Я тут інфо про мечі знайшов, як їх в реальному світі можна створювати, може комусь пригодиться.
Содержание
Введение 3
1. Назначение и область применения ПЛМ 4
2. Анализ существующей конструкции и обоснование выбора новой схемы прибора
2.1. Терминология 5
2.2. Варианты конструкций 5
3. Общая характеристика и препятствия, возникающие в процессе разработки 8
4. Общие теоретические сведения по теме проекта 10
4.1. Лазер и сопутствующие ему явления 11
4.2. Плазма 16
4.3. Теория кристаллизации плазмы 20
4.4. Электроннолучевые пушки 33
4.5. Ядерный реактор 35
5. Принцип работы ПЛМ 43
6. Расчёты некоторых элементов конструкции
6.1. Контакт клинков 48
6.2. Фокусирующий кристалл 48
7. Описание конструкции и составных элементов 52
Заключение 53
Источники, частично и полностью использованные 54
Приложения:
Приложение А (Варианты внешнего оформления прибора) 55
Приложение Б (Техническое задание) 58
Введение
Целью данного курсового является на основе существующих компонентов и перспектив их технологического развития разработать научно обоснованные принципы работы портативного лазерного модуля (ПЛМ) специального назначения. Также необходимо разработать конструкцию, произвести общий габаритный расчёт, оценку стоимости и соответствия климатическим условиям работы прибора. Предпосылками к написанию данной работы являются многочисленные ненаучные предположения о принципе работы и конструкции аналогов ПЛМ, появившиеся в сети Internet.
Портативный лазерный модуль – ещё одно название «лазерного меча», придуманного и показанного широкой общественности американским режиссёром Джорджем Лукасом в его киноэпопее «Звёздные Войны» (премьера первого фильма состоялась 25 мая 1977 года, последнего – 19 мая 2005). Несмотря на то, что Дж. Лукас относит это понятие к области фантастики и не даёт никаких комментариев по конструкции, кроме изложенных в фильме и сопутствующих произведениях, однако, «Звёздные Войны» существуют далеко за границами их шести эпизодов. Множество писателей-фантастов в мире попытались осветить данную тему, не говоря уже о бесчисленных поклонниках фильма. К сожалению, практически никто из них не знаком достаточно глубоко с оптикой и другими разделами науки, связанными с функционированием прибора. Поэтому, взяв за основу внешние параметры «лазерного меча» попытаемся разработать «с нуля» принцип работы и конструкцию нового прибора – портативного лазерного модуля специального назначения.
1. Назначение и область применения ПЛМ
Прототипом ПЛМ является лазерный меч – оружие воинов и хранителей мира вселенной Звёздных Войн. Это совершенное и элегантное оружие. Оно многое дает тому, кто умеет, и многое требует от того, кто желает им управлять. Лазерный меч - очень опасное оружие, научиться владеть им не так то просто. Ведь при недостаточном уровне мастерства оно представляет большую угрозу своему владельцу, нежели противнику. Поэтому носителями меча являются джедаи – люди с экстраординарными способностями, высокой дисциплиной духа и тела, сильной волей – совершенные воины. Поэтому само выражение «световой меч», как правило, имеет значение символа таланта и умения, сочетания высоких технологий и удивительных возможностей человека.
Но, обладая таким огромным потенциалом, джедаи не стремятся использовать его для разрушения и концентрации власти в своих руках – это противоречит их моральным принципам. Однако это не избавляет джедая и от потенциальной способности применить своё оружие.
Официальной информацией [1] по поводу свойств светового клинка является то, что он может разрезать даже дюрасталь, самый прочный материал в мире Звездных Войн. На это может потребоваться некоторое время, но, тем не менее, важно то, что световой клинок, в принципе, не остановим ничем, кроме энергетического экрана, другого светового меча и кортозиса, специального материала, поглощающего любую энергию.
Так как световой меч использует ту же технологию, что и бластер, лезвие светового меча обладает возможностью отражать выстрелы из бластеров. Если удается предсказать цель выстрела и своевременно подставить меч, то это обеспечит защиту от стрелкового оружия. Прицельное перенаправление выстрелов обратно в противников, естественно, требует большей концентрации и точности движений, что, в принципе, не проблема для джедая.
Нередки и схватки между тёмными и светлыми джедями на световых мечах. Свойства клинков (они не проходят друг сквозь друга, как твёрдые тела) это позволяют. А высокая опасность оружия возводит в большую степень важности навыки джедая сражаться на мечах.
2. Анализ существующей конструкции
и обоснование выбора новой схемы прибора
Сразу стоит сказать, что подобного прибора не существует, не было создано за историю человечества и, судя по сегодняшнему уровню развития технологий, ждать момента появления первого рабочего экземпляра придётся очень долго. Однако в раздельности практически все функциональные элементы ПЛМ реально существуют, применяются в технике или, по крайней мере, находятся на стадии научных разработок. Поэтому, вначале рассмотрим тот «лазерный меч», образ которого был создан Дж. Лукасом в фильме.
