Расчет передачи лазерной энергии стратосферному многоцелевому дирижаблю из лазера космического базирования
Анализ математической модели передачи лазерной энергии стратосферному дирижаблю, характеризуемому подвешенным полетом, из лазера космического базирования, установленного на геостационарной орбите. Анализ графика изменения скорости ветра в атмосфере.
Рубрика | Астрономия и космонавтика |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 06.05.2018 |
Размер файла | 614,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева - КАИ
Расчет передачи лазерной энергии стратосферному многоцелевому дирижаблю из лазера космического базирования
Базухаир Мохаммед Ахмед
Бакалавр,
Аннотация
лазерный стратосферный дирижабль космический
В данной статье рассматривается математическая модель передачи лазерной энергии стратосферному дирижаблю, характеризуемому подвешенным полетом, из лазера космического базирования, установленного на геостационарной орбите. Концепция получила название лазерного стратосферного многоцелевого дирижабля (ЛСМД).
Ключевые слова: лазерный ЛА, беспроводная передача энергии ЛА, лазерный дирижабль, стратосферный дирижабль.
Abstract
Bazuhair Mohammed Ahmed
Bachelor,
Kazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev - KAI
Calculation of laser energy transmission from space-based laser to multipurpose stratospheric airship
In this paper, we view a mathematical model of laser energy transmission to a hovering stratospheric airship supplied by space-based laser positioned on the geostationary orbit. This concept became called as multipurpose stratospheric laser airship (MPSLA).
Keywords: laser aerial vehicle, aerial vehicle with wireless power transmission, laser airship, stratospheric laser dirigible.
Определение интенсивности лазерного излучения
Рис. 1 - постановка предложенной системы в пространстве, показывающая способ передачи электроэнергии ЛСМД
Здесь R=35756 км, h = 30 км
Наиболее точно определить падающую мощность Pпад, посылаемую от лазера космического базирования (ЛКБ), можно через вычисление мощности лазерного луча на граничном слое атмосферы до того момента, когда его исходная мощность Po начнет гаситься пропорционально пути L вследствие ослабляющих лазерный луч факторов. Так как [1]
(1)
Здесь - радиус солнечной панели ЛСМД; Aф - площадь одного фотоэлемента в солнечной панели; - мощность одного фотоэлемента; - коэффициент полезного действия солнечной панели, используя формулу интенсивности лазерного луча ? с учетом ослабляющих факторов в атмосфере, получим [3]
(2)
где е - коэффициент затухания лазерного луча в изучаемой среде; L - расстояние от термосферы до высоты (см. рис 1); - коэффициенты дифракции, турбулентности, дрожания и расплывания, последовательно, характеризующие ослабление мощности Po лазерного луча вдоль пути L, см. [3]. Условия и параметры в атмосфере изменяются с изменением высоты h, где в некоторых слоях они начинают колебаться между положительными и отрицательными значениями температуры T и т.п., что требует их учесть.
В наших расчетах принята высота полета, равная h = 30000 м от уровня моря, т.е. путь лазерного луча до ряда фотоэлементов дирижабля равен L=120-30 = 90000 м.
Итак, количество лазерного луча, потерянного из-за дифракции, можно вычислить следующим образом [3]
(3)
где B - качество луча; л- длина волны лазерного луча; - наименьший диаметр пятна от луча на формирующей оптике, причем .
Коэффициент затухания е разных волн при проникновении лазерного луча вплоть до ряда фотоэлементов резко отличается в зависимости от длины волны л и присутствия пара и аэрозоля в атмосферной среде. Зависимость е от его составляющих и записывается в виде [3][5]
(4)
Поскольку пары и аэрозоли не существуют на рассматриваемой нами высоте вдоль L, то е можно пренебречь для упрощения основных расчетов. Большая высота h повышает экономичность передачи энергии излучения, так как потеря передаваемой мощности при этом наименьшая.
Метеорологические исследования показывают, что чем выше подняться в атмосферу, тем сильнее будут ветра и турбулентность из-за тепловой конвекции на высотах 7-10 км и 65-70 км, где происходят так называемые струйные течения со скоростью от 108 км/ч до 250-350 км/ч, имеющие крупные пространственные размеры [1]. Луч, проходящий через атмосферную среду, подвергается турбулентности, которая в максимуме достигает 63 м/с как показано на рис. 2.
Рис. 2 - изменение скорости ветра в атмосфере
Следовательно, значение постоянной атмосферной структуры , характеризующей турбулентность среды, изменяется в зависимости от h, что требует предварительно определить параметр Фреда в исходной формуле [3]
(5)
Выбор той или иной условной формулы требует нахождение параметра Фреда ro, заданного в следующем виде [3]
(6)
где k - постоянная распространения волны, равная; - угол Зенита, который записывается так [2]
(7)
где ц - это местная широта; г - часовой угол по местному солнечному времени; - текущее отклонение Солнца, которое можно определить в любой день года N из формулы [4]
Стоит отметить, что данная формула только определяет теоретическую координату Солнца без учета влияния атмосферной рефракции. Для коррекции погрешности при определении наблюдаемого отклонения Солнца можно использовать следующую таблицу 1, где высота солнцa рассчитывается с помощью выражения [2][4]:
Таблица 1 - формулы вычисления приблизительной коррекции атмосферной рефракции
Как известно, постоянная атмосферной структуры имеет неизменную величину в случае прохождения лазерного луча по горизонтали. Однако нам необходимо, по ходу решения уравнения Фреда, найти интеграл функции изменения высоты L, начиная с высшего слоя L ? 90000 м до [3]
(8)
где W - коэффициент корреляции ветра.
