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

Введение

Представьте себе мир, где энергия летает по воздуху, словно луч света, питая дома, машины и даже дроны, парящие в небе. Мир, где телескопы размером с чемодан улавливают шепот далеких галактик, а двигатели работают без единой движущейся детали, используя лишь силу формы. Это не сценарий из фантастического фильма, а реальность, которую обещает геометрическая волновая инженерия (ГВИ) – новая область науки, где ключ к технологическим прорывам лежит не в сложных механизмах, а в изящной геометрии.

Центральное место в ГВИ занимают псевдоповерхности.

Псевдоповерхности второго порядка, такие как псевдогиперболоиды, псевдоэллипсоиды с переменной отрицательной гауссовой кривизной, представляют собой уникальные геометрические объекты, способные накапливать, перенаправлять и пространственно распределять волновую энергию в строго управляемых направлениях.

В данной работе представлена обобщённая концепция Геометрической Волновой Инженерии (ГВИ), в рамках которой псевдоповерхности рассматриваются как функциональные элементы инженерных устройств нового поколения. В её основе лежит идея о том, что форма может выполнять управляющую и логическую функцию, ранее характерную лишь для программного управления, механических конструкций или электронных компонентов. В частности, продемонстрировано, что псевдогиперболоидные и им подобные резонаторы способны обеспечивать:

– фокусировку электромагнитных, акустических и детонационных волн;

– формирование узконаправленных пучков излучения без применения внешних линз, фазированных решёток или цифровых фазовращателей;

– эффективную регистрацию слабых полей (электрических, магнитных, гравитационных) посредством пространственного усиления сигнала;

– инициацию возвратно-поступательных или вращательных газодинамических процессов без клапанов и подвижных частей;

– реализацию самоподдерживающихся энергетических процессов на основе внутренней геометрической синхронизации.

Особое внимание в представленной работе уделено практической реализации алгоритмов саморегулирования давления, тока, потока или излучения через архитектуру формы. Примерами служат:

– фазо-чувствительные сенсоры новой природы (включая “времетекторы” – приборы для регистрации микроскопических отклонений метрики времени);

– лазероподобные СВЧ-резонаторы (“структурированные генераторы”);

– фокусные газодинамические клапаны без механики;

– без насосные волновые системы перекачки жидкостей;

– и волновые приводы детонационного типа, самофазирующиеся по направлению горения.

Цель данной работы – продемонстрировать универсальность и еще практически неиспользованный инженерный потенциал псевдоповерхностей как платформ для создания многофункциональных, компактных и самоорганизующихся технических систем.

Работа объединяет теоретическое моделирование, аналитические выводы и прикладные инженерные схемы, предлагая основу для дальнейших исследований.

1. Волновая энергетика

1.1. Источник ЭМ излучения с сверхмалой угловой расходимостью в диапазоне частот до видимого включительно

Особая геометрия и распространение лучей внутри псевдогиперболоида может быть использована в качестве нового резонатора/формирователя мощного ЭМ излучения с сверхмалой угловой расходимостью в диапазоне часто от СВЧ до видимого

Рассмотрим ранее представленную поверхность второго порядка – псевдогиперболоид с точки зрения использования в качестве объёмного резонатора/формирователя мощного ЭМ излучения. Для этого необходимо предусмотреть выходную апертуру в месте сосредоточения ЭМ энергии.

Для этого изменим немного трактрису. Возьмём усечение одной ветви гиперболы со стороны выхода ниже оси фокусов, равном длина волны/2. Например, для СВЧ зазор 0.1-2 мм, ИК 5-50 мкм, видимый свет: 1 мкм.

Рис. № 1. Выходная апертура псевдогиперболоидного источника ЭМ излучения.

В этом случае будет происходить не только концентрация лучей к диаметральной оси фокусов гиперболы, но и узко направленное цилиндрическое распространение по оси фокусов в одном направлении потока с толщиной “стенки” излучения, равной длине волны.

Главная особенность такого резонатора – это формирование ЭМ излучение полой цилиндрической формы с толщиной стенки, равной длине волны и с угловой расходимостью, приближающейся к дифракционному пределу. Геометрическая синергия обеспечивается за счёт специфической формы отражающих поверхностей, описываемых в терминах усечённой гиперболической трактрисы. Такая форма позволяет лучам самосогласованно распространяться и фокусироваться по оси – в отличие от традиционных конфигураций.

