ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ТРАКТ СВЕРХЗВУКОВОГО ХИМИЧЕСКОГО ЛАЗЕРА С АКТИВНЫМ ДИФФУЗОРОМ
GAS-DYNAMIC CHANNEL OF SUPERSONIC CHEMICAL LASER WITH ACTIVE DIFFUSER

Предлагаемое изобретение относится к лазерной технике и технике аэродинамического эксперимента, может быть использовано при разработке газодинамического тракта химических лазеров, при создании их систем восстановления давления (СВД), а также при разработке систем выхлопа непрерывных сверхзвуковых аэродинамических труб.
Известно, что для эффективной работы сверхзвукового химического лазера (СХЛ) в зоне резонатора необходимо создать сверхзвуковой поток при низком статическом давлении. Например, для химического кислород-йодного лазера (ХКЙЛ) давление должно быть 5-7 торр при числах Маха около 2 [см. Химические лазеры / под ред. Р. Гросса и Дж. Ботта - М.: Мир, 1980]. Использование вакуумных емкостей, как это делается в небольших лабораторных установках, для выхлопа мощных СХЛ с большим расходом и достаточно продолжительным временем работы (10-100 сек), требует огромных объемов. Поэтому при создании мощных мобильных лазерных комплексов на базе СХЛ обычно используют в качестве СВД системы эжекторного типа, состоящие из выхлопного сверхзвукового диффузора и сверхзвукового эжектора с питающим его газогенератором с системами подачи компонент. Основными недостатками таких систем являются их массогабаритные характеристики, а именно:
- большая общая длина тракта, обусловленная газодинамическими процессами, протекающими в диффузоре и эжекторе;
- большой расход газогенератора, обеспечивающего работу эжектора, что определяет большой вес систем хранения и подачи компонент (СХПК), необходимых для работы газогенератора.
В случае ХКЙЛ необходимая степень сжатия ε, которую должна обеспечить СВД (отношение давлений в окружающем пространстве - атмосфере к полному давлению потока в лазерной камере), достигает значений 50-60. Поэтому для восстановления давления требуется двухступенчатая эжекторная станция, что приводит к резкому снижению общего коэффициента эжекции n (отношение расходов пассивного-лазерного газа и активного-эжектирующего) и еще больше увеличивает длину СВД, а также вес и размеры СХПК.
Степень сжатия потока на одной ступени обычной эжекторной системы относительно невысока (не более 14-16), что объясняется нарастанием толстых пограничных слоев вдоль границы сверхзвуковой струи, истекающей из сопла эжектора. При взаимодействии струи со стенками канала образуются обратные токи, вследствие чего давление в камере смешения возрастает, и степень сжатия уменьшается.
Известен газовый эжектор [см. патент РФ №2003846, МПК 5 F04F 5/14, заявл. 31.05.1990, опубл. 30.11.1993], в котором во входном участке диффузора эжектора установлено сверхзвуковое кольцевое сопло, через которое происходит тангенциальный вдув дополнительного активного газа вдоль стенки эжектора. Истекающие из сопел струи препятствуют нарастанию пограничного слоя и проникновению обратных токов в камеру смешения, степень сжатия при этом увеличивается. Однако в случае двухступенчатого эжектора вдув дополнительного газа в первую ступень значительно повышает требуемый расход эжектирующего газа на второй ступени, снижая тем самым эффективность всей системы.
5
В компактном диффузоре для СВД химических лазеров [см. патент США №5.735.469, МПК H01S 3/0953, заявл. 28.05.1996, опубл. 07.04.1998] для отсоса пограничного слоя, образовавшегося в лазерной камере, предложено использовать серию малоразмерных сопел, оси которых направлены параллельно стенкам канала. При этом сопла и, соответственно, отсасываемый пограничный слой, отделяется от основного потока специальным экраном. Недостатком такой конструкции является, во-первых, то, что работа этих сопел сводится только к отсосу пограничного слоя, при этом энергия струй не используется для повышения давления низконапорного лазерного газа. Во-вторых, результатом известного технического решения должно быть формирование λ-образного скачка на входе в диффузорную часть, образованную экранами, так как здесь еще не появился развитый пограничный слой. Газ, проходящий через такой скачок (близкий к прямому скачку), имел бы дозвуковую скорость, и, таким образом, был бы реализован сверхкороткий диффузор.
