Способ смешения газов в газодинамическом лазере

 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в проточных газовых лазерах смесевого типа, в частности, в смесевом газодинамическом лазере. Сущность: способ включает в себя подачу излучающего газа и газа-релаксанта в поток энергонесущего газа в докритической области сверхзвукового сопла. При этом излучающий газ и газ-релаксант подают в виде сверхзвуковых струй спутно потоку энергонесущего газа. Поперечный размер струй устанавливают не более размера критического сечения сопла. Кроме того, излучающий газ и газ-релаксант могут подаваться раздельно в виде чередующихся струй, либо более легкий газ подают ниже по потоку, чем более тяжелый. Технический результат: повышение КПД лазера путем уменьшения потерь запасенной энергии в процессе смешения. 2 ил.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в проточных газовых лазерах смесевого типа, в частности, в смесевом газодинамическом лазере(СГДЛ).

Эффективность работы СГДЛ в значительной мере определяется потерями запасенной лазерной энергии в процессе смешения. Идеальным способом смешения был бы способ, обеспечивающий отсутствие смешения (а, соответственно, и потерь) до оптического резонатора и мгновенное однородное смешение перед самим резонатором. Этот случай не реален, так как процесс накачки излучающих молекул молекулами энергонесущего газа в зоне смешения занимает конечное время, в течение которого происходят столкновения между молекулами. За это время происходит уменьшение запасенной лазерной энергии за счет колебательной дезактивации молекул энергонесущего газа, происходящей тем интенсивнее, чем выше рост статического давления и температуры газа вследствие частичного восстановления параметров торможения в зоне смешения. Степень восстановления статического давления и температуры газа определяется интенсивностью газодинамических возмущений (скачков уплотнения), возникающих в процессе смешения, а также долей энергии газового потока, переходящей в поступательные степени свободы газа вследствие диссипации энергии за счет вязкости газа и колебательной дезактивации. Помимо диссипации энергии в вязких пограничных слоях в общем случае может иметь место диссипация энергии, связанная с наличием поперечной составляющей скорости смешиваемых потоков газов. Таким образом, лучшим способом смешения будет способ, обеспечивающий минимальную длину зоны смешения и минимальное восстановление параметров торможения за счет газодинамических возмущений и диссипации энергии, обусловленной наличием поперечной составляющей скорости смешиваемых потоков и вязкостью газа. Рассмотрим с этой точки зрения известные способы смешения применяемые в газодинамических лазерах.

