Лазерные ракетные двигатели (ЛРД) являются альтернативными вариантами силовых установок для ракет-носителей и космических аппаратов (КА). Достоинствами данного типа двигателя является то, что для него требуется меньшее количество топлива, размещаемого на борту, а также его компактность и возможность работы, например, от бортовой энергетической установки [1, 2].
ЛРД могут применяться для решения следующих задач:
вывод полезной нагрузки на околоземную орбиту;
ускорение космических аппаратов, запускаемых в дальний космос;
ориентация и стабилизация космических аппаратов, коррекция параметров орбиты;
борьба с космическим мусором.
Схема вывода полезной нагрузки на орбиту при помощи ЛРД представлена на рисунке 1 [1]. Согласно данной схеме на Земле расположен лазер мегаваттного класса, при помощи которого осуществляется запуск КА на орбиту. При использовании данной схемы соотношение массы полезной нагрузки к общей массе может составлять более 50 %. Также эффективным является запуск аппарата не с поверхности Земли, а с высоты от 1 до 15 км.
Схема ускорения КА для миссий в дальнем космосе представлена на рисунке 2 [1]. Ввиду того, что наведение наземного лазера на КА, находящиеся в дальнем космосе, является сложной задачей, предлагается использование КА с лазером на борту, который будет наводиться на аппарат в дальнем космосе и ускорять его.
ЛРД также может использоваться для стабилизации КА и для коррекции параметров его орбиты. Например, абляция мишени от лазерного луча создает тягу в диапазоне микроньютонов.
Помимо этого, ЛРД может использоваться для удаления космического мусора с орбиты или защиты от астероидов. Физическая основа принципа работы данной системы - взаимодействие лазерного излучения с веществом. Схема удаления космического мусора с орбиты представлена на рисунке 3 [1].
По принципу действия можно выделить следующие основные типы ЛРД:
лазерные воздушно-реактивные двигатели;
двигатели на основе абляции твердых материалов.
В лазерных воздушно-реактивных двигателях используется импульсное лазерное излучение, а рабочим телом служит атмосферный воздух. В хвостовой части ракеты-носителя расположен параболический рефлектор (отражатель), фокусирующий излучение в одной точке. В данной точке за счет нагрева воздуха будут создаваться взрывы, за счет которых создается тяга.
В абляционном лазерном двигателе лазерный луч воздействует на твердую поверхность топлива, в результате чего вещество сублимируется (переходит из твердого состояния в газообразное) в виде свободных молекул, атомов и ионов. Таким образом, в результате воздействия лазерного излучения создается тяга.
Поиск патентных публикаций (заявки, патенты на изобретения, полезные модели) по теме «Лазерные двигатели космических аппаратов» проводился в следующих базах патентной информации:
база данных ФИПС (Российская Федерация);
база данных Patentscope (Всемирная организация интеллектуальной собственности – ВОИС);
база данных Espacenet (Европейское патентное ведомство – ЕПВ).
Поиск проводился по ключевым словам лазерный ракетный двигатель, лазерный реактивный двигатель, лазерный двигатель, лазерная тяга, абляция, лазерная абляция, laser rocket engine, laser engine, laser propulsion, laser thruster, ablation, laser ablation и подклассам МПК F02K, F03H, B64C, B64D, B64G. В результате поиска было отобрано 117 патентных документов (патенты, заявки).
На рисунке 4 представлены страны, в которых выявлены патентные публикации по теме «Лазерные двигатели космических аппаратов» за период с 2000 г. по 2022 г. На рисунке 5 представлено распределение количества патентных публикаций по странам и ведомствам за период c 2000 г. по 2022 г.
На рисунке 6 представлено распределение количества патентных публикаций по годам за период с 2000 г. по 2022 г.
На рисунках 7 и 8 представлено распределение количества патентных публикаций по теме «Лазерные двигатели космических аппаратов» среди стран-лидеров за период с 2000 г. по 2010 г. и с 2011 г. по 2022 г. соответственно.
Из распределений, представленных на рисунках 6 – 8, можно сделать вывод, что за период 2000-2022 г. количество патентных документов, публикуемых ежегодно, изменяется не существенно. Среднее количество документов, публикуемых ежегодно, равно 5.
В период с 2000 г. по 2009 г. лидирующие позиции по количеству патентных публикаций по данному направлению занимали Российская Федерация, США и Япония. В период с 2010 г. по 2022 г. лидирующие позиции по количеству патентных публикаций занимал Китай.
Необходимо отметить, что патентные публикации представлены в странах, осуществляющих большое количество работ в области космической техники.
