Brevet FR2106525A1 — publié le 19720505

L'invention concerne un appareillage laser basé sur la dynamique des gaz pour transmettre des informations et de l'énergie, avantageusement lors de missions spatiales. De tels lasers sont connus en soi, d'une part, dans une 5 réalisation utilisant une énergie de pompage électrique et, d'autre part, dans une autre réalisation utilisant une énergie de pompage chimique. Etant donné que l'obtention d'énergie électrique nécessite une dépense considérable et conduit à une augmentation de poids, les lasers de ce type sont relativement peu utilisables 10 pour le but précité. De même, les réalisations utilisant l'énergie chimique de pompage présente des inconvénients, car l'emmagasinage de l'énergie ne peut pas être considéré comme optimal. L'objet de l'invention est de procurer un appareillage laser avec énergie facile à transporter et qui puisse être uti-15 lisé notamment pour la transmission d'informations et d'énergie lors de missions spatiales. Selon l'invention, un réacteur nucléaire, ou un miroir so]a.re, ou une machine à fusion nucléaire est associé au circuit de gaz pour exciter le gaz du laser à l'aide d'énergie thermique 20 et le réacteur nucléaire ou la machine à fusion nucléaire est toujours maintenu à un niveau stationnaire de température déterminé, pair exemple 1 000°C. Ces mesures présentent l'avantage que des appareillages lasers qui sont utilisés dans les missions %>a-tiales de longue durée peuvent utiliser comme énergie de pompage 25 l'une des sources d'énergie les plus avantageuses, car seules les machines à fission ou à fusion nucléaire offrent la meilleure possibilité de transformer de la matière en énergie. Ainsi se trouve-remplie de façon optimale une des conditions primordiales lors de missions spatiales, à savoir emporter le moins de matière possible 30 afin de réduire le plus possible l'énergie d'accélération à utiliser. L'invention propose que soient associés au réacteur, ou à la machine à fusion nucléaire, une tuyère de Laval, un résonateur optique et éventuellement un diffuseur et que l'on monte à la suite 35 de ce dernier un étage de refroidissement et un ventilateur, de façon à constituer un circuit de gaz fermé. On propose par ailleurs, dans un exemple de réalisation, que soit directement associé au réacteur ou à la machine à fusion nucléaure un résonateur laser recouvert d'uranium, qui se trouve 40 dans le flux de neutrons. Ces mesures apportent une amélioration considérable de la puissance de sortie du laser et en même temps 71 32772 2 2106525 un accroissement- de rendement. Pour des missions spatiales, et surtout pour des missions de longue durée, l'invention propose par ailleuis de simplifier et d'alléger les installations d'énergie. Ce problème est résolu par 5 le fait qu'un miroir solàire est associé en tant que source d'énergie thermique au circuit de gaz. Ces mesures ont pour conséquence, non seulement une diminution de poids, mais également une économie non négligeable, car l'énergie solaire est disponible de.façon presque illimitée dans 10 l'espace et constitue la source d£nergie la moins chère. Afin de réaliser l'appareillage laser conforme à l'invention de façon qu'il se produise une décharge régulière et homogène dans le gaz, et qu'il ne scSit besoin, ni d'énergie électrique, ni de pompes, et de façon que ce dispositif procure une puissance 15 continue sous un faible volume, on propose que soit montée à la suite d'une chambre de combustion munie des canalisations d'admission pour les gaz de combustion, une tuyère de Laval à laquelle est directement raccordé un résonateur optique comportant un diffuseur. Dans ce cas, une des canalisations d'admission amène de l'oxy-20 gène ou de l'air dans la chambre de combustion, tandis que l'autre est prévue pour amener du ou du CO ou du C2H2* Naturellementi on peut également utiliser du CO ou tout autre combustible tel que 1'essence ou du carbone pulvérulent. Toutefois, on utilise de préférence comme combustible les substances 25 dont la combustion avec l'oxygène ou l'air produit, outre de l'azote brûlant, également du C02. On prévoit, par ailleurs, dans un exemple de réalisation particulier, que dans la chambre de combustion est placé un dispositif d'allumage, de préférence une grille de platine à incan-30 descence. En outre, la tuyère de Laval peut être munie de canalisations d'amenée pour l'arrivée de gaz C02 à mélanger. Ces mesures présentent, par rapport aux lasers connus, l'avantage de ne plus nécessiter d'énergie électrique, ni d'appareils d'alimentation en courant. Un autre avantage consiste en ce 35 que le pourcentage d'azote du gaz brûlé dans la chambre de combustion est pratiquement totalement utilisé pour la transmission de l'énergie dtexcitation. Pour cette raison, le rapport de la puissance du laser à la consommation de gaz est proche du maximum théorique. L'invention est expliquée et illustrée ci-après à l'aide 40 d'exemples de réalisation. Sur le dessin : 71 32772 2iuos*s - la figure 1 montre, dans un exemple de réalisation, un montage schématique conforme à l'invention ; - la figure 2 montre, dans un autre exemple de réalisation, un montage schématique conforme à l'invention ; 5 - la figure 3 montre une coupe le long de la ligne III-III de la figure 2, le résonateur étant représenté symboliquement ; - la figure 4 montre, dans un exemple de réalisation comportant un miroir solaire, un montage schématique conforme à l'invention ; et 10 - la figure 5 est une représentation schématique de la chambre de combustion comportant une tuyère de Laval montée à la suite. Selon l'exemple de réalisation de l'invention représenté sur la figure 1, un réacteur nucléaire 10 (ou une machine à fusion 15 nucléaire) est utilisé pour faire fonctionner un laser. Le réacteur 10 (ou la machine à fusion nucléaire), cède son énergie au gaz du laser sous forme d'énergie thermique dans un étage d'échauffement 20. Ici, le réacteur (ou la machine à fusion nucléaire) est avantageusement maintenu stationnaire à une température dënviron 20 1 000°C afin de maintenir les pertes de chaleur aussi faibles que possible. Le. gaz du laser s'écoule de la chambre d'échauffement 20 par une tuyère de Laval' 30 à vitesse supersonique dans un résonateur optique 40 monté à la suite et placé perpendiculairement au sens de l'écoulement, puis de là dans un diffuseur 31. Dans la 25 tuyère de Laval, le gaz du laser est refroidi adiabatiquement et du fait de la longue durée de vie du niveau laser excitable, il se produit une inversion dans le résonateur optique 40. Dans le circuit fermé 11 du gaz du laser sont encore disposés un étage de re+-froidissement 12 et un ventilateur 13 pour le flux de gaz. 30 Dans la forme de réalisation de l'invention selon les fi gures 2 et 3, une excitation directe du gaz du laser est provoquée par des particules qui sont produites par le bombardement d'une substance pàr des neutrons provenant d'un réacteur 110 ou d'une machine à fusion nucléaire. Dans ce but, on peut envisager diffé-35 rentes mesures. Par exemple, dans un laser hélium-néon, qui est pompé au moyen d'une tension alternative ou continue 150, la paroi intérieure des tubes à décharge 140 du résonateur 40 est révêtue d'une couche d'uranium 141. Cette couche 141 est exposée par une fenêtre à neutrons 142 au flux de neutrons du réacteur 110 ou de 40 la machine à fusion nucléaire. Les neutrons arrachent à la couche 71 32772 * 2106525 d'uranium des particules de haute énergie qui atteignent le plasma d'hélium et qui y produisent, outre la décharge continue ou alternative, une inversion encore plus poussée. De ce fait, le degré d'efficacité et la puissance de sortie du laser se trouvent considé-5 rablement amélioré. Dans un laser à C02, qui comporte de préférence également une excitation à tension continue, le pompage du gaz du laser s'effectue, conformément à l'invention, par un rayonnement neutro-nique supplémentaire, qui provient d'un réacteur ou d'une machine 10 à fusion nucléaire. Dans ce cas, les neutrons atteignent l'hélium contenu dans le résonateur optique 40 en plus du gaz du laser actif CO^ et ils y produisent la réaction nucléaire : 3He(n,p) > 3H et accroissent l'inversion par cette réaction. Une excitation pro-15 duite simplement par bombardement neutronique sans excitation supplémentaire par tension continue ou alternative, est possible dans le cas de densités élevées de flux de neutrons, telles qu'on les trouve par exemple dans les réacteurs modernes, et elle est envisageable pour différents usages, par exemple dans ce qu'on appelle 20 les "deep space missions". La figure 4 montre une autre forme de réalisation de l'invention . A un étage d'échauffement 220 du gaz du laser est associé un miroir solaire 210, qui utilise,comme source d'énergie thermique, l'énergie des radiations solaires et qui cède cette énergie au gaz 25 du laser. Ce dernier s'écoule de l'étage d'échauffement 220 par une tuyère de Laval 230 à une vitesse supersonique, pour se dilater adiabatiquement dans le résonateur optique 40 qui est placé perpendiculairement au sens d'écoulement du flux gazeux, puis il passe ensuite dans un diffuseur 231. Dans le circuit fermé de gaz 211 30 sont encore montés un étage de refroidissement 212 et un ventilateur 213. Afin que l'appareillage laser conforme à l'invention puisse effectuer une décharge régulière et homogène dans le gaz, l'appareillage est constitué par -une chambre de combustion 310 dans la-35 quelle pénètre, par exemple, par la canalisation d'amenée 312, du gaz C2N2, du gaz C0 ou du gaz C2H2, qui sont brûlés avec de l'oxygène pur ou de l'air provenant de la-canalisation.d'amenée 311. A la chambre de combustion 310, dans laquelle se trouve un dispositif d'allumage 313:, - de préférence une grille de platine à 40 incandescence -, se raccorde une tuyère de Laval 320 comportant les 71 32772 5 2106525 canalisations d'amenée 321, 322 pour le gaz C02- Cette tuyère 320 se termine par un résonateur optique 330 à la suite duquel est monté un diffuseur 340. La température d'environ 4 000° à S 000° K obtenue par exemple par la combustion du gaz Cgl^ a pour effet que l'azote produit lors de la combustion est excité à plus de 90% jusqu'à atteindre l'état de vibration v = 1. Simultanément, la température élevée de combustion provoque un écoulement rapide des produits de combustion à vitesse supersonique par la tuyère de Laval 320. Lors 10 de l'expansion adiabatique qui s'ensuit, le gaz se refroidit fortement mais, toutefois, l'état v = 1 est maintenu sensiblement du fait de la longue durée de cet état. L'énergie de vibration est transmise par des chocs inélastiques sélectivement au niveau 00°1 des molécules de C02, qui se forment également en tant que produit 15 de la combustion et qui, en outre, sont amenées par les canalisations d'amenée 321 et 322 dans la tuyère de Laval 320 et y sont mélangées. Il s'ensuit une surpopulation du niveau 00°1 des molécules de C02 par rapport au niveau 10° 0 de ces molécules. Cette inversion est utilisée à l'extrémité de la tuyère de Laval 320 pour 20 produire de la lumière laser. Dans un diffuseur 340 placé à la suite de la tuyère de Laval 320 et du résonateur optique 330, la pression, qui est tombée lors de l'expansion du gaz dans la tuyère de Laval 320, est à nouveau rétablie en partie par compression, de sorte que le gaz à l'extrémité du diffuseur 340 peut sortir dans 25 l'atmosphère sensiblement à la pression atmosphérique. La pression p se produisant lors de la combustion dans la chambre de combustion 310 atteint des valeurs de 10 à 100 atmosphères. Le rapport d'expemsion de la tuyère de Laval (F2 : F1) est grosso modo de 25, ce^procure un écoulement gazeux correspon-30 dant environ à 5 fois la vitesse du son, la température descendant à 700°K environ. A l'extrémité de la tuyère de Laval 320, toutefois encore avant l'entrée du gaz dans la résonateur 330, on peut encore ajouter du gaz C02 qui est excité par l'azote. La pression du gaz à cet endroit de mélange correspond à environ à 1 % de la 35 pression de la chambre de combustion. La chambre du résonateur 330 est conçue de telle sorte qu'elle correspond à un oscillateur laser; lorsqu'il y a des fenêtres, l'utilisation comme amplificateur laser est également possible. Dans le-cas de l'utilisation comme amplificateur, le rayon de lumière laser qui traverse la chambre perpen-40 diculairement au plan du dessin est référencé en 400 sur le dessin. Lors du passage du gaz de la chambre de résonateur 330 au diffuseur 71 32772 6 2106525 340, le gaz est à nouveau comprimé sensiblement à la pression atmosphérique, de sorte que la pression du gaz à la sortie a une valeur correspondant sensiblement à une atmosphère. Par rappôrt aux lasers connus, cet appareillage présente 5 encore d'autres avantages ; par exemple, le débit de gaz dans le volume du résonateur à l'extrémité de la tuyère de Laval, et de ce fait la puissance continue du laser, peuvent être sensiblement plus élevés que dans les lasers connus excités électriquement, dont les dimensions sont comparables, étant donné qu'il n'y a pas 10 de limites de principe pour la pression et la densité dans la chambre de combustion. La combustion de C2N2 présente par rapport à la combustion d'autres substances l'avantage qu'il se produit directement de l'azote comme produit cfe combustion qui, du fait de la température 15 de combustion élevée de cette substance, se trouve pour un pourcentage élevé dans un état excité de vibration. Un autre avantage qui ne doit pas être sous-estimé, est que l'on peut supprimer l'emploi de pompes à gaz, étant donné que le transport du gaz dans le volume du résonateur est provoqué par 20 l'énergie chimique de combustion, tandis que les pertes d'écoulement sont réduites par la présence d'un diffuseur. En outre, il est avantageux de ne pas utiliser d'énergie électrique pour l'excitation, ce qui rend également superflu les appareils d'alimentation en courant. 71 32772 / 2106525 REVENDICATIONS 1 - Appareillage laser,de préférence du type basé sur la dynamique des gaz, pour la transmission d1informations et d'énergie, caractérisé en ce qu'un réacteur nucléaire (10, 100) ou un miroir solaire (210) ou une machine à fusion nucléaire, est asso- 5 cié au circuit de gaz (20, 30, 31 ; ou 220, 230, 231; 211, 212, 213) pour exciter le gaz du laser avec de l'énergie thermique. 2 - Appareillage laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réacteur nucléaire (10, 110) ou la machine à fusion nucléaire est maintenu à un niveau stationnaire de tempé- 10 rature déterminé,par exemple 1 000°C. 3 - Appareillage laser selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'au réacteur (10, 110) ou à la machine à fusion nucléaire sont associés une tuyère de Laval (30), un résonateur optique (40) et éventuellement un diffuseur (31) et en ce 15 que, à la suite de ce dernier, sont montés un étage de refroidissement (12) et un ventilateur (13) de façon à former un circuit de gaz fermé. 4 - Appareillage laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au réacteur (10, 110), ou à la machine à fusion nu- 20 cléaire, est directement associé un résonateur laser (140, 40) revêtu d'une couche d'uranium pour le bombardement neutronique. 5 - Appareillage laser selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le résonateur optique (40) est placé perpendiculairement au sens d'écoulement du gaz. 25 6 - Appareillage laser selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, à la suite d'une chambre de combustion (310) comportant des canalisations d'amenée (311, 312) pour les gaz de combustion est montée une tuyère de Laval (320) à laquelle est raccordé directement un résonateur optique (330) comportant 30 un diffuseur (340) et en ce que l'une des canalisations d'amenée (311, 312) amène dans la chambre de combustion (310) de l'oxygène ou de l'air et que l'autre canalisation d'amenée est prévue pour l'arrivée de C2N2' de C0 OU de C2H2' ou d'autres combustibles tels que de l'essence ou de la poudre de carbone. 35 7 - Appareillage laser selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, dans la chambre de combustion (310) est placé un dispositif d'allumage (313), avantageusement une grille de platine à incandescence. 7132772 2106525 8 - Appareillage laser selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la tuyère de Laval (320) est munie de canalisations d'amenée (321, 322) pour l'arrivée et le mélange de gaz C02 et en ce- que le rapport d'expansion est d'environ 25 : 1.