Но, как известно, торможение сверхзвукового потока в канале происходит в общем случае в серии косых скачков, возникающих в потоке из-за нарастания на стенках канала пограничного слоя, и которые, взаимодействуя с ним же, порождают отрывные дозвуковые зоны. Зоны увеличиваются вдоль течения и переводят, таким образом, весь поток в дозвуковой. Область течения, в которой происходит процесс торможения, называется зоной псевдоскачка, и ее длина зависит от числа Маха набегающего потока. Известно также, что схема течения с λ-образным скачком может реализоваться только при числах Маха, мало отличающихся от 1 (меньше 1,2). Однако этого недостаточно для эффективной работы лазера. При числах Маха больше 1,5 [см. В.Г. Гурылев, А.К. Трофимов. Псевдоскачек в простейшем воздухозаборнике в виде простейшей трубы // Учебные записки ЦАГИ, 196, Том VII, №1, С. 130] всегда реализуется псевдоскачок соответствующей длины, даже если на стенках еще не образовался развитый пограничный слой. Поэтому схема, предложенная в известной конструкции, не может быть реализована на практике для параметров потока, характерных для ХКЙЛ.
В техническом решении [см. патент США 4.379.679, МПК F04F 5/46, заявл. 01.12.1980, опубл. 12.04.1983] предлагается отказаться от использования пассивного диффузора за счет применения эжектора специального вида. В этом случае сразу на выходе лазерной камеры вдоль широкой стороны сужающейся камеры смешения устанавливаются плоские сверхзвуковые сопла, через которые подается эжектирующий газ. При взаимодействии сверхзвукового потока, истекающего из этих сопел, с потоком лазерного газа должна сформироваться система косых скачков уплотнения, в которой и будет происходить торможение сверхзвукового потока лазерного газа до дозвуковых скоростей с последующим смешением активного и пассивного потоков. Фактически, в известном патенте предлагается эжектор, работающий по схеме «сверхзвук-сверхзвук» (эжектируемый и эжектирующий потоки сверхзвуковые). При такой схеме не требуется пассивный диффузор, и в результате достигается уменьшение общей длины газодинамического тракта.
Однако известной конструкции присущи следующие недостатки:
- во-первых, трудность запуска такого газодинамического тракта с выхлопом непосредственно в атмосферу;
- во-вторых, эффективность такого эжектора, то есть коэффициент эжекции, меньше, чем у эжектора традиционной схемы «дозвук-сверхзвук».
Известна также система восстановления давления для лазера на молекулах HF/DF, представленная в работе [P.J. Ortwerth. On the Rational Design of Compressible Flow Ejectors // AIAA-paper1978-1217], которая является весьма близкой по своей технической сущности к заявляемому устройству.
В работе описан газодинамический тракт сверхзвукового химического лазера, который содержит: генератор активной среды, многосопловый блок, лазерную камеру (ЛК), сверхзвуковой диффузор, эжектор, генератор активного газа эжектора. Пассивный сверхзвуковой диффузор прямоугольного сечения поделен пилонами на несколько отдельных каналов. В этих каналах сверхзвуковой поток из ЛК тормозится в системах косых скачков. Уровень давления потока после диффузора остается гораздо меньше атмосферного. Для обеспечения выхлопа такого потока в атмосферу к диффузору стыкуется эжектор с газогенератором. Газогенератор вырабатывает газ высокого давления, который подается в сверхзвуковое сопло эжектора. Высоконапорный газ смешивается в камере смешения эжектора с низконапорным потоком из ЛК. Происходит обмен импульсами и энергией между этими потоками, в результате чего перемешанный поток приобретает энергию, достаточную для выхлопа в атмосферу.
Однако недостатками описанного выше устройства являются его большие габариты, обусловленные многоступенчатой конструкцией эжектора; невысокий коэффициент эжекции, а также трудности при запуске газодинамического тракта, связанные с согласованием газодинамических характеристик ступеней, которые возрастают при увеличении количества ступеней.