В лазерах высокой мощности коэффициент дрожания , влияние которого возникает из-за вибрации лазера и его оптики, составляет 4-6мрад [3]. Лазер космического базирования (ЛКБ), вращающийся на геостационарной орбите, находится под воздействием ряда сил (возмущений), изменяющих параметры этой орбиты. В частности, к таким возмущениям относятся гравитационные лунно-солнечные возмущения, влияние неоднородности гравитационного поля Земли, эллиптичность экватора и т.д. Деградация орбиты выражается в двух основных явлениях:
· ЛКБ смещается вдоль орбиты от своей первоначальной орбитальной позиции в сторону одной из четырёх точек стабильного равновесия, так называемых «потенциальных ям геостационарной орбиты» (их долготы 75,3°E, 104,7°W, 165,3°E, и 14,7°W) над экватором Земли;
· наклонение орбиты к экватору увеличивается (от первоначального 0) со скоростью и достигает максимального значения 15 за 26,5 лет.
Для компенсации этих возмущений и удержания конструкции в заданной точке ЛКБ оснащается двигательной установкой (химической или электроракетной).
В итоге, мы подбираем наименьшую величину , так как орбитальное дрожание не происходит интенсивно за малый промежуток времени t, что способствует уменьшению его влияния в краткосрочном периоде.
При проникновении лазерного луча через любую, в том числе атмосферную, газовую среду температура столба луча, т.е. воздуха , характеризуется последовательностью её температурной концентрации. В середине столба газовые частицы имеют высокую температуру , что приводит к уменьшению их местной плотности , а с другой стороны, граничные частицы обладают меньшей температурой , соответственно, большой местной плотностью . В результате этого явления расфокусируется часть луча, т.е. происходит расплывание вокруг столба лазерного луча. Величина этого теплового расплывания определяется из выражения [3]
(9)
где коэффициент, учитывающий потерю при проникновении в атмосферную среду равен , а коэффициент ш, в свою очередь, равен [3]
Причем коэффициенты пропорциональности и определяются следующими соотношениями [3]
(10)
Следует отметить, что одним из параметров, влияющих на тепловое расплывание лазерного луча , является скорость течения v частиц газовой среды, через которую проникает луч (см. рис.2). Однако маленькая плотность высоких слоев атмосферы уменьшает неблагоприятный эффект теплового расплывания .
Заключение
В данной работе мы рассматривалась математическая модель передачи лазерной энергии стратосферному дирижаблю, характеризуемому подвешенным полетом и питаемому дистанционно из лазера космического базирования, установленного на геостационарной орбите с учетом необратимых потерь. Проект сокращенно получил название лазерного стратосферного многоцелевого дирижабля (ЛСМД).
В дальнейшем планируется рассмотреть задачу об эффективности передачи лазерного излучения с учетом необратимых потерь.
Литература
1. Базухаир М. А. Концепция стратосферного многоцелевого дирижабля с лазерным питанием из лазера космического базирования.: Молодой ученый. -- 2015. -- № 82. С. 126-130.
2. Average wind speed in the stratosphere is minimal at altitudes of about 20 km, [Электронный ресурс] URL: http://www.intercomms.net/AUG03/content/struzak 1.php (Дата обращения08.2014)
3. Jacobson, Mark Z. Fundamentals of Atmospheric Modeling.: Cambridge University Press. - 2005. С. 317.
4. Richard Mason, feasibility of laser power transmission to a high-altitude unmanned aerial vehicle / Technical report of RAND // prepared for the united states air force. - 2011. С. 73
5. Solar Calculation Details / Earth System Research Laboratory // NOAA Solar Calculations day. [Электронный ресурс] URL: http://www.esrl.noaa.gov/gmd/grad/solcalc/calcdetails.html (Дата обращения 05.10.2014)
6. Sprangle, J.R. Peсano, and A. Ting. Plasma Physics Division and B. Hafizi, Icarus Research, Inc., Propagation of High-Energy Lasers in a Maritime Atmosphere, U.S. Naval Research Lab 4555. [Электронный ресурс] URL: http://www.nrl.navy.mil/research/nrl-review/2004/featured-research/sprangle/ (Дата обращения 05.10.2014)
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Программа NASA демонстрации лазерной связи со спутником на Лунной орбите LLCD. Космический аппарат LADEE, его научное оборудование. Основные компоненты линии лазерной космической связи для проведения эксперимента. Установление лазерной космической связи.
реферат [9,0 M], добавлен 15.05.2014Серия советских одноместных космических кораблей, предназначенных для полётов по околоземной орбите. Основные научные задачи, решаемые на кораблях "Восток". Строение, конструкция космического корабля. История создания космического корабля "Восток 1".