2.1. Терминология
“Древнее и элегантное оружие, пришедшее к нам из лучших времен”, в оригинале (если принять за оригинал фильмы Джорджа Лукаса) называется lightsaber (дословно - “световая сабля”). За десятилетия активного существования “Звездных войн” в русскоязычных странах было предложено множество вариантов русификации этого термина. Одни из них (“лазерный меч”, “луч-сабля”) не самым точным образом передавали суть оружия, другие (“сабер”, “лайтсейбр”) — в сущности, не были переводами. В последнее время унификация терминологии привела к тому, что наиболее частым обозначением является “световой меч”, хотя в среде поклонников “Звездных войн” нередко можно услышать более короткое слово “сабер”.
2.2. Варианты конструкций
Рассмотрим один из вариантов композиции лазерного меча и его свойств, предложенных во вселенной Звёздных Войн. В данном приборе и описании его функционирования применяется также много терминов, взятых из фантастики и не имеющих земных аналогов. Однако их свойства вполне определены, поэтому допустимо сравнивать их с другими подобными элементами и описывать их взаимодействие. Основные части лазерного меча по данным энциклопедии Звёздных Войн [3] таковы (позиции изображены на рис. 1, а также на рис. 2 и рис. 3):
I. Энергоблок (Power Assembly)
1) Диатиумовая энергоячейка (diatium power cell) - мощная и компактная "батарейка", обеспечивающая работу меча в течение длительного времени. Усовершенствованный аналог энегроячеек для персональных бластеров.
2) Проводник (power field conductor) - окружает энергоячейку, заставляя сгенерированную энергию двигаться вдоль оси меча.
3) Вихревое кольцо (power vortex ring) - окружает проводник, направляя сгенерированную энергию так, чтобы практически вся она перешла в блок кристаллов.
4) Изолятор (inert power insulator) - окружает вихревое кольцо, обеспечивает изоляцию энергоблока в целом, что позволяет уменьшить утечки энергии и избежать пробоев на рукоятку.
5) Затвор (energy gate) - излучатель энергии (эммитер) в блок кристаллов.
II. Блок кристаллов (Crystal Energy Chamber)
6) Главный кристалл (primary crystal) - определяет первую частоту энерголуча.
7) Фокусирующие кристаллы (focusing crystals) - фокусируют и направляют энергию в генератор клинка, определяют вторую частоту энерголуча, и соответственно, основной цвет лезвия. Каждый фокусирующий кристалл индивидуален.
8) Активатор (focusing crystal activator) - именно та "кнопка", которая включает клинок меча, точнее выпускает накопившуюся энергию наружу. Каждый активатор индивидуален.
III. Генератор клинка (Blade Generation)
9) Энергоканал (blade energy channel) - длинная полая камера, в которой происходит генерация дуговой энергетической волны.
10) Циклические активизаторы поля (cycling field energizers) - окружают энергоканал и преобразуют энергию поступившую из блока кристаллов в дуговую энерговолну.
11) Схема энергетической модуляции (energy modulation circuits) - схема обратной связи.
12) Наконечник (blade arc tip), нередко дополняется магнитным стабилизирующим кольцом (magnetic stabilizing ring) – поз. 13 на рис. 1.
Рис. 1. Официальная схема устройства лазерного меча.
Этот вариант устройства лазерного меча является официальным, а макет лазерного меча с аналогичным расположением его компонентов даже выставлен в музее «Звёздных Войн» (рис. 2.).
Рис. 2. Макет лазерного меча.
Рис. 3. Вариант композиции элементов меча.
Несмотря на это, предпринимается множество попыток «усовершенствовать» конструкцию, добавляя, удаляя или изменяя некоторые её элементы, подгоняя её под внешний вид мечей некоторых персонажей из фильма (рис. 3.). Однако принципиально новой схемы действия никто не предложил. Были, кстати, и мечи с двумя клинками – это два базовых меча, укреплённых в едином корпусе лезвиями в разные стороны. Напоследок в приложении А показаны немногие из огромного количества вариантов [4] внешнего оформления ручки лайтсабера. Их так много потому, что во вселенной Звёздных Войн «сборка меча - один из шагов на пути к званию рыцаря, поэтому каждый светомеч неповторим», если цитировать одного из персонажей.
3. Общая характеристика и препятствия,
возникающие в процессе разработки
И всё же, несмотря на бурное внимание к данной теме, принцип работы лазерного меча зачастую не имеет даже сколько-нибудь научной базы под собой. Максимум, чего можно ожидать при поиске информации на данную тему – это описания авторов научной фантастики и мысли поклонников Звёздных Войн. И главная проблема в том, что они используют некоторые термины и явления, многим из которых, по-видимому, так и суждено остаться в области фантастики.
Попробуем же на основе реально существующих явлений согласно ТЗ разработать прибор, обладающий аналогичными характеристиками. Забегая вперёд, скажу, что некоторые элементы ПЛМ не разработаны в настоящее время учёными Земли. Равно как и некоторые физические явления, применяемые в приборе, не изучены достаточно для практического применения. Однако перспективы развития Земных технологий и уже имеющиеся факты о данных явлениях позволяют предположить возможность их использования с высокой вероятностью.