3
4
Особенностью эвакуации газа именно из ХКЙЛ является наличие интенсивного тепловыделения вдоль всего тракта пассивного диффузора и низкие характерные числа Рейнольдса лазерного потока (10-10). В общем случае, тепловыделение приводит к снижению полного давления в потоке, а значит повышается необходимая степень сжатия, которую должен обеспечить эжектор, входящий в СВД, что, в свою очередь, ведет к увеличению расхода эжектирующего газа (то есть к увеличению массогабаритных характеристик всей системы).
Тепловыделение приводит также к сокращению области псевдоскачка, Торможение сверхзвукового потока начинается уже в лазерной камере, как только начинается тепловыделение в потоке, обусловленное химическими процессами, происходящими в лазерной смеси газов, которые определяют работу лазера. По мере работы ХКЙЛ канал лазера прогревается, растет температура лазерного газа, меняется режим работы эжектора, в результате растет противодавление на выходе диффузора. Рост противодавления передается по толстым пограничным слоям обратно в ЛК, статическое давление в ЛК растет, что приводит к изменению режима работы самого лазера и его характеристик.
Таким образом, известный газодинамический тракт не обеспечивает успешную работу ХКЙЛ, так как течение газа в ЛК не изолировано от влияния внешних условий на выходе диффузора. Кроме того, рост противодавления на выходе пассивного диффузора ведет к тому, что начало зоны торможения (первые косые скачки псевдоскачка) сдвигаются ближе к сопловому блоку, то есть появляются в зоне резонатора. Однако это явление является крайне нежелательным, так как эти скачки снижают оптическое качество потока в ЛК: их плоскость расположена параллельно оси резонатора и поэтому волновой фронт излучения лазера на подобных неоднородностях плотности искривляется, то есть качество излучения лазера ухудшается.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному устройству является выбранный в качестве прототипа газодинамический тракт непрерывного химического лазера с активным диффузором [см. патент РФ №2408960, МПК H01S 3/0953 (2006.01), заявл. 29.06.2009, опубл. 10.01.2011]. Известный газодинамический тракт может быть использован при разработке газодинамических трактов сверхзвуковых химических лазеров с выхлопом лазерного газа в атмосферу, а также элементов системы восстановления давления (СВД) этих лазеров. В патенте предложен также сверхзвуковой активный диффузор, состоящий из пассивной и активной частей. Пассивная часть представляет собой канал, поделенный вертикальными пилонами на отдельные узкие каналы. Активная часть состоит из соплового блока и камеры смешения. Сопловый блок выполнен в виде фланца-проставки, который зажимается между фланцами пассивной части и камеры смешения. В сопловом блоке имеется система малоразмерных сопел, которые расположены по периферии канала за счет того, что канал камеры смешения больше внутреннего фланца-проставки, т.е. в месте соединения соплового блока и камеры смешения имеется уступ по всем четырем стенкам канала. Выходные отверстия малоразмерных сверхзвуковых сопел находятся в этих уступах. Размер выходных сечений малоразмерных сопел имеет порядок величины пограничного слоя. Оси сопел параллельны стенкам канала камеры смешения, и во время работы они сдувают пограничный слой со стенок. Сверхзвуковой поток, истекающий из сопел блока, обеспечивает разряжение перед собой, и, благодаря этому, происходит отсос пограничного слоя со стенок камеры смешения. Чтобы обеспечить эффективный отсос, пассивную часть диффузора приходится делать короткой. Это приводит к тому, что сверхзвуковой лазерный поток не успевает затормозиться в пассивной части диффузора, и поэтому система, являясь по существу эжектором нестандартной конструкции, работает по схеме «сверхзвук-сверхзвук»: эжектируемый и эжектирующие потоки являются сверхзвуковыми. Такая схема смешения потоков в камере смешения не является высокоэффективной, в связи с чем такое эжектирующее устройство не обеспечивает высокую степень сжатия лазерного потока. Использование малоразмерных сопел в сопловом блоке также не способствует эффективности смешения потоков. Описанные выше недостатки известной конструкции являются основными.