реферат [381,8 K], добавлен 04.12.2014Содержание программы полета космического аппарата. Стадия разработки рабочей документации и изготовления космического аппарата. Задачи управления эксплуатацией ЛК. Программа поддержания ЛК в готовности к применению, структура системы эксплуатации.
контрольная работа [179,5 K], добавлен 15.10.2010Выбор места посадки космического аппарата на Луну. Поиск точек либрации. Определение видимости КА без учета лунного рельефа. Расчет угла места КА над горизонтом. Реализация алгоритма на языке С++. Разработка программы для оптимального места посадки.
дипломная работа [1,8 M], добавлен 08.02.2017Разработка современного космического скафандра. Особенности жизнеобеспечения в космосе. Клиника космического века. Применение экспериментального экзоскелетона для поднятия очень тяжелых грузов. Измерение давления и температуры с помощью эндорадиозонда.
презентация [244,9 K], добавлен 16.02.2010Исследование космического пространства при помощи автоматических и пилотируемых космических аппаратов. Первые экспериментальные суборбитальные космические полёты. Высадка американских астронавтов на Луну. Падение на Землю космического тела (астероида).
презентация [571,3 K], добавлен 03.02.2011Космонавтика как процесс исследования космического пространства при помощи автоматических и пилотируемых аппаратов. Первые экспериментальные суборбитальные космические полёты. Падение на Землю космического тела - распространенный вариант конца света.
презентация [570,5 K], добавлен 21.04.2011Изучение факторов, действующих на организм в условиях космического полета и изменений в различных системах организма. Особенности протекания физических процессов и бытовых действий на борту космического аппарата. Подготовка космонавтов к невесомости.
реферат [682,1 K], добавлен 23.10.2013Определение понятия и рассмотрение источников происхождения космического мусора. Изучение основ работы Службы контроля космического пространства. Ознакомление с основными экологическими решениями в конструкциях современных космических аппаратов.
реферат [557,8 K], добавлен 18.02.2015История создания лазера. Принцип действия и устройство лазера. Применение лазеров в астрономии. Лазерная система стабилизации изображений у телескопов. Создание искусственных опорных "звезд". Лазерный термоядерный синтез. Измерение расстояния до Луны.
реферат [1,4 M], добавлен 17.03.2015Проведение совместного советско-американского космического полета. Испытание систем обеспечения встречи и андрогинных стыковочных узлов. Создание долговременных орбитальных станций со сменными экипажами. Разработка космического корабля 7К-ТМ "Союз-М".
курсовая работа [3,7 M], добавлен 27.08.2014Анализ баллистических характеристик космического аппарата. Расчет масс служебных систем, элементов топлива. Зона обзора на поверхности Земли и полоса обзора. Изучение системы электроснабжения, обеспечения теплового режима, бортового комплекса управления.
курсовая работа [53,7 K], добавлен 10.07.2012Связь гравитационного поля и фигуры планет Солнечной системы, ее астрофизическое обоснование. Описание измерения коэффициента гравитационного потенциала для Земли с помощью метода лазерной локации. Анализ временного ряда, описывающего ее колебания.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 08.02.2017Определение первой, второй и третьей космической скорости. Соотношение сил тяготения и центробежной, при котором тело будет двигаться по круговой орбите. Преодоление объектом гравитационного притяжения Земли и Солнца. Выход за пределы солнечной системы.
презентация [190,7 K], добавлен 29.10.2014История открытия и научного исследования нового потенциально опасного для землян космического тела. Основные этапы изучения Марса марсоходом Curiosity. Сад камней на Тиане глазами Cassini. Анализ важнейших задач гражданской космической политики России.
презентация [3,9 M], добавлен 16.03.2017Украина - признанная в мире космическая держава. Описания достижений украинских специалистов в ракетно-космической отрасли. Международное сотрудничество в области исследования и использования космического пространства. Анализ планов страны на будущее.
презентация [6,7 M], добавлен 13.09.2013Особенности и основные способы проектирования электрореактивной двигательной установки космического аппарата. Этапы разработки циклограммы энергопотребления, анализ чертежа движителя. Характеристика космических электроракетных двигательных установок.
дипломная работа [496,1 K], добавлен 18.12.2012Влияние запусков ракет на поверхность планеты. Малоизвестные факты космической деятельности человечества и анализ негативных сторон этой деятельности. Космические угрозы (вспышки на Солнце, астероиды, метеориты). Роль угроз для Земли в массовом сознании.
статья [1,5 M], добавлен 05.03.2011Звуковолновая теория гравитации. Физические силы отталкивания-сталкивания. Звуковые волны как переносчики энергии. Содержание электромагнитного спектра, излучаемого Солнцем. Устройства для получения электрической энергии. Усилители гравитационного поля.
статья [394,9 K], добавлен 24.02.2010Ограниченная круговая задача трех тел и уравнения движения. Типы ограниченных орбит в окрестности точек либрации и гравитационная задача. Затенённость орбит и моделирование движения космического аппарата. Проекция долгопериодической орбиты на плоскость.
курсовая работа [3,6 M], добавлен 01.07.2017