Это универсальное физико-геометрическое свойство позволяет использовать резонатор в различных диапазонах частот. Выбор материалов и методов возбуждения зависит от частотного диапазона (СВЧ, ИК, оптический).

Вариант 3-D архитектуры псевдогиперболоидного резонатора показан на следующем рисунке.

Рис. № 2. 3-D архитектура псевдогиперболоидного резонатора.

Где:

– 1- Входной поток.

– 2 – Резонатор.

– 3- Выходная апертура (толщина стенки = длинна волны).

Применение псевдогиперболоидной поверхности в газодинамической лазерной генерации имеет свои особенности. Для газодинамической лазерной генерации резонатор должен быть полно проходным для обеспечения газового потока. Здесь возможна реализация двух типов генерации мощного ЭМ излучения:

1.      На основе быстрого расширения газа в осевом направлении резонатора (классическая схема газодинамического лазера).

2.       За счёт быстрого локального нагрева в осевом направлении резонатора (например, в ударной волне – тепломеханическая накачка).

В любом случае псевдогиперболическая поверхность должна быть полно проходной.

Таким образом, в конструктивном плане, в зависимости от назначения, псевдогиперболоидный резонатор направленного излучения может быть изготовлен полно проходным или замкнутым для входного энергетического потока.

Замкнутый тип. Полно проходной тип.

Рис. № 3. 3-D модели двух типов псевдогиперболоидных резонаторов.

Дополнительно, каждый тип псевдогиперболоидного резонатора по выходному каналу может быть открытого типа и полуоткрытого.

Открытого типа. Полуоткрытого типа.

Рис. № 4. 3-D модели выходных каналов псевдогиперболоидных резонаторов.

Рассмотрим особенности использования псевдогиперболоидного резонатора в различных электромагнитных диапазонах.

1. Физика СВЧ-потоков в псевдогиперболоидном резонаторе

Псевдогиперболоидный резонатор представляет собой полость с криволинейной внутренней поверхностью, сформированной вращением усечённой трактрисы. Такая поверхность обладает переменной отрицательной кривизной. Необычная геометрия стенок заставляет СВЧ-волны многократно отражаться по строго согласованным траекториям: каждая точка поверхности резонатора ориентирована таким образом, чтобы отражённая волна постепенно «переходила» в направленное движение вдоль оси симметрии.

Результат – формирование узконаправленного СВЧ-потока цилиндрической формы по линии фокусов превдогиперболоида.

Принцип тот же, что и у параболического зеркала: все лучи, отражённые от поверхности, собираются в один направленный фронт. Но в отличие от одномерного фокуса – здесь трёхмерное отражающее пространство на основе кривых второго порядка, работающих в синергии. Это обеспечивает пространственную самофокусировку.

Режим волновода

В псевдогиперболоидном резонаторе действует волноводный эффект. EM-волны (в частности, TM или TE моды), возбуждённые, например, магнетроном, попадают в геометрически замкнутое пространство. В зависимости от размеров полости и длины волны имеются резонансные условия, при которых внутренняя структура “настраивается” на устойчивую стоячую волну, усиливая поля.

Форма резонатора обеспечивает

– минимальные потери энергии на рассеяние (волновая энергия не уходит в стороны);

– согласованное направление волнового фронта;

– сужение энергетического канала к выходу – подобно соплу в газодинамике.

– создание полого цилиндрического канала в воздухе (или в газе, если имеется заполняющая среда).

Такой поток:

– легко туннелирует через пространство;

– может использоваться как ионизатор для создания проводящих воздушных дорожек;

– может быть использован для передачи энергии, облучения или формирования управляемого электромагнитного влияния на объекты.

Преимущества перед традиционными резонаторами

– Направление энергии формируется геометрически, а не электронно-фазовым управлением.

– Отсутствуют подвижные части, фокусирующие линзы и зеркала.

– Устойчивая структура волнового фронта при небольших деформациях корпуса.

– Естественная коллимация – формирует почти плоский фазовый фронт.

Таким образом псевдогиперболоидный резонатор в СВЧ диапазоне – это пассивная геометрическая система, которая перерабатывает рассеянную СВЧ-волну в направленный поток с высокой концентрацией энергии в пространстве. Фокусирующие свойства обеспечены не за счёт внешней оптики, а за счёт самой формы поверхности. Это приближает поведение СВЧ-генератора (например, магнетрона) в такой схеме к лазероподобному источнику направленного микроволнового пучка.

2 Физика оптических и ИК-потоков в псевдогиперболоидном резонаторе

Основной принцип: геометрическая фокусировка волны без линз.