В итоге мы получим общие теоретические принципы функционирования ПЛМ с некоторыми ограничениями, разделяемыми на две группы: 1) реальная возможность изготовления отдельных элементов прибора, но несовершенство современных технологий и недостаточная мощность существующих аналогов; 2) только предполагаемая возможность существования элементов – однако учёные говорят об их практическом осуществлении в будущем с большой уверенностью.
К ограничениям (с указанием их группы) отнесём следующее и примем за аксиому их осуществимость:
• Малогабаритный и мощный источник питания (2 группа).
Источник питания использует тепловую энергию для получения электрической – это упростит решение некоторых задач в процессе конструирования ПЛМ. Для конкретизации конструкции на чертежах изобразим уменьшенную модель ядерного реактора.
• Малые габариты аналогов реально существующих устройств (1 группа).
Например, лазера или электронной пушки. Эти приборы существуют и совершенствуются, что в будущем и может привести к требуемым их параметрам.
• Использование в конструкции качественных материалов (1 группа).
Широкая доступность необходимых качественных материалов (диэлектрики, низкоомные проводники, магнитные материалы) на сегодняшний день ограничена для рядовых конструкторов либо по причине дороговизны и сложности технологии получения, либо по причине засекреченности.
В работе будут изложены только общие принципы работы ПЛМ и произведены конструкторские расчёты для одного из вариантов технического решения. К сожалению, некоторые физические явления, на которых базируется работа прибора, относятся к малоисследованной области науки. К тому же, не представляется возможным в рамках данного курсового провести многие практические эксперименты, которые дали бы конкретные цифры для дальнейшего использования. Всё это приведёт к некоторой «расплывчатости» в конкретной конструкции ПЛМ. Однако с развитием науки и исследованием требуемых физических процессов элементы прибора приобретут более точные очертания. А данный вариант физических принципов функционирования и конструкции прибора – всего лишь попытка представить, используя конструкторское воображение, что может получиться из этого проекта через много лет.
4. Общие теоретические сведения
по теме проекта
Рассмотрев все возможности достижения требуемых параметров прибора, приходим к выводу, что из всех разнообразных физических явлений будут использоваться только нижеперечисленные.
Создать «чистый» лазерный клинок не представляется возможным из-за низкой мощности светового излучения и невозможности «остановить» свет. При увеличении мощности лазерного излучения (раздел 4.1) будет возникать световой пробой воздуха, образуется плазма (раздел 4.2). Это, при более детальном рассмотрении (раздел 4.3, 4.4), сыграет положительную роль, увеличив температуру клинка. Для питания такого энергоёмкого прибора понадобится чрезвычайно мощный источник энергии – в учебных целях рассмотрим возможность использования ядерного реактора (раздел 4.5).
В этой части курсового проекта совершим экскурс в некоторые физические явления, используемые в ПЛМ. Это необходимо, так как функционирование прибора основано на процессах, описываемых различными областями науки. И, по большому счёту, над этим проектом (в случае его осуществимости) должны работать многие учёные, имеющие различные специализации.
5. Принцип работы ПЛМ
Лазер используется для предварительной ионизации воздуха. Световой поток с малыми длинами волн будет эффективнее ионизировать среду, поэтому целесообразнее использовать газовый УФ-лазер. Фокусирующий кристалл изготовлен такой формы, что лазерное излучение расщепляется дискретно на множество пучков, каждый из которых собирается в определённом месте (см. рис. 18). При этом образуется «клинок» специальной формы из световых пробоев [5,6]. УФ-излучение не видимо невооружённому глазу и достаточно сильно поглощается плазмой, которая образуется из молекул воздуха в местах фокуса лазерного луча. Это обеспечит его минимальное распространение за пределы лезвия меча. Всё что мы увидим в этом случае – светящийся клинок, образованный лазерными искрами. Световое электромагнитное излучение, необходимое для этого процесса само по себе будет довольно мощным. К тому же оно будет сфокусировано, и в местах фокусов образуется плазма достаточно высокой температуры [6,9]. Это уже придаёт ПЛМ некоторую разрушающую способность. Однако не все пункты ТЗ ещё разрешены.
Плазма клинка будет нестабильна. Известно, что при световом пробое в фокусе лазерного луча она будет не только расширяться, но и двигаться «назад по лучу» [10]. Однако она будет отличным проводником электрического тока. За счёт разлёта плазмы и высокой температуры цилиндра клинка основная часть ионизированных молекул воздуха соберётся внутри цилиндрического искрового клинка, не считая сами места образования плазмы. Это также сыграет полезную роль, повышая проводимость и внутри лезвия.