На рисунке 9 представлено распределение количества патентных публикаций по теме «Лазерные двигатели космических аппаратов» за период с 2000 г. по 2022 г. Распределение представлено для организаций, имеющих наибольшее количество публикаций.
Так как Российская Федерация, США, Япония и Китай являются лидерами по количеству патентных публикаций, целесообразно рассмотреть патентные публикации патентных ведомств данных стран.
На рисунке 10 представлено распределение патентных публикаций Федерального института промышленной собственности (ФИПС) за период с 2000 г. по 2022 г. по теме «Лазерные двигатели космических аппаратов». Распределение представлено для организаций, имеющих наибольшее количество публикаций.
На рисунках 11 – 13 представлены аналогичные распределения патентных публикаций патентных ведомств США, Японии и Китая соответственно.
Из распределений, представленных на рисунках 10 и 13, можно сделать вывод, что на территории России и Китая разработки патентуют преимущественно образовательные и научно-исследовательские организации. Из распределений, представленных на рисунках 11 и 12, можно сделать вывод, что на территории США и Японии патентуют разработки как научно-исследовательские организации, так и промышленные организации.
Также из распределений, представленных на рисунках 10 - 13, следует, что на территории России, Японии и Китая патентуют разработки организации, зарегистрированные в России, Японии и Китае, соответственно. На территории США патентуют разработки организации, зарегистрированные как в США, так и в других странах, например, в Канаде и Японии.
Помимо этого, правообладателями большого количества патентов являются физические лица.
Данные выводы, а также тот факт, что общее количество патентных публикаций по данной теме является относительно невысоким, могут свидетельствовать о том, что лазерные двигатели являются перспективным направлением. В настоящее время ведутся научные исследования и разработки подобных систем. Организации, ведущие работы по данному направлению, могут не рассматривать возможность вывода продукции на рынок (в том числе на зарубежные рынки), в связи с чем вопросы правовой охраны не рассматриваются.
Также необходимо отметить, что в России и в США были разработаны экспериментальные образцы ЛРД. В отношении разработанных технических решений были получены патенты US6488233B1 и RU2266420C2.
В патенте US6488233B1 представлен КА с лазерным двигателем (рисунок 14). Данное решение было разработано в рамках проекта Lightcraft. Проект разрабатывался в Политехническом институте Ренсселера (США) в 1970-х годах, а затем был продолжен в рамках программ противоракетной обороны Стратегической оборонной инициативы и иных работах, финансируемых ВВС США и НАСА.
Lightcraft представляет собой транспортный КА, который использует энергию лазерного луча для вывода на орбиту грузов. В рамках проекта Lightcraft были проведены испытания демонстратора, а также был разработан полномасштабный макет летательного аппарата.
В патенте RU2266420C2 представлен аэрокосмический лазерный реактивный двигатель (АКЛРД) (рисунок 15). Разработчиком данного ЛРД является АО «НИИ ОЭП». Разработчиками проведены эксперименты по демонстрационному полету аппарата с макетом аэрокосмического лазерного реактивного двигателя. Демонстрационные эксперименты с макетом c общей массой 150 г, движущейся по наклонной трассе, показали максимальную тягу в 1,5 Н, максимальную скорость аппарата 5 м/с, максимальное ускорение аппарата 5 м/с2.
Так как в настоящее время активно проводятся научные исследования и осуществляются разработки по направлению лазерных двигателей для космических аппаратов, целесообразно проанализировать публикации непатентной литературы российских организаций.
На рисунке 16 представлено распределение публикаций непатентной литературы по теме «Лазерные двигатели космических аппаратов» за период с 2012 г. по 2021 г. (по данным портала eLibrary).
На рисунке 17 представлено распределение публикаций непатентной литературы по теме «Лазерные двигатели космических аппаратов» по организациям за период с 2012 г. по 2022 г. Распределение представлено для организаций, имеющих наибольшее количество публикаций.
Из распределений, представленных на рисунках 16 и 17, видно, что количество публикаций непатентной литературы по теме «Лазерные двигатели космических аппаратов», публикуемых каждый год с 2012 г. по 2022 г., остается примерно на одном уровне. С учетом данных, представленных на рисунке 8, можно сделать вывод, что в России в настоящее время проводятся научно-исследовательские работы по рассматриваемому направлению. При этом работы проводят, преимущественно, научно-исследовательские и образовательные организации. Необходимо также обратить внимание, что публикации имеют те организации, которые подали заявки и получили ряд охранных документов в отношении собственных разработок (см. рисунок 8).