Известен способ смешения рабочего и энергонесущего газов, заключающийся в том, что сверхзвуковой поток рабочего газа (смеси излучающего газа, например, СО ₂ и газа-релаксанта, например, паров Н₂О) подают спутно сверхзвуковому потоку энергонесущего газа (например, N ₂) [Y.Milewsky, M.Brunne, Y.Stanco, A.Zielinski, M.Yrczuk and Y.Kusmierek, "CW Gasdynamic Thermally Excited and Selectively Pumped CO₂-N₂ Mixing haser", Bull. Acad. Polon. Sci., Ser. Sci. Tech., 20, №4, 73-79, 1972, /1/]. Основным недостатком данного способа смешения является необходимость использования смешиваемых потоков с очень малыми поперечными размерами (характерное расстояние между осями смешиваемых потоков не должно превышать 0,1÷0,3 см), иначе длина зоны смешения, равная примерно 200 характерным размерам, получается очень большой, что приводит к высоким потерям запасенной лазерной энергии за счет колебательной дезактивации. В указанной выше работе (1) характерный размер смешения был очень большой (˜1 см) и по этой причине удельный энергосъем едва превышал значение 1 Дж/г. В теоретической работе [К.Н.Партасарати, Дж.Д.Андерсон мл., Э.Джонс "Смесительные газодинамические лазеры - численное исследование", РТК, 17, №11, 69-78, 1979 /2/] показано, что при очень малом характерном размере смешения плоских сверхзвуковых струй (˜0,125 см), очень малой высоте критического сечения сопл (˜0,005 см), отсутствии разницы в скоростях смешиваемых струй и смешении газов за счет ламинарной диффузии (число Рейнольдса ˜ 10³) можно получить высокие значения запасенной лазерной энергии и коэффициента усиления СГДЛ. В расчетах данной работы не учитывались толстые пограничные слои, образующиеся на стенках сопл малых размеров при течении газов, что сильно ухудшит расчетные лазерные характеристики. Практическая реализация такого варианта смешения, по-видимому, является нереальной. Во-первых, выравнивание скоростей рабочего и энергонесущего газа, разогнанного до числа Маха М≃4÷6 и имеющего температуру торможения 2 кК и выше, требует нагрева рабочего газа до температуры ˜ 3 кК, при которой большинство излучающих молекул (например, СО₂ , N₂O) диссоциируют. Во-вторых, наличие вязкости газов приводит к возникновению пограничных слоев на элементах конструкции, переходящих в турбулентный след за концевыми кромками сопловых лопаток, поэтому смешиваемые струи будут всегда окружены турбулентным пограничным слоем, возникшим на донных областях соплового устройства. Поскольку лопатки соплового устройства имеют концевую кромку конечной толщины, отрицательное влияние пограничного слоя будет тем сильнее, чем меньше характерный размер соплового устройства. В-третьих, при размере критического сечения сопл ˜0,005 см влияние вязкости значительно затрудняет получение струй с однородным распределением скоростей, для которых проводился расчет, и значительно увеличивает степень восстановления параметров торможения в перемешанном потоке. Указанные трудности являются, по-видимому, причиной того, что в литературе отсутствуют описания экспериментальных исследований СГДЛ, реализующих данный вариант смешения. Для того, чтобы увеличить размер критического сечения сопл и уменьшить длину зоны смешения, авторы работы [П.Касади, Дж.Ньютон, П.Роуз "Новый тип смесительного газодинамического лазера", PTK, 16, №4, 29-39, 1978, (3)] предложили смешивать трехмерные сверхзвуковые струи рабочего и энергонесущего газов, вытекающие из мелкомасштабных конических сопл, а смешение проводить за счет турбулентной диффузии. Газодинамические возмущения потока, связанные с диссипацией кинетической энергии поперечных составляющих скорости смешиваемых сверхзвуковых струй с высоким числом Maxa (М≃4÷6) на выходе из конических сопл, и пограничные слои в соплах приводят к значительному восстановлению параметров торможения на входе в оптический резонатор. Этому также способствуют отличающиеся примерно вдвое скорости смешиваемых струй и значительные площади донных областей сопловой решетки, которые для трехмерной сопловой решетки всегда больше, чем для двумерной, из-за менее плотной упаковки сопл в решетке. Получение низких статических давлений и температур газа на входе в оптический резонатор, необходимых для эффективной работы СГДЛ, требует использования сопл с высокой геометрической степенью расширения. В указанной выше работе (3), несмотря на использование для энергонесущего газа сопл с геометрической степенью расширения 60, генерация лазерного излучения не была достигнута. Для получения лазерной генерации в N₂ пришлось добавить 25% Ar, что увеличило эффективный показатель адиабаты энергонесущего газа и было эквивалентно увеличению геометрической степени расширения сопл до значения ˜ 100. Величина удельного энергосъема, зафиксированная в экспериментах, составила ˜ 12 Дж/г. При использовании более эффективного оптического резонатора это значение предполагается увеличить до ˜ 26 Дж/г. Высокая геометрическая степень расширения сопл требует использования очень высоких рабочих давлений энергонесущего газа (порядка 100 атм) для того, чтобы выбрасывать отработанные газы в атмосферу через пассивный диффузор, и в значительной мере ограничивает область использования такого СГДЛ. Подводя итог анализу данного способа смешения, отметим, что при смешении двумерных спутных сверхзвуковых струй велики потери запасенной лазерной энергии за счет большой длины зоны смешения, а при смешении трехмерных конических сверхзвуковых струй - кроме того, за счет сильных газодинамических возмущений, возникающих при смешении. В обоих вариантах смешения велика степень восстановления параметров торможения из-за невозможности выравнивания скоростей смешиваемых потоков и влияния вязкости газа, которое тем сильнее, чем меньше характерный масштаб смешиваемых струй.

