. № 12. Газодинамическая лазерная насадка на основе псевдогиперболоида.

Вывод:

Энергетика и состав истечения газов выстрела штатным патроном позволяет использовать их в качестве активной среды газодинамического лазера.

Сменная насадка – резонатор на основе псевдогиперболоида к стрелковому оружию позволит преобразовать энергию пороховых газов выстрела холостого патрона в инфракрасное лазерное излучение с длиной волны от 9,4 до 10,6 мкм. Необходимым элементом в работе является ввод паров воды для “подмораживания” СО2.

Псевдогиперболоидный резонатор-насадка должен быть оборудован системой ввода паров воды в активную зону.

1.5. СВЧ-генератор с лазероподобными свойствами

Предлагается новая концепция источника направленного микроволнового излучения с лазероподобными характеристиками – СВЧ-генератор, в конструкции которого сочетается классический источник электромагнитных колебаний (например, магнетрон) и специально разработанный резонатор на основе псевдогиперболоидной геометрии.

В отличие от традиционных антенн и фокусирующих конструкций, здесь формирование узконаправленного электромагнитного пучка происходит исключительно за счёт геометрии поверхности резонатора, без применения линз, зеркал или фазированных решеток, только за счёт формы принципиально новой поверхности второго рода – псевдогиперболоида.

Псевдогиперболоид – это новая, ранее не описанная геометрическая поверхность второго порядка, которая образуется вращением специальной кривой – усечённой трактрисы, частично приближающейся по форме к гиперболе. Полученная объёмная полость обладает переменной отрицательной кривизной и объединяет свойства гиперболоида (фокусировка и отражение излучения по оси) и псевдосферы (естественное направление потока вдоль образующей).

Таким образом, резонатор представляет собой гладкую, разомкнутую полость с особой формой стенки, которая контролирует распространение электромагнитных волн внутри объёма и управляет выходным пучком.

Благодаря согласованной внутренней геометрии, псевдогиперболоидный резонатор обеспечивает необычное поведение электромагнитных волн: они формируют устойчивый узкий поток, направленный вдоль центральной оси, с минимальной угловой расходимостью, приближающейся к дифракционному пределу – как это происходит в оптике лазеров.

Излучение формируется в виде полого цилиндрического пучка (т. е. энергетически насыщенной оболочки вокруг центральной канальной оси), что позволяет создавать уникальные по форме и направленности СВЧ-потоки.

Интеграция с СВЧ-источником

Конструктивно система представляет собой магнетрон (или иной генератор СВЧ-энергии), установленный в сопряжении с псевдогиперболоидным резонатором.

Рис. № 13. 3-D модель СВЧ-генератора с лазероподобными свойствами на основе псевдогиперболоидного резонатора

Ключевым техническим моментом является согласование волновых характеристик между излучающим элементом (антенной частью магнетрона) и формируемыми в резонаторе модами. Для этого требуется:

– точная настройка положения источника СВЧ в резонаторе (вдоль продольной оси или с некоторым смещением);

– согласование пространственного профиля поля магнетрона с внутренними модами резонатора;

– обеспечение отражающих условий по периметру полости для устойчивой резонансной работы.

Это позволяет эффективно передавать энергию от генератора в резонатор, минимизировать потери и создать когерентный направленный пучок высокой плотности мощности.

Преимущества и отличия от аналогичных решений

Узкая диаграмма направленности без внешних фокусирующих устройств;

Формирование пучка за счёт геометрии – а не фазовых антенн или диэлектрических линз;

Потенциал масштабирования на другие частотные диапазоны (верхний СВЧ/НВЧ);

Компактность и механическая цельность конструкции;

Лёгкая адаптация под модульные или энергонезависимые решения (включая генераторы импульсного действия, капсюльные зарядные узлы и пр.).

Назначение и применение

– СВЧ-излучатели направленного действия (аналог лазера для СВЧ);

– Модули беспроводной передачи энергии на расстояние;

– Портативного узконаправленного источника ЭМ-поля в составе РЭБ или РЛС;

– Компоненты многодиапазонной энергетической платформы двойного назначения для воздействия на объекты.

Вывод

СВЧ-генератор, скомбинированный с псевдогиперболоидным резонатором, представляет собой компактный и перспективный источник направленного микроволнового излучения нового типа. Его особенности делают возможным применение в задачах дистанционного воздействия, точного энергетического наведения, беспроводной передачи энергии, и даже технологических систем экологического и климатического контроля.

1.6. Беспроводная передача электричества на расстояние

Одной из ключевых проблем современных высокотехнологичных систем является ограниченность мобильных и распределённых энергетических решений. Задачи питания удалённых, автономных или перемещающихся объектов, таких как беспилотники, мобильные станции, платформы наблюдения, электромобили, а также оперативной подзарядки боевых единиц без физического соединения с электросетью требуют эффективной системы беспроводной передачи энергии на расстояние.

Существующие подходы, например, индуктивные катушки или направленные радиочастотные передачи, ограничены либо расстоянием, либо мощностью, либо открытой угловой расходимостью, из-за чего передаваемая энергия рассеивается в пространстве и может быть неэффективна или незаметна для цели.

Особенно остро эти недостатки проявляются в военных задачах: подзарядка БПЛА в воздухе, энергообеспечение подвижных роботизированных комплексов, создание энергетических каналов между наземными и воздушными или морскими платформами. Во многих случаях простые, гражданские СВЧ-генераторы и антенны имели бы потенциал для внедрения, но их эффективность недостаточна из-за расходимости и невозможности квазипараллельной передачи энергии.

Предлагаемое решение – использование пары коаксиально размещённых псевдогиперболоидных резонаторов, формирующих тонкий, узконаправленный электромагнитный канал – представляет собой принципиально иной физический подход. Сами геометрические поверхности резонаторов обеспечивают фокусировку СВЧ-энергии без необходимости линз, парабол, фазированной решётки или активной электронной модуляции.

Псевдогиперболоидный источник формирует выходной СВЧ-поток в форме коаксиального цилиндрического канала, управляемый истоком питания. В момент активации искровыми "поджигателями" происходит пробой воздушной среды и организация проводящего канала для направленной передачи энергии. Таким образом, формируются две электропроводящие канальные оболочки – внешняя и внутренняя – по которым концентрированная энергия может передаваться к приёмнику или цели с высокой плотностью мощности.

Эта система способна обеспечить экономичную, направленную, а при необходимости – скрытную передачу энергии на большие расстояния.

Такой подход открывает возможности к созданию:

– мобильных комплексов подзарядки БПЛА в воздухе («энергетический маяк»);

– беспроводных каналов питания для временных постов, модулей наблюдения, РЛС и связных точек;

– дистанционного заряда автономной роботизированной техники;

– пассивной энергетической поддержки морских и воздушных платформ в зоне действия устройства;

– создания активных энергетических каналов в атмосфере с целенаправленным сигналом или энергетическим действием.

Таким образом, псевдогиперболоидная система не только даёт технологический ответ на актуальные вызовы, но и позволяет использовать существующие гражданские компоненты (СВЧ-источники, генераторы, газоразрядные поджигатели) в составе инновационной военной энергетической платформы нового поколения.