Ввиду относительно небольшого количества публикаций патентной и непатентной литературы, можно сделать вывод, что данные организации в настоящее время не рассматривают возможность потенциальной коммерциализации полученных результатов.
В результате анализа патентной информации по теме «Лазерные двигатели космических аппаратов» было выявлено, что патентные публикации, в основном, распределяются по следующим группам МПК:
B64G 1/00 - Космические летательные аппараты;
B64G 1/10 - Космические летательные аппараты, искусственные спутники; системы искусственных спутников; межпланетные корабли;
B64G 1/24 - Космические летательные аппараты. Управляющие устройства летательного аппарата, например, для управления его положением в пространстве;
B64G 1/26 - Космические летательные аппараты. Управляющие устройства летательного аппарата, например, для управления его положением в пространстве с использованием реактивной силы;
B64G 1/40 – Космические летательные аппараты, размещение и модификация двигательных систем;
B64G 4/00 - Инструменты, специально предназначенные для использования в космосе;
H01S 3/00 - Лазеры, т.е. устройства для генерирования, усиления, модуляции, демодуляции или преобразования частоты, использующие стимулированное излучение электромагнитных волн с длиной волны большей, чем длина волны в ультрафиолетовом диапазоне;
F02K 7/00 - Установки, в которых рабочее тело используется только для создания реактивной струи, т.е. установки, не имеющие турбин или иных двигателей, приводящих компрессор или нагнетатель; управление ими;
F02K 9/08 - Ракетные двигательные установки, т.е. установки, для работы которых используется горючее и окислитель; управление этими установками, использующие твердые топлива;
F02K 9/95 - Ракетные двигательные установки, т.е. установки, для работы которых используется горючее и окислитель; управление этими установками, характеризуемые способами и устройствами для пуска и зажигания;
F02K 99/00 - Реактивные двигательные установки. Тематика, не предусмотренная в других группах данного подкласса;
F03H 1/00 - Использование плазмы для получения реактивной тяги;
F03H 3/00 - Особые способы и устройства для создания реактивной тяги, не отнесенные к другим подклассам. Использование фотонов для получения реактивной тяги;
F03H 99/00 - Особые способы и устройства для создания реактивной тяги, не отнесенные к другим подклассам. Тематика, не предусмотренная в других группах данного подкласса.
Распределение количества публикаций по группам МПК представлено на рисунке 18. Распределение представлено для групп МПК, к которым относится наибольшее количество публикаций.
На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что патентная активность в сфере лазерных двигателей для космических аппаратов остается относительно невысокой. Тенденция увеличения количества патентных публикаций по данному направлению в настоящий момент отсутствует. В основном подают заявки и патентуют собственные разработки научно-исследовательские и образовательные организации. При этом представлены несколько организаций промышленности, подавших заявки и получивших охранные документы в отношении собственных разработок. Правообладателями значительного количества патентов являются физические лица.
Данные выводы могут свидетельствовать о том, что лазерные двигатели в настоящее время являются перспективным направлением. На данный момент ведутся научные исследования и разработки подобных систем. Организации, выполняющие исследования по данной теме, в настоящее время могут не рассматривать возможность вывода продукции на рынок, в связи с чем не рассматривают и вопросы правовой охраны собственных разработок.
Рост количества патентных публикаций по направлению лазерных ракетных двигателей может ожидаться после окончания исследовательских работ и после принятия решения о применении подобных систем в составе космических аппаратов.
Необходимо учитывать, что исследования по теме «Лазерные двигатели для космических аппаратов» выполняются в странах, активно осуществляющих разработки в области космической техники, например, в России, США, Японии и Китае. В связи с этим организациям, выполняющим работы по данному направлению, а также планирующим выведение продукции на рынок, целесообразно предусмотреть патентование своих технических решений, в том числе на иностранных рынках.
В России и в США были разработаны экспериментальные образцы ЛРД. В отношении технических решений были получены патенты RU2266420C2 и US6488233B1.
1. Зингашин Б.Р., Сочнев А.В. Существующие концепции и обзор экспериментальных исследований лазерного ракетного двигателя. Вестник МГТУ им. Н.Э Баумана. Сер. Машиностроение, 2021, № 1 (136), с. 20-52. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3941-2021-1-20-52
2. Michaellis M.M. and Forbes A. (2006). Laser propulsion: a review. S. Afr. J. Sci. 102, 289-295.
Если у вас есть замечания, комментарии или предложения по дальнейшему развитию пишите нам на электронный адрес patent@roscosmos.ru, давайте обратную связь и задавайте вопросы.
До новых встреч, ваш #ДайджестПИ
Оставить отзыв о дайджесте