Известен способ смешения рабочего и энергонесущего газов, заключающийся в том, что струи рабочего газа подают со скоростью звука спутно (или под небольшим углом) сверхзвуковому потоку энергонесущего газа в области критического сечения сверхзвукового сопла [У.Р.Е.Taran, М.Charpcnel and R.Borghi, "Investigation of a Mixing СО₂-GDL", AIAA Paper, №622, 1973, (4)]. Так как в этом случае происходит смешение сверхзвуковых потоков с низкими числами Маха (M≃1÷2), то газодинамические возмущения в процессе смешения оказываются слабыми и затухают еще до лазерного резонатора. Наличие крыловидного инжектора в плоскости симметрии сверхзвукового сопла в области критического сечения, необходимого для реализации данного способа смешения, значительно искажает картину течения сверхзвукового потока и приводит к наличию регулярной структуры интенсивных скачков уплотнения, захватывающих поле течения в лазерном резонаторе. В результате, как показали исследования, проведенные на предприятии, значительно уменьшается число Maxa результирующего потока, повышается статическое давление и температура газа. Внедрение изобретения [Б.А.Выскубенко, Ю.В.Колобянин "Сопловой блок смесевого газодинамического лазера" (5)] позволило заметно снизить указанные отрицательные эффекты путем отнесения крыловидного инжектора в дозвуковой поток и подачи рабочего газа в закритическую область сопла через тонкие трубки. В экспериментах, проведенных на предприятии с таким смесевым устройством, удалось получить удельный энергосъем 30÷40 Дж/г и мощность излучения, приведенную к единице площади выходного сечения соплового устройства, более 300 Вт/см². Сравнение в одинаковых условиях, проведенное на предприятии, показало, что при подаче рабочего газа в сверхзвуковой поток энергонесущего газа в закритической области сверхзвукового сопла такой же удельный энергосъем, как при смешении трехмерных сверхзвуковых струй, удается получить при вдвое меньшей геометрической степени расширения сопл (˜30) и за счет этого более чем вдвое увеличить приведенную мощность излучения. Это означает, что размер соплового устройства, необходимого для получения заданной мощности генерации, будет в последнем случае в 2÷2,5 раза меньше, а выброс отработанных газов в атмосферу через пассивный диффузор можно осуществить при перепаде давлений для энергонесущего газа ˜30. Полученные высокие характеристики СГДЛ объясняются тем, что при данном способе смешения удается оптимальным образом согласовать скорости смешиваемых потоков газов, а низкие газодинамические возмущения при смешении приводят к тому, что, несмотря на подмешивание рабочего газа в области высоких статических давлений и температур энергонесущего газа, перемешивание на молекулярном уровне с передачей колебательной энергии между молекулами происходит уже в области низких статических давлений и температур, то есть с низкими потерями запасенной лазерной энергии. Изложенные выше результаты относятся к рабочим смесям, в которых в качестве газа-релаксанта использовался гелий. Высокая стоимость гелия, трудности его хранения и транспортировки делают предпочтительным использование в качестве газов-релаксантов дешевых и легкодоступных веществ - Н₂ или паров Н ₂О. В этом случае рабочий газ представляет собой, например, смесь СО₂:Н₂О = 10:(1÷2), имеет высокий молекулярный вес (˜40) и, следовательно, низкую скорость звука даже при достаточно высоких температурах (˜1 кК). Исследования, проведенные на предприятии, показали, что использование способа смешения, оптимального для смесей с высоким содержанием гелия, не позволяет получить на смеси СО₂+N₂ +Н₂О удельного энергосъема более 15 Дж/г. Большая разница скоростей смешиваемых потоков приводит к увеличению уровня турбулентности и более раннему перемешиванию в области высоких статических давлений и температур, что вызывает увеличение релаксационных потерь при смешении. Кроме того, увеличение статической температуры отрицательно сказывается на работу резонатора из-за увеличения заселенности нижнего лазерного уровня излучающих молекул. Получение больших количеств энергонесущего газа для СГДЛ, в основном, связывают с реакциями горения различных топлив, в продуктах сгорания которых кроме N₂ образуются примеси СО, СО₂, H ₂, Н₂O, О₂. Примеси увеличивают потери запасенной лазерной энергии в энергонесущем газе и, по аналогии с гомогенным ГДЛ, требуют для эффективной работы СГДЛ использования сверхзвуковых сопл с малым размером критического сечения (0,02÷0,03 см). При таких размерах критического сечения сверхзвуковых сопл инжекция рабочего газа через тонкие трубки в закритическую область сопла представляется затруднительной.