Задачами, поставленными при разработке заявляемого изобретения, являются:
- стабилизация параметров течения лазерного газа в ЛК за счет устранения обратного влияния возмущений давления, возникающих на выходе пассивного диффузора в процессе работы газодинамического тракта;
- улучшение оптического качества потока лазерного газа в лазерной камере и уменьшение расходимости лазера путем отсоса пограничного слоя со стенок лазерной камеры, устраняющего причины возникновения ударных волн, в потоке лазерного газа;
- увеличение коэффициента эжекции и повышение степени сжатия активного диффузора путем реализации его работы по схеме «дозвук-сверхзвук»;
- снижение массогабаритных характеристик лазерного комплекса путем увеличения общего коэффициента эжекции системы восстановления давления газодинамического тракта, которое обеспечивается повышением эффективности работы активного диффузора.
Для решения указанных задач предлагается газодинамический тракт сверхзвукового химического лазера с активным диффузором, который, как и наиболее близкий к нему газодинамический тракт, выбранный в качестве прототипа, состоит из последовательно соединенных между собой генератора лазерного газа, смесительного соплового блока, лазерной камеры с резонаторной полостью и боковыми камерами для размещения зеркал резонатора, а также системы восстановления давления, в состав которой входит сверхзвуковой активный диффузор, состоящий из активной и пассивной частей и поделенный пилонами на несколько каналов, и эжектора, состоящего из пассивной части с размещенными внутри пилонами.
Особенностью предлагаемого газодинамического тракта, отличающегося от известного, принятого за прототип газодинамического тракта, является то, что пилоны в пассивной части диффузора образуют двухрядную конструкцию, при этом вертикальные утолщенные пилоны делят канал на несколько одинаковых прямоугольных секций, которые, в свою очередь, разделены пополам одним тонким выдвинутым вперед горизонтальным пилоном, расположенным параллельно широким стенкам канала, сопловый блок системы восстановления давления оснащен соплами с увеличенным выходным сечением и с конической сверхзвуковой частью, а в торце вертикальных утолщенных пилонов по всей их тыльной поверхности расположены выходные отверстия осесимметричных сопел.
Поставленная задача решается также благодаря тому, что горизонтальный тонкий пилон в пассивной части диффузора, параллельный широким стенкам канала, выдвинут вперед на расстояние, определяемое углом клинообразного носика пилона и скоростью потока. При таком расположении ударная волна не попадает внутрь диффузора.
Поставленная задача решается благодаря тому, что физическая длина пассивной части выбирается минимальной. Это позволяет эффективно организовать отсос пограничного слоя со стенок лазерной камеры и изолировать течение в лазерной камере от возмущений, передаваемых по пограничному слою. Минимальная длина пилонов в пассивной части выбирается из условия обеспечения в пассивной части перехода сверхзвукового потока в дозвуковой, но кроме этого объем полости в пилоне должен обеспечить необходимый расход газа в сопла, расположенные в тыльной части пилона.
Поставленная задача решается благодаря тому, что камера смешения, присоединяемая фланцевым соединением к сопловому блоку, имеет канал шире, чем внутренний канал соплового блока, выполненного в виде фланца-проставки. В результате, в месте их соединения образуются уступы по всем стенкам канала.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в сопловом блоке в зоне уступов, расположенных между камерой смешения и сопловым блоком, по всему периметру канала расположена система сверхзвуковых сопел, которая позволяет организовать вдув высоконапорного газа спутно низконапорному лазерному потоку, вышедшему из пассивной части диффузора.
Поставленная задача решается благодаря тому, что сверхзвуковые сопла соплового блока имеют выходное сечение существенно больше толщины пограничного слоя. Это сечение выбирается максимально возможным из того, что позволяет конструкция.
Поставленная задача решается благодаря тому, что сверхзвуковые сопла, расположенные с тыльной стороны стенок соплового блока и пилонов, выполняются коническими.
Поставленная задача решается также благодаря двухрядной системе каналов, с выдвинутым вперед горизонтальным пилоном. Это объясняется тем, что сверхзвуковой лазерный поток газа успевает затормозиться в пассивной части диффузора до дозвуковой скорости. Смешение лазерного газа и сверхзвуковых струй из соплового блока и пилонов в этом случае происходит по схеме «дозвук-сверхзвук», то есть более эффективным образом, по сравнению со схемой «сверхзвук-сверхзвук», которая реализуется, если в короткой пассивной части используются только вертикальные пилоны (см., например, схему ближайшего аналога).