Но плазму надо ещё как-то и удерживать. Применение магнитных ловушек не представляется возможным по нескольким причинам. Во-первых, это геометрия клинка. Он вытянутой формы и находится далеко за пределами базового прибора. Так как выносить далеко за основные габариты детали не получится, то это потребовало бы сверхмощных магнитных полей. Что в свою очередь сильно усложнило бы работу прибора в целом. Во-вторых, применение магнитных силовых полей для удержания плазмы по общей схеме (а только так возможно применить их в ПЛМ) является тупиковой ветвью в физике плазмы, как признают сегодня уже многие учёные [14]. Необходимо найти альтернативный путь силовой связи ионов клинка с ручкой.
Наиболее подходящим является применение явления кристаллизации плазмы (см. раздел 4.3). Оно заключается в образовании точек «абсолютного фокуса» сильным направленным движением электронов [15]. Вокруг этих точек в районе сферы собираются положительные ионы, группируясь по этой поверхности с высокой удельной плотностью. Если такое образование точек абсолютного фокуса повторяется в многих пространственных областях, не чрезмерно далеких друг от друга, то свойства такой плазмы схожи с твёрдым телом [15]. Общий объёмный заряд равен нулю, следовательно равно нулю и внешнее электростатическое излучение. Плазма так же сопротивляется сжатию и растяжению, как и твёрдое тело. Останется только привязать твёрдоплазменный клинок к ручке меча.
Направленное движение электронов организуем с помощью электронной пушки. Сразу стоит отметить, что её мощность должна быть большой, но не нереально критичной. Ведь затравочная плазма в объёме клинка уже образована. Останется только обеспечить в этой области большой ток и, для образования точек электронных фокусов, задать движение электронов в нужном направлении. Первоначальное движение электронов по конусу к оси (рис. 20) получим, использовав электронную пушку специальной конфигурации. К тому же при движении пучка электронов вокруг него создаётся магнитное поле, которое в свою очередь сжимает токи в пучке к его оси. Это легко показать, рассмотрев движение электронов как микротоки, вокруг которых создаётся замкнутое магнитное поле (рис. 19). А потом рассмотрев действие каждого конкретного поля на отдельный электрон. Проинтегрировав силы Лоренца, получим, что результирующий вектор силы направлен к центру электронного пучка. Если токи будут достаточно велики, то наступит момент когда сила притяжения под действием собственного магнитного поля станет равной и больше силы электростатического отталкивания.
Рассмотрим движение электронного пучка в продольном сечении клинка. Точки абсолютного фокуса при схождении пучка способны образоваться не только на точной геометрической оси клинка, но и в других местах пространства. Это обуславливается неоднородностями среды, по которой протекает электронный ток, разбиваясь из-за этого на ещё более мелкие микротоки [9,15]. Поэтому при достаточной силе тока формирование фокусов будет происходить вплоть до необходимого расстояния от рукоятки меча. Которое представляется возможным определить только экспериментально ввиду многочисленности нюансов среды, по которой распространяется электронный пучок. Ведь она не является вакуумом. С другой стороны, электроны при распространении в воздухе быстро теряли бы свою скорость, ионизируя молекулы воздуха. Это ограничило бы ток пучка (не учитывается стекание электронов на точку положительного потенциала). Но существование плазменной ионизированной области улучшает положение. Самое маленькое сопротивление она имеет в районе лазерных искр (синяя область на рис. 20.). Чуть большее сопротивление во внутренней области клинка. Постоянство значений этих параметров среды поддерживается постоянной ионизацией лазером. Позже учтём и ионизацию электронным током, но эти два процесса в любом случае через некоторый промежуток времени выйдут на равновесный, стационарный уровень, и степень ионизации будет постоянной. Таким образом в районе абсолютных фокусов и лазерных искр столкновениями можно пренебречь с достаточной степенью уверенности [15]. Имеем следующие факты, характеризующие распространение электронного пучка: 1) он строго направлен и стремится за счёт явления кристаллизации плазмы втянуться к оси; 2) электроны, скорость которых опустилась ниже критической, будут разлетаться к периферии; 3) при попадании в нейтральную среду электрон затормозится, ионизируя её молекулы; 4) меньшим сопротивлением, а, следовательно, лучшим путём свободного протекания тока, обладает область лазерных искр. Теперь если на торце клинка со стороны ручки разместить положительно заряженный электрод, то он станет по «лазерно-искровому проводнику» стягивать к себе электроны, скорость которых недостаточна для образования точек абсолютных фокусов. За пределы геометрии клинка они не будут вылетать далеко – будут испытывать слишком много столкновений и, с конце концов, вместе с выбитыми вторичными электронами стекать на положительный электрод.
