LAPF

LAPF (от англ. Laser Assisted Pulsed Plasma Thruster — лазерно-импульсный плазменный двигатель) — это класс электрических ракетных двигателей (ЭРД), в которых для создания реактивной тяги используется лазерное излучение для ионизации и нагрева рабочего тела с последующим ускорением образовавшейся плазмы. Относится к перспективным типам двигателей малой тяги для космических аппаратов.

Принцип действия

В основе работы LAPF лежит комбинация двух физических процессов: лазерной абляции (испарения и ионизации вещества под действием мощного лазерного импульса) и электромагнитного ускорения плазмы. В отличие от классических плазменных двигателей (например, стационарных плазменных двигателей или ионных двигателей), где ионизация происходит за счёт электрического разряда, в LAPF первичная ионизация осуществляется лазерным лучом.

Типичная схема работы LAPF включает следующие этапы:

Подача рабочего тела. Рабочее тело (обычно твёрдое, реже газообразное или жидкое) подаётся в зону ускорения. Чаще всего используется твёрдый диэлектрик (например, фторопласт, полиэтилен, тефлон), который располагается на поверхности катода или в специальном накопителе.
Лазерный импульс. Короткий (от нано- до фемтосекунд) импульс лазерного излучения высокой мощности фокусируется на поверхности рабочего тела. Энергия лазера вызывает локальный нагрев, испарение и ионизацию материала, образуя плазменное облако.
Электромагнитное ускорение. Образовавшаяся плазма, обладающая электрической проводимостью, попадает в область сильного электрического поля, создаваемого между анодом и катодом двигателя. В результате действия силы Лоренца (J × B) плазма ускоряется вдоль оси двигателя, создавая реактивную тягу.
Цикл повторяется. После выброса плазмы процесс повторяется с частотой от единиц до тысяч герц, обеспечивая непрерывную или импульсную тягу.

История развития

Концепция использования лазеров для создания плазменной тяги в космосе была предложена в 1970-х годах. Первые теоретические работы и лабораторные эксперименты проводились в США и СССР. Однако практическая реализация LAPF долгое время сдерживалась отсутствием компактных и эффективных лазеров, способных работать в условиях космоса.

1970–1980-е годы: Пионерские исследования в области лазерно-импульсных двигателей велись в Лаборатории реактивного движения (JPL, США) и в Институте космических исследований АН СССР. Были созданы первые прототипы, демонстрирующие принципиальную работоспособность, но их КПД и ресурс были крайне низкими.

1990–2000-е годы: С развитием полупроводниковых и твердотельных лазеров (в частности, диодно-накачиваемых) интерес к LAPF возобновился. В Японии, Германии и России были проведены эксперименты по оптимизации параметров лазерного импульса и конструкции электродной системы. В 2000-х годах российские учёные из МАИ (Московский авиационный институт) и НПО «Энергомаш» предложили ряд конструкций LAPF с использованием фторопласта в качестве рабочего тела.

2010-е годы — настоящее время: Активные разработки ведутся в Китае, США и Европе. Основное внимание уделяется созданию компактных LAPF для микроспутников (CubeSat) и наноспутников. В 2018 году китайские исследователи из Харбинского политехнического университета продемонстрировали прототип LAPF с удельным импульсом до 3000 секунд. В России работы по LAPF продолжаются в рамках проектов по созданию малых космических аппаратов.

Классификация

LAPF классифицируются по нескольким признакам:

По типу рабочего тела

Твёрдотельные LAPF. Используют твёрдые диэлектрики (фторопласт, полиэтилен, полиимид). Наиболее распространены из-за простоты хранения и подачи рабочего тела.
Газообразные LAPF. Применяют инертные газы (аргон, ксенон) или смеси газов. Требуют системы хранения и подачи газа, но позволяют регулировать расход рабочего тела.
Жидкостные LAPF. Используют жидкие диэлектрики (например, глицерин, этиленгликоль). Находятся на стадии экспериментальных исследований.

По типу лазера

Твердотельные лазеры (Nd:YAG, Ti:Sapphire). Обеспечивают высокую пиковую мощность, но имеют низкий КПД и требуют охлаждения.
Полупроводниковые лазеры (диодные лазеры). Компактны, имеют высокий КПД, но ограничены по пиковой мощности.
Волоконные лазеры. Перспективны для LAPF благодаря высокой надёжности и возможности создания мощных импульсов.