В видимом и ИК-диапазонах длина волны λ составляет 400–10 000 нм. При формировании квазипараллельного пучка основное условие – контроль фазового фронта: откуда и как излучение выходит из системы.

Псевдогиперболоид, полученный вращением усечённой трактрисы, имеет идеально сбалансированную отрицательную кривизну вдоль сечений. Поверхность ориентирована так, что лучи, исходящие из области генерации (внутри полости), многократно отражаясь, направляются в диаметральную область фокусов.

Это поведение аналогично параболическому зеркалу – однако в псевдогиперболоиде фокусная поверхность полый цилиндрический объём, а не одну точку, обеспечивая не только фокусировку, но и коллимацию (выравнивание фаз).

Генерация и накачка поля

Для ИК и оптического диапазона возможны все классические способы накачки, в том числе:

– горячий газ/плазма (в случае газодинамического лазера);

– ионизованный газ, нагреваемый ударной волной, либо расширением через сопло;

– оптическое или искровое возбуждение излучающей среды.

В отличие от СВЧ, здесь возбуждение не антенное, а либо тепловое, либо электронно-молекулярное. Однако решающую роль в формировании направленного пучка играет уже не сама активная среда, а псевдогиперболоидная форма, преобразующая изотропное или слабо направленное ИК-излучение в узкий, квазипараллельный канал.

Отличие от классической оптики и лазерных резонаторов

Классические оптические резонаторы используют два зеркала (однородной или сферической формы), обеспечивающие стоячие волны вдоль оси. Псевдогиперболоидная структура:

– является разомкнутой однозеркальной системой – формирует не стоячую, а направленную волну;

– не требует особой согласованности длин резонатора и длины волны (в однопроходной конфигурации);

– выполняет преобразование произвольного источника (вплоть до хаотического) в направленный ЭМ-поток.

Физический механизм концентрации энергии

– Поток излучения в пространстве сохраняет мощность, но благодаря геометрии резонатора механически «собирается» в цилиндрический канал – по сути, плотность мощности возрастает.

– Лучи, первоначально идущие под углом, многократно отражаются от криволинейной стенки, при этом с каждым отражением траектория стремится к оси фокусов – это аналог «оптического раструба наизнанку».

– За счёт параметрического управления кривизной стенок можно изменять фокусные свойства, настраивая длину пучка и плотность энергии.

Псевдогиперболоидный резонатор в оптике и ИК-диапазоне реализует уникальный принцип пространственного фокусирования и коллимации излучения без применения традиционных элементов. Он формирует квазилазерный пучок за счёт формы – то есть сама геометрия преобразует волну в направленный выходной поток. Это открывает путь к созданию простых, компактных и дешёвых устройств для генерации плотного ИК или оптического излучения в гражданских и военных технологиях.

Вывод

Синергия лучевых распространений кривых второго порядка обеспечивает формирование ЭМ излучения полой цилиндрической формы с угловой расходимостью, приближающейся к дифракционному пределу. Эта особенность является ключевой для его универсальности в применении к всему диапазону частот от СВЧ и до оптических включительно. Отличая только в выборе материала изготовления и способами возбуждение колебаний. Например, в СВЧ диапазоне – стальной, с классическим СВЧ возбуждением петлями, штырями, щелями и т.п. В оптическом и около оптическом диапазонах – зеркальный с классической накачкой быстрым расширением газа в резонаторе или и быстрым нагревом газа в ударной волне внутри резонатора.

Предложенный резонатор подходит для создания компактного СВЧ излучателя, принцип действия которого основан на резонансном усилении электромагнитного поля с последующим быстрым выводом энергии в виде мощного СВЧ энергетического потока. Для формирования узконаправленного диаметрального потока СВЧ энергии псевдогиперболоидный резонатор должен быть замкнутого типа.

Рис. № 5. Лучевые распространения в сечении псевдогиперболоидного резонатора для СВЧ энергии.

3. Предложенный псевдогиперболоидный резонатор может быть использован для формирования инфракрасного и видимого мощного потока энергии в газодинамической лазерной генерации. В этом случае псевдогиперболоидный резонатор должен быть полно проходного типа для газодинамического потока.

Рис. № 6. Лучевые распространения в сечении псевдогиперболоидного резонатора для ИК и видимого диапазонов частот газодинамической лазерной генерации.

В заявленном резонаторе могут быть реализованы 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.