При ионизации образуется равное количество положительных ионов. Они являются наиболее тяжёлыми частицами. Как было выше сказано, плазма при световом пробое течёт наиболее интенсивно назад по лучу. К тому же, достаточно эффективно изолировать электростатическое поле электронной пушки не удастся. Это усилит их движение. Но положительно заряжённый электрод на торце меча создаст поле, направленное в противоположенную сторону. Величину заряда (тока пушка-контакт) данного электрода можно рассчитать, учтя, исходящий ток пучка электронной пушки, ионизацию нейтральных молекул среды, рекомбинацию ионов, структуру центров кристаллизации плазмы и некоторые другие особенности распределения элементарных зарядов в клинке. Кроме того, его потенциал необходимо сделать управляемым специальной электрической схемой. Ведь предполагается, что клинок достаточно часто будет приходить в соприкосновение с различными проводящими и непроводящими материалами, с другим клинком. Это существенно повлияет на ток пушка-электрод. Таким образом, положительные ионы будут в основном удерживаться центрами кристаллизации [15]. Причём величину этих центров необходимо выбрать, изменяя параметры электронного пучка. Свободные ионы будут удерживаться обёмным зарядом плазмы и электростатическим полем электрода.
Теперь ясно, что плазменный клинок за счёт взаимодействия токами электронного пучка [14] имеет достаточно сильную связь с самим прибором. Но если учесть неидеальность процессов кристаллизации и внешние явления, имеющие влияние на заряжённые частицы клинка, то хотелось бы дублировать эту систему обратной силовой связи.
Посмотрим, что получится, если электронный пучок направить не только по конусу, но и под небольшим углом к оси, как изображено на рис. 21. Если рассмотреть циклическую составляющую движения электронов в плоскости, перпендикулярной оси меча (рис. 22), то понятно, что при прохождении одинаковых отрезков dx (соответствуют также одинаковым путям в направлении вдоль оси) угловая скорость будет больше при приближении к оси – угол dα2 больше угла dα1. Из этого следует, что в местах сужения конусного электронного пучка циклический ток будет максимальным. Направим электроны таким образом, чтобы их движение происходило против часовой стрелки, если рассматривать его со стороны клинка. Значит, упрощённо можно считать, что ток в любом перпендикулярном сечении течёт по часовой стрелке, и в узлах он максимален. Известно, что циклический ток вызовет возникновение магнитного поля. В данном случае оно будет направлено внутри клинка – к ручке меча, за клинком – от неё (рис. 23). Рассмотрим теперь продольный ток электронов. Удельное магнитное поле любого поперечного сечения будет действовать на него так, что до сечения вращение электронов будет замедляться, после сечения – ускоряться. Посему, интегральное магнитное поле не будет изменять направление движения электронов. Но, так как радиус вращения в местах фокусировки луча меньше, то плотность магнитного поля в этой области будет максимальной. Магнитное же поле, в свою очередь, будет препятствовать циклическому току, выпрямляя траектории электронов по оси. В итоге получим две области максимальной плотности магнитного поля – выше и ниже абсолютного фокуса, и мёртвую зону – где суммарное поле равно нулю, а траектории электронов направлены в плоскостях, проходящих через ось клинка. Эти рассуждения подтверждаются явлением самофокусировки [8,15].
Теперь в основании ручки разместим мощную катушку с током так, чтобы её магнитное поле было направлено в сторону клинка. Так как у электронов в лезвии меча есть циклическая составляющая скорости, то действие данного поля окажет сжимающий эффект на их движение. Что уменьшит пороговый ток образования абсолютных фокусов. В свою очередь токи пучка окажутся «вмороженными» [14] в это поле. Это обеспечит обратную силовую связь плазмы лезвия с магнитной катушкой, и данная функция катушки будет основной. А действие поля катушки на токи после фокусов будет минимальным, так как и его силовые линии и токи будут в этом месте расходящимися от оси. Если катушку включить в одну цепь с электронной пушкой (в ней протекают большие токи), то её поле будет мощным, что окажет в целом большой положительный эффект. Также её действие можно усилить, используя магнитный сердечник.
Резюмируем все происходящие процессы. Лазер создаст затравочную плазму и обеспечит основной путь электронов, формируя габариты клинка. Электронная пушка большой мощности создаёт основную плазму кристаллической структуры. Положительный электрод и магнитная катушка призваны поддержать баланс объёмного заряда клинка и обеспечить его силовую связь с ручкой ПЛМ. В результате лезвие получилось по характеристикам напоминающее тлеющий разряд или шаровую молнию [15], а большие токи и большая ионная и электронная температуры обеспечат его достаточную разрушающую способность.
6. Расчёты некоторых
элементов конструкции
6.1. Контакт клинков
Без сложных расчётов можно показать, что клинки при непосредственном контакте будут отталкиваться друг от друга. Объемный центр положительного заряда находится на оси меча. Поэтому при совмещении осей двух клинков они будут испытывать сильное отталкивание. Аналогично и с отрицательным зарядом. А так как оба эти центра совмещены, то уже при небольшом удалении от клинка суммарное электростатическое поле будет равно нулю. Но это упрощённая модель. На самом деле плотность положительного заряда возрастает к оси. А если учесть движение и размер частиц, то при контакте внешние электронные слои легко пройдут друг через друга и начнут взаимодействовать с положительными ионами и молекулами плазмы, рекомбинируя и ионизируя. Но эти взаимодействия будут очень слабыми по причине движения электронов и их плохого распространения в нейтральной среде. По началу сила притяжения клинков электронами будет компенсироваться силой отталкивания внешними слоями положительных ионов. Но при дальнейшем увеличении объёма контакта будет сильно возрастать число положительных ионов, что приведёт к преобладанию силы отталкивания. При исчезновении контакта взаимодействие клинков снова станет равным нулю.