Известен способ смешения рабочего и энергонесущего газов, заключающийся в том, что рабочий газ подают в виде дозвуковых струй поперечно или комбинированно (поперечно или спутно) дозвуковому потоку энергонесущего газа в докритической области сверхзвукового сопла [Б.Г.Ефимов, Л.А.Заклязьменский "Экспериментальное исследование влияния условий смешения в сопле Лаваля на коэффициент усиления в сверхзвуковом потоке", ФГВ, 15, №1, 97-102, 1979 (6)], выбранный в качестве прототипа. Этот способ позволяет оптимально согласовывать скорости смешиваемых потоков для рабочих газов с высоким молекулярным весом и низкой температурой, а также использовать сверхзвуковые сопла с малым размером критического сечения. Идея данного способа смешения заключается в том, что если рабочий газ подать в поток энергонесущего газа в докритической области сверхзвукового сопла, но близко к критическое сечению (на расстоянии 1÷10 размеров критического сечения), то его перемешивание с энергонесущим газом на молекулярном уровне произойдет уже в сверхзвуковой области сопла после установления развитого турбулентного течения при достаточно низком статическом давлении и температуре, то есть с небольшими потерями запасенной лазерной энергии. На самом же деле при данном способе смешения перемешивание на молекулярном уровне будет происходить на границах смешиваемых потоков уже в докритической области сопла, особенно при поперечной подаче рабочего газа в поток энергонесущего газа. Высокие давления и температуры газа, характерные для этих областей смешения, приводят почти к полной дезактивации энергонесущего газа, проходящего через эти области. Кроме того, из-за низкой (дозвуковой) скорости струй рабочего газа согласование их скоростей со скоростью потока энергонесущего газа возможно только достаточно далеко от критического сечения сверхзвукового сопла в докритической области. Так как расстояние по потоку газа от места подачи струй рабочего газа до сечения, где возникает развитое турбулентное течение с перемешиванием газов на молекулярном уровне, составляет 6÷7 поперечных размеров струи [Дж.Шец, А.Подхай "Проникновение и разрушение струи жидкости в дозвуковом воздушном потоке", РТК, 15, №10, 13, 1977 (7)], то в этом случае перемешивание начинается в сверхзвуковой части сопла достаточно близко к критическому сечению и, следовательно, происходит с высокими потерями запасенной лазерной энергии. Если же сместить место подачи рабочего газа ближе к критическому сечению сопла, то увеличивается разность скоростей смешиваемых потоков, и происходит уменьшение запасенной лазерной энергии из-за увеличения степени восстановления статического давления и температуры, а также уменьшается эффективность работы лазерного резонатора из-за увеличения заселенности нижнего лазерного уровня излучающих молекул при повышении температуры.

Целью настоящего изобретения является повышение КПД газодинамического смесевого лазера путем уменьшения потерь запасенной лазерной энергии в энергонесущем газе в процессе смешения с рабочим газом.