4. Мощный направленный электромагнитный поток в виде тонкого диаметрального канала от СВЧ, ИК и до оптических частот, у которого малая угловая расходимость выходного излучения, приближающаяся к дифракционному пределу, позволит по-новому взглянуть на известные технологии или создать новые технологии.

1.2. Универсальная волновая платформа для генерации, детектирования и развёртки волн от инфразвука до ультразвука

Звуковые волны охватывают широкий диапазон частот – от инфразвука (менее 20 Гц) до ультразвука (свыше 20 кГц). Эффективное фокусирование, излучение, приём и пространственное управление звуковыми волнами требует громоздких линз, фазированных решёток или подвижных зеркал. Предлагается псевдогиперболоидная геометрия в качестве универсальной геометрической платформы, позволяющей пассивно управлять звуковыми волнами – как инфра-, так и ультразвуковыми – за счёт уникальных отражающих и фокусирующих свойств её формы.

Геометрия

В акустике ключевым фактором является соответствие размеров устройства длине звуковой волны:

– λ (длина волны) в воздухе = v / f ≈ 340 м/с / f.

– Инфразвук (0,1–20 Гц): длина волны 17 м – 3 км.

– Акустика (20 Гц – 20 кГц): λ = 17 м – 1,7 см.

– Ультразвук (>20 кГц): λ < 1,7 см.

Несмотря на это, псевдогиперболоид может быть вполне эффективно применён и для акустических волн – в акустике, ультразвуке и даже гидродинамике. Рассмотрим подробно, как и почему.

Геометрическая аксиома: волны отражаются одинаково

Согласно принципу геометрической (лучевой) акустики, поведение звуковых или ультразвуковых волн при отражении от границ (если размеры объекта ≫ длины волны) аналогично оптике:

– закон отражения: угол падения = угол отражения,

– волновые фронты отражаются, фокусируются так же, как и световые.

Это означает: если размеры псевдогиперболоидной структуры сопоставимы или превышают длину волны звука, то она эффективно будет направлять, фокусировать и сводить волны вдоль своей оси.

Работа со звуком

В режиме приёма (акустическая «линза» для микрофона) звуковые волны, падающие на вогнутые стенки псевдогиперболоида (например, диаметр 50–100 см), отражаются и фокусируются вдоль цилиндрической фокусной плоскости. В цилиндрической области фокусов устанавливаются микрофоны или ультразвуковые датчики. Получается направленный приёмник усиливается сигнал из конкретного направления и подавляются боковые и обратные сигналы.

В режиме излучения (динамик, источник звука) источники звука (динамики, пьезо-излучатели) устанавливаются по периметру фокуса. Отражения от стенки формируют узкий пучок звука – в отличие от обычных динамиков, звучание направленное и дальнобойное.

Примеры использования

– Псевдогиперболоид из алюминия или пластика с пьезоизлучателем в фокусе создаёт узконаправленный ультразвуковой луч для медицинской визуализации, терапевтической фокусировки (например, разрушение камней), ультразвукового удаления загрязнений, кавитационной очистки.

Акустическая приёмная система (направленный микрофон). Использование в звукозаписи, пеленгации шумов, наблюдении животных и других приложениях, где важно фильтровать звуки с одного направления. Микрофоны ловят звук, отражённый от всей поверхности.

Направленный громкоговоритель. Динамик внутри псевдогиперболоида излучает звук фронтом, который сужается в луч – создавая акустическую «точку» в пространстве. Применимо в театрах, музеях, рекламных киосках (звук слышен точно в зоне, а рядом – почти нет).

Акустическая пеленгация. Разместив по периметру псевдогиперболоида несколько микрофонов, можно точно определить направление прихода звука (акустический локатор).

Гидроакустика (подводные приложения). В воде звуковые длины волн меньше, плотность среды выше – поэтому компактная псевдогиперболоидная конструкция отлично работает как гидроакустический направленный приёмник или сонар.

Важное ограничение: размеры должны быть соразмерны λ

Если диаметр псевдогиперболоидного устройства (или глубина полости) много меньше длины волны звука эффекты фокусировки исчезают из-за дифракционного размытия. Направленность исчезает, пучок не формируется, волна будет просто распространяться объёмно.

Поэтому на средних частотах (до 1 кГц) нужны габаритные конструкции (>1 м). Это подходит для стационарных применений. В ультразвуке (20–200 кГц и выше) длина волны миллиметровая. Можно строить компактные эффективные резонаторы и направленные излучатели размером в десятки миллиметров.