Это всё можно подтвердить и расчётами. Но ввиду наличия множества тонкостей, которые необходимо учесть в формулах, а также отсутствия экспериментальных результатов расчёты предполагают быть слишком сложными.
6.2. Фокусирующий кристалл
Рассчитаем приблизительную форму фокусирующего кристалла. Исходим из того, что искровое лезвие должно иметь размеры, показанные на рис. 25. Длина лезвия выбирается для каждого владельца персонально, но примем её 800 мм для среднего роста человека. Примем также, что распределение светового потока в сечении выходящего из лазера пучка постоянно, то есть прямоугольное. А распределение лазерных искр по поверхности клинка равномерное. Это вызовет дополнительные сложности во внутренней конструкции лазера, но сильно упростит расчёт формы кристалла. При рэлеевском распределении потока в поперечном сечении пучка понадобилось бы использовать в кристалле асферические поверхности, иначе плотность световых пробоев возрастала бы к концу лезвия (что, кстати, в некоторой степени не является критичным).
Разобьем структурно клинок на цилиндрическую часть и завершающую полусферу. Вследствие положения и формы этих частей световые лучи на них целесообразно направлять с разных частей кристалла, отличающихся своей формой. Чтобы получилось равномерное распределение световых пробоев по поверхности клинка, найдём площадь каждой части отдельно:
- площадь цилиндра;
- площадь полусферы.
, где r – радиус клинка;
l – длина клинка.
Соответственно отношение площадей входящего в кристалл пучка будет равно Sц/Sпсф . Приняв внешний радиус кристалла за x, найдём радиус внутренней зоны у, которая будет направлять лучи на полусферу:
=>
Для нахождения максимально простой формы кристалла необходимо, чтобы лучи, идущие на цилиндр лезвия с начала (у) и конца (х) внешней зоны, были параллельны. Составим пропорцию, приняв расстояние от первой поверхности кристалла до начала образования световых пробоев 25 мм:
Решив это уравнение, получим
х = 6.504 мм;
откуда:
у = 0.606 мм.
Теперь найдём углы наклона преломляющих граней. Первая грань преломляет лучи так, что каждый из них направлен на место формирования им светового пробоя. А вторая расположена перпендикулярно преломлённому лучу, посему не изменяет угол его наклона. Если первая грань расположена под углом α к перпендикулярному сечению, то и угол падения луча на неё будет равен α. Угол преломления β найдём по закону синусов:
=>
Нормаль к первой поверхности будет наклонена к оси под углом α. А преломленный луч – под углом (α-β). Он же будет являться нормалью ко второй поверхности. Поэтому её угол наклона φ будет равен (α-β).
Теперь рассчитаем угол φ исходя из известных геометрических параметров (рис. 26):
=>
В качестве материала фокусирующего кристалла возьмём кварцевое стекло КУ1 (ГОСТ 15130—79) — стекло, обладающее высокой прозрачностью в ультрафиолетовой области спектра, без полос поглощения в области 170—250 нм, нелюминесцирующее, показа¬тель преломления 1,4584.
; => ;
;
.
Непреломляющая поверхность фокусирующего кристалла будет иметь сложную форму. Она будет «покрыта» микролинзами, собирающими пучки на заданных расстояниях. Решим вопрос о распределении светового потока по длине лезвия меча. Можно было бы разместить на этой поверхности классические плоско-выпуклые линзы круглой формы, но это не рационально, так как между линзами будут нерабочие промежутки. Если развивать мысль дальше, то при интегрировании таких линз получатся кольца, в сечении которые и будут плоско-выпуклыми. Диаметр этих колец различен, значит, различной будет и площадь охватываемого светового потока. При более точных расчётах это можно было бы учесть. Но мы остановимся на том, что световой поток от лазера имеет не прямоугольное распределение (принятое ранее упрощение), а рэлеевское – к оси интенсивность возрастает. Поэтому, даже если сделать ширину колец одинаковой, то уменьшение площади охватываемой части светового диаметра будет в некоторой степени взаимно компенсироваться увеличением интенсивности этой части.
Длина лазерного клинка 800 мм. Пусть протяжённый световой пробой будет охватывать 50 мм вдоль оси [7]. Тогда нам понадобится минимум 800/50=16 фокусирующих колец, формирующих лазерные искры. Примем число колец равное 20. Тогда ширина кольца:
(мм).
Расстояние, на котором необходимо сфокусировать лазерные пучки, будет расти по арифметической прогрессии от 45 мм до 845 мм с шагом 50 мм. Зависимость между фокусом и радиусом кривизны:
,
где r2 – радиус микролинзы;
n – показатель преломления стекла.