Цель достигается тем, что излучающий газ и газ-релаксант, составляющие рабочий газ, подают в докритической области сверхзвукового сопла в виде сверхзвуковых струй спутно потоку энергонесущего газа, а поперечный размер струй выбирают, по крайней мере, не превышающим размера критического сечения сопла. Для дальнейшего уменьшения потерь запасенной лазерной энергии излучающий газ и газ-релаксант могут быть поданы в поток энергонесущего газа раздельно, например, в виде чередующихся струй, причем более легкий газ - ниже по потоку, чем более тяжелый. Для того, чтобы струи излучающего газа и газа-релаксанта были сверхзвуковыми, их давление торможения выбирают, по крайней мере, в

больше (γ - показатель адиабаты подаваемого газа), чем давление энергонесущего газа в месте подачи струй [Г.Н.Абрамович "Прикладная газовая динамика", Москва, "Наука", 1976 (8, стр.153)]. Температуру торможения излучающего газа и газа-релаксанта выбирают такой, чтобы скорости смешиваемых газов в месте подачи были равны. При этом восстановление параметров торможения в зоне смешения будет минимальным (2). Спутная подача струй излучающего газа и газа-релаксанта потоку энергонесущего газа (то есть их оси совпадают с линиями тока энергонесущего газа), например, в плоскости симметрии сверхзвукового сопла (для трехмерного сопла - по оси симметрии), позволяет направить подаваемые сверхзвуковые струи точно через критическое сечение сопла без их торможения из-за взаимодействия со стенками сопла в докритической и критической областях. Для этого также необходимо выбрать размер подаваемых струй излучающего газа и газа-релаксанта, по крайней мере, не превышающим размера критического сечения сопла. Чем дальше от критического сечения сопла подаются струи и чем выше перепад давлений между струями и энергонесущим газом в месте подачи струй, тем больше размер расширившихся струй в критическом сечении сопла и, следовательно, тем меньшим выбирают поперечный размер струи в месте подачи. При выполнении всех этих условий в докритической области сопла в дозвуковом потоке энергонесущего газа будут распространяться сверхзвуковые струи излучающего газа и газа-релаксанта, которые будут "проскакивать" докритическую и критическую область сопла и проникать в сверхзвуковую область практически без перемешивания. Связано это обстоятельство со свойством сверхзвуковой струи выталкивать из себя возмущающие ее предметы. Если дозвуковая струя как бы "всасывает" в себя окружающий газ, что приводит к потере ее устойчивости и раннему перемешиванию с окружающим газом, то сверхзвуковая струя благодаря своей устойчивости "проскакивает" в сверхзвуковую область сопла практически без перемешивания с окружающим газом. Это позволяет избежать перемешивания компонент лазерной среды при высоких статических давлениях и температурах и, тем самым, уменьшить релаксационные потери запасенной лазерной энергии при смешении. Лишь при расширении газов в сверхзвуковой области сопла с увеличением поперечных размеров и скорости струй начинается интенсивное турбулентное перемешивание, которое на молекулярном уровне заканчивается уже в области низких статических давлений и температур и, следовательно, происходит с низкими потерями запасенной лазерной энергии. Раздельная подача излучающего газа и газа-релаксанта, например, в виде чередующихся струй, приводит к дальнейшему уменьшению потерь запасенной лазерной энергии. Это связано с тем, что излучающий газ и газ-релаксант по отдельности дезактивирует энергонесущий газ значительно слабее, чем вместе. При раздельной подаче уменьшается относительный объем областей при высоких статических давлениях и температурах, в которых одновременно присутствуют все три компоненты лазерной среды. Наконец, излучающий газ и газ-релаксант могут быть поданы в дозвуковой поток энергонесущего газа на разных расстояниях от критического сечения сопла. Более легкий газ (с меньшим молекулярным весом) имеет при одинаковой температуре торможения более высокую скорость звука, чем более тяжелый (с большим молекулярным весом). Поэтому при условии равенства скоростей смешиваемых газов более легкий газ предпочтительно подавать в поток энергонесущего газа ниже по потоку, чем более тяжелый. Это уменьшит время контакта энергонесущего и легкого газов в условиях высоких статических давлений и температур и, следовательно, снизит потери запасенной лазерной энергии в энергонесущем газе. Обычно газы-релаксанты (например, пары Н₂О, Н₂, Не) имеют меньший молекулярный вес, чем излучающие газы (например, СО₂ , N₂O), поэтому в большинстве практических случаев ниже по потоку должен подаваться газ-релаксант.