Вывод

Псевдогиперболоид прекрасно подходит для работы со звуковыми волнами, но при соблюдении условия масштаба. Эффективность фокусировки и направленного излучения возникает, только если размеры структуры кратно превышают длину волны. Отлично работает в ультразвуке (частоты выше 20 кГц), где длины волн малы. Можно создавать портативные и компактные акустические устройства. В звуковом (низкочастотном) диапазоне тоже применим, но требует крупных форматов – например, как направленный микрофонный купол или сверхнаправленный громкоговоритель.

Таким образом, псевдогиперболоид можно эффективно использовать в акустике и ультразвуке – как фокусировщик, направленный передатчик, приёмник или пеленгатор.

1.3. Газодинамический лазер на встречных волнах

О газодинамических лазерах

Для лазерной генерации известны два метода получения инверсной населенности.

Первый метод получения инверсной населенности.

Первый метод реализован в существующих газодинамических лазерах. Существующие газодинамические лазеры на колебательно-вращательных переходах в молекулах газа осуществляют излучение в основном в ближней и средней инфракрасной области спектра. В них газовая смесь с давлением 15 атмосфер и температурой 1500 градусов расширяется через сопло. Истечение из сопла адиабатическое. На выходе температура газа резко падает. Таким образом после зоны расширения за соплом будет достаточно широкая область с инверсией населённости.

Второй метод получения инверсной населенности.

Второй метод, как быстрый нагрев газа (например, в ударной волне), когда Т> Т1 предлагается реализовать в заявленном лазере на встречных детонационных волнах.

Метод основан на встречном “сжатии” двух и более волн детонационного горения газоовоздушной смеси в общем центре.

Генерация лазерного излучения по второму методу.

Рассмотрим принципиально новый резонатор на основе новой геометрической фигуры 2-го порядка с переменной отрицательной кривизной – псевдогиперболоиде.

Псевдогиперболоидом 2-го порядка можно назвать разомкнутую объёмную полость с переменной отрицательной кривизной, которая образована вращением усеченной гиперболы вокруг оси F, параллельной оси фокусов F1F2 гиперболы и смещенной от нее на R.

Рассмотрим образующую в виде усеченной гипербол, описываемую уравнением:

Где:

– a = b = 1.

При осевом вращении образующей относительно оси симметрии F, получается поверхность вращения с вогнутыми стенками (отрицательная кривизна), потенциально способная фокусировать и волновую энергию в цилиндрической оси фокусов F1F2.

Рис. № 7. Разомкнутая образующая в виде двух усеченных симметричных гипербол.

Ход лучей внутри песвогиперболлоида

А) Лучи, направленные в фокусы

В идеальных условиях, согласно фокальному свойству гиперболы – луч, направленный на один из фокусов (F2), отражается на второй фокус (F1). Если продолжить этот луч дальше, то можно заметить, что он последовательно направляется к обоим фокусам. И в пределе, когда ветви гиперболы становятся прямыми (по оси фокусов F1-F2) – попадает в ловушку. Произойдет концентрация лучей по оси фокусов гиперболы F1-F2 в идеальных условиях.

Рис. № 8. Распространение лучей, направленных в фокус псевдогиперболоида.

В) Спиралевидное/гелиоидное сближение с осевой областью

Внеграничные лучи, попадающие на стенки под углом, в большинстве случаев будут многократно отражаться, “обтекая” ось резонатора спиралью. Это распространено во многих волноводных или резонаторных системах. Отражения постепенно приближают траекторию луча к цилиндрической оси фокусов.

Механизм можно сравнить с оптической воронкой – структура, втягивающая световые лучи к своей оси. Только в данном случае фокус существует не как точка, а как цилиндрическая область, к которой стремятся лучи.

Для использования в качестве резонатора в нём необходимо предусмотреть выходную апертуру в месте сосредоточения ЭМ энергии.

Для этого изменим немного трактрису. Возьмём усечение одной ветви гиперболы со стороны выхода ниже оси фокусов, равном длина волны/2. Например, для ИК 5-50 мкм

Рис. № 9. Выходная апертура псевдогиперболоидного источника ЭМ излучения.

В этом случае будет происходить не только концентрация лучей к диаметральной оси фокусов гиперболы, но и узко направленное цилиндрическое распространение по оси фокусов в одном направлении потока с толщиной “стенки” излучения, равной длине волны.

Схема

Реализация лазера представлена на следующем рисунке

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.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.