Рассчитанные радиусы кривизны микролинз приведены в табл.4:
f’, мм r2 , мм
45 20,628
85 38,964
125 57,3
165 75,636
205 93,972
245 112,308
285 130,644
325 148,98
365 167,316
405 185,652
445 203,988
485 222,324
525 240,66
565 258,996
605 277,332
645 295,668
685 314,004
725 332,34
765 350,676
805 369,012
845 387,348
850 389,64
852 390,5568
Центральная зона фокусирующего кристалла будет иметь сферическую поверхность, а на непреломляющей грани диаметром 1,2 мм расположим две микролинзы – одну кольцевую (f’=850 мм) и одну обычную сферическую (f’=852 мм). Значения радиусов для них рассчитаны аналогично и приведены также в табл. 4.
7. Описание конструкции и
составных элементов
Основными частями ПЛМ являются: лазер, создающий плазменный клинок из световых пробоев, электронная пушка, обеспечивающая циркуляцию заряда вдоль клинка, портативный ядерный реактор для питания всего прибора, а также электронный блок управления.
Применяемый лазер будет газовым – только они обеспечивают генерацию излучения в области, близкой к УФ. В учебных целях на чертежах изобразим He-Ne лазер, так как его конструкция самая наглядная.
Электронная пушка также изображена по общей схеме. Однако это не исключает возможное применение пушек других конструкций. Данный элемент имеет внутреннюю систему охлаждения, которая подключается к общему контуру. Параллельно к этому же контуру охлаждения подключен положительно заряжённый электрод, который «собирает» испущенные пушкой электроны.
Ядерный реактор также в учебных целях изображён по общей схеме. На самом деле, в случае применения ядерного топлива, возникает острый вопрос о защите людей в непосредственной близости от ПЛМ от радиоактивного излучения. Система охлаждения электронной пушки и электрода трансформаторным маслом включена в контур, связанный с непосредственной выработкой электроэнергии. В первом контуре реактора используется жидкий натрий, прокачиваемый с помощью электромагнитной помпы.
Электронный блок управления обозначен на чертеже только вероятными внешними габаритами, так как целью курсового не является разработка электронного схемотехнического варианта управления прибором.
Заключение
Разработан принцип работы и общая конструкция нового прибора – портативного лазерного модуля.
Основными частями ПЛМ являются: лазер, портативный ядерный реактор, специальная фокусирующая линза, электронная пушка, электронный блок управления.
Лазер создаст затравочную плазму и обеспечит основной путь электронов, формируя габариты клинка. Электронная пушка большой мощности создаёт основную плазму кристаллической структуры. Положительный электрод и магнитная катушка призваны поддержать баланс объёмного заряда клинка и обеспечить его силовую связь с ручкой ПЛМ.
В результате лезвие получилось по характеристикам напоминающим тлеющий разряд или шаровую молнию, а большие токи и большая ионная и электронная температуры обеспечат его достаточную разрушающую способность.
В учебных целях на чертежах показан простой He-Ne лазер (для прибора понадобится аналогичный газовый, но, вероятно, с другим рабочим газом) и упрощённый портативный ядерный реактор в качестве источника питания.
Цель курсового проекта достигнута – прибор сконструирован, но его работоспособность не проверена экспериментально. В процессе работы над курсовым автор далеко удалился от оптики (того требовала логическая цепочка применимых в функционировании ПЛМ физических явлений), изучил такие разделы науки, как квазиоптика, теория плазмы, физика сверхвысокого электричества, термоядерный синтез, ядерные реакторы и многие другие, не используемые здесь. Заключение, к которому пришёл автор – создание аналогичного прибора возможно, но не в ближайшем будущем из-за малой исследованности применимых физических явлений наукой.
Источники, частично и полностью
использованные
1. Фильмы «Star Wars» 1-6 эп., пр-во Lucasfilm Ltd. Официальный сайт
http://starwars.com/.
2.
http://www.mirf.ru/ - журнал «Мир фантастики», рубрика «Храм джедаев», статья «Световой меч в "Звездных войнах"».
3.
http://starwarrior.theforce.ru/encforce/saber.htm - энциклопедия ЗВ.
4.
http://www.starwars.rpg.net.pl – польский сайт по ЗВ с огромной коллекцией 3D рисунков лайтсаберов.
5. Райзер Ю. П., Лазерная искра и распространение разрядов, М., 1974;
6. Мак-Дональд А., Сверхвысокочастотный пробой в газах, М., 1969
7.
http://www.vimi.ru/ - журнал «Прикладная физика» N1, 2003; Неоднородности лазерной искры в пучках с компенсацией дифракционной расходимости, Л. Н. Пятницкий; Институт высоких температур РАН, Москва, Россия
8. Журнал «Техника - молодёжи» N2, 1989; статья «Лазерную самофокусировку откроем сами!»
9.
http://www.oval.ru/encycl.shtml - Большая Советская Энциклопедия.
10. Рэди Дж. Действие мощного лазерного излучения. М.: Мир, 1974.
11. Брехов Е.И., Козлов И.П., Пекшев А.В. и др. Электродуговые генераторы плазмы для медицины: исследования, разработки, применения. - Генераторы потоков электродуговой плазмы. сб. научн. статей. Новосибирск. 1987. с. 140-159.
12. Брехов Е.И., Ребизов В.Ю., Тартынский С.И. и др. Применение плазменных потоков в хирургии. (практическое пособие), М. 1992.
13. Тучин В.В. Взаимодействие лазерного излучения с биологическими тканями, Лазерная физика. Выпуск 3, - СПб.: Российский центр лазерной физики, 1992, с. 87 - 108.
14. В.П. Карцев. «Магнит за три тысячелетия»; 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1988.
15.
http://www.inventors.ru/index.asp?mode=4427 – теория кристаллизации плазмы в подробном изложении.
16. Л.В.Матвеев, А.П.Рудик. Почти все о ядерном реакторе. М., 1990, Энергоатомиздат.
17.
http://reactors.narod.ru/types.htm - открытые источники по типам ядерных реакторов.
18.
http://www.sapphiretech.com/ - компания по производству видеокарт для компьютеров.
19.
http://www.nanocoolers.com/technology_liquid.php - компания, производящая системы охлаждения для компьютеров.
20. "Законы физики", авт. Б.Н. Иванов, изд. В.Ш. 1986 г, - стр. 272.
Дополнительные неавторитетные источники:
21.
http://referat.students.ru; http://www.referats.net; http://www.referats.com.
Приложения
Приложение А
(Варианты внешнего оформления прибора)
Наименование и область применения.
Портативный Лазерный Модуль. Предназначен для применения в качестве оружия ближнего боя, а также в качестве мощного режущего инструмента для разрушения различных материалов.
Основание для разработки.
Задание на курсовое проектирование, выданное кафедрой «Лазерная техника и технология», утверждённое 22 февраля 2005 г. заведующим кафедрой Кулешовым Н.В.
Задание на разработку принципов работы прибора, утверждённое 7 мая 2004 г. НТГ "Temple of Light" в лице {Master Imm Alexus}☻, утверждённое 12 января 2005 г. НТГ "The Force" в лице {Master Leia Organa Solo}☻.
{Задание на разработку сенатора Леи Органы Соло по распоряжению Сената с целью распространять технологии Далекой Галактики за ее пределами и усиливать ряды джедаев в других мирах}☻☻
Цель и назначение разработки.
Научное обоснование общей схемы функционирования лазерного меча, либо создание нового прибора, работающего на основе других принципов.
Источники разработки.
Прототип – лазерный меч (lightsaber) по данным из источников [1,2,3]:
“Star Wars Encyclopedia”;
“Star Wars: The Visual Dictionary”;
“Star Wars Revised Core Rulebook”;
“The Completely Unofficial Star Wars Encyclopedia” (version 5.3).
Аналоги применяемых в приборе устройств:
лазер;
электронная пушка;
портативный ядерный реактор.
Технические требования.
Внешний вид при деактивированном лезвии:
- размеры ручки приблизительно: длина 300 мм; Ø30 – для удобства охвата кистью руки;
- покрытие ручки для удобства хвата двумя руками.
Параметры режущего лезвия:
- длина около 1м;
- способность эффективно разрезать различные материалы;
- клинки при контакте мечей не должны проходить друг сквозь друга, при этом максимальное взаимодействие их должно начинаться на минимальном расстоянии (обеспечение возможности боя на мечах);
- минимальное энергетическое излучение в окружающую среду при отсутствии непосредственного контакта с разрезаемым материалом;
- визуализация клинка в видимом диапазоне э/м излучения;
- силовая связь между лезвием и ручкой.
Условия работы прибора:
- эксплуатация в полевых условиях;
- длительная работа без внешнего источника питания;
- жёсткий режим работы в условиях ударных перегрузок.
Экономические показатели.
Штучное производство при достижении необходимого уровня технологий. Возможна ручная сборка из заводских комплектующих. Цена определяется стоимостью основных составных элементов: фокусирующего кристалла, лазера, портативного источника энергии, электронной пушки. На данный момент цена не лимитирована.
Стадии и этапы разработки.
Анализ существующих конструкций прибора и выбор новой схемы компоновки прибора (23.02-10.03).
Разработка ТЗ (11.03-20.03).
Проведение предварительных расчётов по точности работы основных узлов прибора (21.03-31.03).
Разработка чертежа общего вида изделия, составление перечня элементов (01.04-20.04).
Составление раздела с описанием устройства и принципом работы изделия (21.04-30.04).
Расчёты, подтверждающие работоспособность и надёжность изделия (01.05-15.05).
Разработка рабочих чертежей деталей (16.05-04.06).
Порядок контроля и приёмки.
Согласование и утверждение принципа работы прибора и его чертежей преподавателем кафедры «Лазерная техника и технология».
+1
Конечно хотелось бы верить(( Но мне кажеться это нереально,даже если вдруг чтото получиться то он некак не поступит в продажу,а если даже и поступит то по ценам не доступным нам(
покалечимся сами и покалечим других!! 
, а жаль. 
(по сравнению со временем изобретения)...
. Така технологія - не іграшка!