Подача излучающего газа и газа-релаксанта, составляющих рабочий газ, в виде сверхзвуковых струй известна из работ (1-3). В этих работах сверхзвуковые струи используются для выравнивания скоростей смешиваемых газов и получения рабочего газа с низким статическим давлением и температурой. В предлагаемом способе смешения, кроме возможности выравнивания скоростей смешиваемых газов, используется свойство сверхзвуковой струи выталкивать из себя возмущающие ее предметы и, тем самым, предотвращается ее перемешивание с энергонесущим газом в докритической и критической областях сверхзвукового сопла. Спутность подаваемых струй потоку энергонесущего газа известна из работ (1, 2, 4, 5), где она служит для уменьшения газодинамических возмущений при смешении. В предлагаемом способе смешения спутность, кроме того, позволяет точно направить сверхзвуковые струи через критическое сечение сопла и, тем самым, предотвратить их торможение из-за взаимодействия со стенками сопла в докритической и критической областях. Выбор поперечного размера струй излучающего газа и газа-релаксанта не обнаружен в известных технических решениях. Раздельная подача излучающего газа и газа-релаксанта в поток энергонесущего газа известна из работы [ С.П.Вагин, В.Н.Крошко, Р.И.Солоухин, Ю.А.Якоби, А.А.Яник "Инверсия при двухстадийном смешении в газодинамической системе с раздельным тепловым возбуждением", Письма в ЖТФ, 4, №22, 1342-1348, 1978 (9)], где она используется для предотвращения диссоциации молекул излучающего газа при высокой температуре (2,5÷4,5 кК) энергонесущего газа путем создания вокруг струй излучающего газа холодной завесы из газа-релаксанта. В предлагаемом способе смешения раздельная подача компонент лазерной среды служит для уменьшения относительного объема областей при высоких статических давлениях и температурах, в которых одновременно присутствуют все три компоненты лазерной среды. Раздельная подача излучающего газа и газа-релаксанта в поток энергонесущего газа в виде сверхзвуковых чередующихся струй, а также подача более легкого газа ниже по потоку, чем более тяжелого, не обнаружены в известных технических решениях. Таким образом, отличительные признаки предлагаемого способа смешения либо являются новыми, либо обладают новыми свойствами по сравнению со свойствами известных технических решений. Следовательно, заявляемое решение имеет существенные отличия.

Варианты предлагаемого способа смешения поясняются чертежами (фиг.1 и 2). На фиг.1 цифрой 1 обозначено сверхзвуковое сопло, 2 - энергонесущий газ, 3 - инжектор, 4 - трубки инжектора, 5 - рабочий газ. На фиг.2 цифрой 1 обозначено сверхзвуковое сопло, 2 - энергонесущий газ, 3 - инжектор, 4 - основные трубки инжектора, 5 - дополнительные трубки инжектора, 6 - излучающий газ, 7 - газ-релаксант.

Первый вариант предлагаемого способа смешения (фиг.1) может быть реализован следующим образом. На вход в сверхзвуковое сопло 1 подают энергонесущий газ 2 (например, N₂). В докритической области сопла 1 через инжектор 3 и трубки инжектора 4 спутно потоку N₂ подают сверхзвуковые струи рабочего газа 5 (например, СО₂+Н₂ О) в плоскости симметрии сверхзвукового сопла. Поперечный размер струй рабочего газа 5 выбирают меньшим размера критического сечения сопла (h*). Струи CO₂+H₂O проникают в сверхзвуковую область сопла 1 практически без перемешивания с N₂ в докритической и критической областях сопла и, следовательно, потери запасенной лазерной энергии в N₂ при этом невелики. Перемешивание компонент лазерной среды (CO₂, N ₂, H₂O) начинается при установлении в сверхзвуковом сопле развитого турбулентного течения и заканчивается на молекулярном уровне (с передачей колебательной энергии между молекулами) уже в области низких статических давлений и температур, то есть перемешивание происходит с низкими релаксационными потерями запасенной лазерной энергии. Энергия, запасенная молекулами N₂, передается при столкновениях на верхний лазерный уровень молекул СО ₂, нижний лазерный уровень которых дезактивируется при столкновениях с молекулами Н₂О. В результате образуется инверсия населенностей между лазерными уровнями молекулы СО ₂, которая ниже по потоку газа в оптическом резонаторе реализуется в лазерное излучение преимущественно с длиной волны λ≃10,6 мкм. В качестве примера опишем метод определения параметров смеси CO₂+Н₂О, необходимых для реализации предлагаемого способа смешения. Оценку конкретных параметров проведем в рамках одномерной теории газодинамики с помощью газодинамических функций (8). Выберем для определенности давление торможения N ₂ равным 20 атм и температуру торможения - 2,5 кК, типичные для смесевого ГДЛ. Рабочий газ - смесь СО₂:H₂ O = 10:1,5 подадим в сечения, где коэффициент скорости (λ₁) потока N₂ равен 0,615. Будем относить индекс 1 к N₂, а индекс 2 - СО₂+H₂ O. Температура торможения СО₂+Н₂О определяется из условия равенства скоростей смешиваемых газов в месте подачи струй:

где γ - показатель адиабаты;

μ - молекулярный вес;

- температура торможения (i=1,2);

λ - коэффициент скорости газа.

Давление торможения смеси CO₂+H₂O определяется из условия равенства давлений смешиваемых газов в месте подачи струй:

Для того, чтобы в дозвуковом потоке N₂ распространялись сверхзвуковые струи СО₂+Н₂ О, их давление торможения должно быть не менее .

Для определения поперечного размера струй СО₂+Н₂О вначале определяем коэффициент скорости струй в критическом сечении сопла, считая, что струи CO₂+H₂О расширяются при равенстве давлений с N₂:

С помощью формулы (3) получаем λ₂≃1,29. Теперь можно определить значение функции приведенного расхода (q) для струй CO₂+H₂O:

где A^* - площадь поперечного сечения струи на выходе из трубки инжектора;

A - площадь поперечного сечения струи в критическом сечении сопла.

Так как площадь поперечного сечения струи пропорциональна квадрату ее поперечного размера, то максимально допустимый поперечный размер струи не должен превышать значения:

Поскольку проведенные оценки выполнены в рамках одномерной газодинамики, а течение струй в сверхзвуковом сопле - трехмерное, желательно выбрать поперечный размер вдуваемых струй меньше d^*. Таким же образом определяют параметры торможения и поперечные размеры струй рабочего газа для любых других параметров энергонесущего газа и компонент лазерной среды.

Второй вариант предлагаемого способа смешения (фиг.2) может быть реализован следующим образом. На вход в сверхзвуковое сопло 1 подают энергонесущий газ 2 (например, N₂). В докритической области сопла 1 через инжектор 3 и основные 4 и дополнительные 5 трубки инжектора спутно потоку N₂ подают раздельно сверхзвуковые струи излучающего газа 6 (например, СО₂ ) и газа-релаксанта 7 (например, паров Н₂О) в плоскости симметрии сверхзвукового сопла 1. Поперечный размер струй СО ₂ и Н₂О выбирают меньшим размера критического сечения сопла (h^*). Струи СО₂ и Н₂ О поочередно чередуют, и струи Н₂О подают ниже по потоку энергонесущего газа, чем струи СО₂. Струи СО ₂ и Н₂О проникают в сверхзвуковую область сопла 1 практически без перемешивания с N₂ в докритической и критической областях сопла и, следовательно, потери запасенной лазерной энергии в N₂ невелики. В силу того, что СО ₂ и Н₂О раздельно релаксируют, N₂ значительно слабее, чем смесь СО₂+Н₂O, и уменьшается относительный объем областей при высоких статических давлениях и температурах, в которых одновременно присутствуют N₂, СО₂ и Н₂О, то релаксационные потери запасенной лазерной энергии в N₂ будут ниже, чем в первом варианте данного способа смешения. Перемешивание компонент лазерной среды (N₂, СО₂, Н ₂О), как и в первом варианте смешения, начинается при установлении в сверхзвуковом сопле развитого турбулентного течения и заканчивается на молекулярном уровне в области низких статических давлений и температур. Дальнейшая работа лазера происходит также, как и в первом варианте смешения. Оценим необходимые для реализации предложенного способа смешения параметры торможения и поперечные размеры струй СО₂ и Н₂О. Для определенности, как и в первом варианте смешения, будем считать давление торможения N₂ равным 20 атм и температуру торможения - 2,5 кК. Температуры торможения СО₂ и Н₂О определяем по формуле (1) при коэффициенте скорости N₂ равным 0,615. Индекс 2 будем относить к СО₂, 3 - к Н ₂О. Получаем Температура торможения Н₂О оказалась достаточно низкой, что при подаче ее по газовой магистрали к инжектору может привести к конденсации части паров Н₂О, поэтому подаем пары Н₂О ниже по потоку N₂, чем СО ₂, например, при коэффициенте скорости N₂ равным 0,8. Это дает температуру торможения Н₂О равную Минимальные давления торможения СО₂ и Н ₂О определяем по формуле (2): Коэффициенты скорости струй СО₂ и Н ₂О в критическом сечении сопла определяем по формуле (3): λ₂ = 1,28, λ₃ = 1,18. По формуле (4) определяем функции приведенного расхода: q₂ = 0,918, q₃ = 0,965. Это позволяет по формуле (5) определить максимальный поперечный размер струй СО₂ и Н₂О: Таким же образом определяют параметры торможения и поперечные размеры струи для любых других параметров энергонесущего газа и компонент лазерной среды.