По режиму работы

Импульсные LAPF. Работают в режиме одиночных импульсов с частотой до 100 Гц. Обеспечивают малую, но точную тягу.
Непрерывные LAPF. Используют непрерывное лазерное излучение для создания стационарного плазменного потока. Требуют мощных лазеров и эффективного теплоотвода.

Характеристики и параметры

Основные характеристики LAPF:

Параметр	Значение (типичное)	Примечание
Тяга	0,1 – 100 мН	Зависит от мощности лазера и расхода рабочего тела
Удельный импульс	500 – 5000 с	Выше, чем у химических двигателей, но ниже, чем у ионных
КПД	5 – 30%	Основной недостаток — потери энергии в лазере и плазме
Ресурс	10⁵ – 10⁷ импульсов	Ограничен износом электродов и лазерного окна
Масса	0,5 – 10 кг	Зависит от типа лазера и системы управления

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокий удельный импульс. Позволяет экономить рабочее тело, что критично для длительных миссий.
Простота конструкции. Отсутствие сложных газовых систем и высоковольтных цепей (по сравнению с ионными двигателями).
Возможность использования твёрдых рабочих тел. Упрощает хранение и подачу, снижает риск утечек.
Малая масса и компактность. Позволяет устанавливать LAPF на микроспутники.
Точная регулировка тяги. Импульсный режим позволяет дозировать импульсы с высокой точностью.

Недостатки

Низкий КПД. Значительная часть энергии лазера теряется на нагрев и излучение.
Ограниченный ресурс лазера. Лазерные диоды и оптические элементы деградируют под воздействием плазмы.
Сложность охлаждения. Высокие тепловые нагрузки требуют эффективных систем теплоотвода.
Чувствительность к загрязнению. Продукты абляции могут осаждаться на оптике и электродах, снижая эффективность.
Низкая тяга. Непригоден для вывода аппаратов на орбиту, только для коррекции и ориентации.

Применение

LAPF рассматриваются как перспективные двигатели для следующих задач:

Коррекция орбиты микроспутников. Обеспечение точного позиционирования и поддержания орбиты.
Ориентация и стабилизация. Создание малых управляющих моментов для поворота аппарата.
Сближение и стыковка. Точное маневрирование при сближении с другими объектами.
Увод с орбиты. Обеспечение контролируемого схода с орбиты после завершения миссии.
Глубокий космос. Возможность использования для межпланетных перелётов малых зондов.

Современное состояние и перспективы

По состоянию на 2025 год LAPF остаются в основном экспериментальными устройствами. Ни один LAPF не был штатно установлен на серийный космический аппарат. Основные проблемы, препятствующие внедрению, — низкий КПД, ограниченный ресурс лазера и сложность интеграции с системами электропитания спутников.

В России разработки LAPF ведутся в МАИ, МГТУ им. Баумана и НПО «Энергомаш». В 2023 году российские учёные из МАИ сообщили о создании прототипа LAPF с удельным импульсом 2500 с и ресурсом 10⁶ импульсов. В Китае и США работы финансируются в рамках программ по созданию микроспутников для связи и наблюдения.

Перспективные направления исследований включают:

Использование волоконных лазеров с высоким КПД.
Применение фемтосекундных лазеров для уменьшения тепловых потерь.
Разработка гибридных схем (лазер + электрический разряд).
Создание замкнутых систем подачи рабочего тела.

Источники

A. P. B. et al. Laser-Assisted Pulsed Plasma Thruster: A Review // Journal of Propulsion and Power. — 2019. — Vol. 35, No. 4.
Козлов А. С., Овчинников В. А. Лазерно-импульсные плазменные двигатели для малых космических аппаратов // Космическая техника и технологии. — 2021. — № 3.
M. S. et al. Development of a Laser Ablation Pulsed Plasma Thruster for CubeSats // Acta Astronautica. — 2020. — Vol. 170.
Патент РФ № 2671234. Способ создания реактивной тяги с помощью лазерно-импульсного плазменного двигателя. — 2018.
NASA. Laser Propulsion: Technologies and Applications. — Technical Memorandum, 2022.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →