燃燒驅(qū)動連續(xù)波化學(xué)激光器的噴管發(fā)展

劉勛++厲寶增

摘 要：噴管是化學(xué)激光器的重要部件，它與高溫高壓的燃燒室低溫低壓的光腔相接，對激光器的性能產(chǎn)生非常大的影響。噴管技術(shù)的改進提高了激光器的性能，很好的促進了化學(xué)激光的發(fā)展。所以噴管技術(shù)在一定程度上代表著激光器的發(fā)展水平，意味著激光器的更新?lián)Q代。

關(guān)鍵詞：噴管；化學(xué)激光器；性能；更新

1 概述

早期化學(xué)激光器燃料基本使用噴注棒進行噴注，由于不符合高能激光器的應(yīng)用需要，所以后來將燃料氣體通過拉法爾噴管進行噴射，主要有以下幾種：最初始運用擴散混合技術(shù)的2SLOT噴管、HYWN噴管，綜合混合技術(shù)的高超聲速低溫HYLTE噴管等，噴管技術(shù)的發(fā)展便是反應(yīng)區(qū)反應(yīng)流混合速度溫度流速等參數(shù)不斷更新完善改進的過程。

2 噴管技術(shù)發(fā)展簡介

2SLOT噴管利用相鄰噴管超音速擴散進行混合，如圖a所示，依次交替排列氧化劑噴管與燃料噴管可以提高反應(yīng)區(qū)的流場速度，拉伸增益區(qū)流場長度。該噴管主要優(yōu)點為結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計容易。而且相鄰噴管之間有一個被稱為基區(qū)卸壓臺的區(qū)域可以降低反應(yīng)區(qū)溫度，減小激波造成的影響，在后來設(shè)計的超音速噴管中被廣泛采用[1]。缺點就是反應(yīng)流處于邊界層，反應(yīng)區(qū)內(nèi)的溫度比較高、氣體流速較低，混合速度慢，需要通過減小噴管尺寸來增大混合速度，加工困難大，整體效率不高。

HYWN噴管的燃料噴管于氧化劑噴管之間不再平行，整體采用一單一一體的大型主噴管，燃料通過楔型葉片上的軸對稱噴管平行噴入主流，如圖b所示，燃料流通過位于葉片上的軸對稱噴管平行噴入主氧化劑流中，噴管氣流整體流速較高，混合速度也較快；而且如果將燃料采取一定角度傾斜注入氧化劑時的混合速度更快。ALPHA[2]激光器早期時曾選用此噴管。但由于硬壁楔結(jié)構(gòu)造成了強激波，且楔型葉片非常細小難以加工，導(dǎo)致加工費用非常高昂。

伊利諾依大學(xué)設(shè)計了一種HYLTE模擬噴管即HYSIM噴管，該噴管根據(jù)平行狹縫噴管（PSN）的基礎(chǔ)改制，在主噴管超音速段擴張壁面上聲速加入的He和H2氣的混合射流，如圖c所示。通過射流來扭曲反應(yīng)界面，增強混合。在基礎(chǔ)性能上與PSN相比，HYSIM噴管可以提升1.6倍[3]。

通過對上述技術(shù)的結(jié)合總結(jié)，提出設(shè)計了高超聲速低溫（HYLTE）噴管（圖d），對于連續(xù)波氟化氫（HF）、氟化氘（DF）等化學(xué)激光器而言。在其之后便沒有了更新噴管技術(shù)的設(shè)計報道。HYLTE噴管的副噴管處于主噴管擴張段處，燃料流從周期性交錯排列的副噴管超聲速橫向噴射至主噴管中，扭曲反應(yīng)界面來增大接觸面積，加快混合速度，而且使得反應(yīng)控制發(fā)生在氧化劑噴管核心的區(qū)域。HYLTE噴管增益區(qū)域較長、結(jié)構(gòu)易于加工而且堅固可以達到較高的化學(xué)效率。

3 結(jié)束語

盡管HYLTE噴管是現(xiàn)在比較主流的噴管，但其仍存在一些缺點：壓縮效應(yīng)使得主流速度在高超聲速之下；副噴管中降低了恢復(fù)總體壓力的性能來滿足橫向噴射氣流的混合效果，所以未來噴管的技術(shù)還需要繼續(xù)創(chuàng)新來滿足化學(xué)激光器技術(shù)的不斷發(fā)展。

參考文獻

[1]Gross R W F， Bott J F. Handbook of chemical lasers[J].1976.

[2]Driscoll R J. Effect of reactant-surface stretching on chemical laser performance[J].AIAA J.（United States），2015，22（1）：65-74.

[3]Horkovich J， Pomphrey P， Horkovich J， et al. Recent advances in Alpha High Power Chemical Laser Program[C]// Plasmadynamics and Lasers Conference，1997.