В качестве устройств для практической реализации предложенного способа смешения можно использовать сопловые блоки смесевого газодинамического лазера. На предприятии был экспериментально опробован предложенный способ смешения. В качестве энергонесущего газа использовался N ₂ при давлениях торможения 5÷40 атм и температурах торможения 1,5÷3,0 кК, расширявшийся через сопловое устройство из 16 сверхзвуковых сопл с высотой критического сечения h ^* = 0,03 см и геометрической степенью расширения А/А ^* = 34. В качестве рабочего газа использовалась смесь СО ₂:Н₂О = 10:1,5 с температурой торможения 1,0÷1,6 кК и давлением торможения, обеспечивающим сверхзвуковой перепад по отношению к давлению N₂ в месте подачи струй. Струи СО₂+Н₂О подавались спутно потоку N ₂ на расстоянии 0,1 см от критического сечения в плоскости симметрии сверхзвуковых сопл и имели поперечный размер 0,015 см. В области давлений торможения N₂ 15÷25 атм и температур торможения 2,25÷2,5 кK получен удельный энергосъем 25÷30 Дж/г, что близко к значениям, полученным ранее для лазерных сред с использованием в качестве газа-релаксанта He.

Предлагаемый способ смешения по сравнению с прототипом позволяет повысить КПД смесевого газодинамического лазера за счет уменьшения потерь запасенной лазерной энергии в энергонесущем газе в процессе смешения с излучающим газом и газом-релаксантом и увеличение эффективности работы лазерного резонатора за счет более низкой статической температуры лазерной среды. Сверхзвуковые струи обладают значительно большей устойчивостью, чем использованные в прототипе дозвуковые струи, что позволяет в более широких пределах оптимизировать параметры СГДЛ. Критический режим истечения струй позволяет более точно определять расход рабочего газа, а, следовательно, и более точно знать удельные энергетические характеристики СГДЛ, являющиеся определяющими параметрами модельных экспериментальных установок. К положительному эффекту предлагаемого способа смешения по сравнению с прототипом следует также отнести облегчение организации выброса отработанных газов в атмосферу через пассивный диффузор в связи с эжектирующим действием струй рабочего газа.

Формула изобретения

1. Способ смешения газов в газодинамическом лазере, включающий подачу излучающего газа и газа-релаксанта в поток энергонесущего газа в докритической области сверхзвукового сопла, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД лазера путем уменьшения потерь запасенной лазерной энергии в процессе смешения, излучающий газ и газ-релаксант подают в виде сверхзвуковых струй спутно потоку энергонесущего газа, а поперечный размер струй устанавливают не более размера критического сечения сопла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что излучающий газ и газ-релаксант подают раздельно в виде чередующихся струй.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что более легкий газ подают ниже по потоку, чем более тяжелый.

РИСУНКИ