Поставленная задача решается также благодаря тому, что активная часть разделена на каналы, по меньшей мере, одной продольной вертикальной стенкой (на чертежах не показана), при этом торец стенки примыкает вплотную к заднему торцу пилона, а пилон снабжен, по меньшей мере, двумя рядами сопел, расположенными с двух сторон примыкающей к пилону вертикальной стенки.
Поставленная задача решается также благодаря тому, что канал камеры смешения выполнен с поджатием с узких сторон, которое осуществляется с помощью вертикальных пилонов, установленных в камеру смешения, т.е. канал камеры смешения имеет горло и дозвуковой диффузор.
Поставленная задача решается также благодаря тому, что система подачи активной газовой смеси имеет две линии: основную и дополнительную, которая используется для создания дополнительного расхода эжектирующего газа на стартовом режиме (на чертежах не показаны).
Таким образом, в заявляемом газодинамическом тракте с системой восстановления давления на базе активного сверхзвукового диффузора (АД) и одноступенчатого эжектора достигаются следующие преимущества:
- при работе АД создается разрежение на выходе из лазерной камеры (ЛК), что приводит к отсосу пограничного слоя со стенок ЛК и устраняет, соответственно, причину возникновения в потоке в зоне резонатора нежелательных ударных волн, которые портят оптическое качество потока и увеличивают расходимость лазера;
- в пассивной части АД, благодаря двухрядной системе каналов, имеющих увеличенную параметрическую длину, сверхзвуковой лазерный поток газа успевает затормозиться до дозвуковых скоростей;
- смешение лазерного газа и сверхзвуковых струй из соплового блока и пилонов, реализованное в АД заявляемого газодинамического тракта, организовано по схеме «дозвук-сверхзвук» и происходит более эффективным образом по сравнению со схемой «сверхзвук-сверхзвук», которая реализуется, если в пассивной части используются только вертикальные пилоны;
- эффективность смешения лазерного газа и эжектирующих струй увеличивается также благодаря тому, что поверхность смешения струй в камере смешения АД заявляемого газодинамического тракта увеличена, поскольку в сопловом блоке системы восстановления давления используются не малоразмерные сопла (с выходным сечением порядка толщины пограничного слоя), а сопла с увеличенным выходным сечением (в три раза большим, по сравнению с толщиной пограничного слоя) и с конической сверхзвуковой частью;
- эффективное смешение, реализованное в АД заявляемого газодинамического тракта, позволяет получать более высокий общий коэффициент эжекции, по сравнению с газодинамическим трактом ближайшего аналога (патента RU 2408960). Это, в свою очередь, обеспечивает уменьшение массогабаритных характеристик всего лазерного комплекса (лазер + газодинамический тракт), рассчитанного на определенное количество пусков;
- заявляемый активный диффузор фактически заменяет работу пассивного диффузора и работу эжектора первой ступени в обычной системе восстановления давления с двухступенчатым эжектором, тем самым сокращаются общие габариты всего газодинамического тракта. В активном диффузоре за счет раннего вдува холодного высоконапорного эжектирующего газа снижается отрицательное влияние тепловыделения на полное давление потока и нежелательный разогрев всего канала;
- работа АД позволяет надежно изолировать течение в ЛК и тем самым стабилизировать параметры работы лазера от влияния возмущений на выходе диффузора, возникающих при работе традиционной СВД из-за эффекта «обратного влияния», когда возмущения передаются назад против течения по пограничному слою в ЛК. Это происходит из-за того, что в традиционной СВД на стенках пассивного диффузора из-за его большой длины нарастает толстый пограничный слой, который и передает назад изменение давления перед эжектором. Давление перед эжектором, то есть на выходе пассивного диффузора, при работе лазера меняется из-за того, что прогревается весь газодинамический канал и растет общая температура лазерного потока. Рост же температуры эжектируемого газа приводит к тому, что эффективность работы эжектора снижается и, соответственно, растет давление перед ним, хотя расход эжектируемого лазерного газа не меняется. СВД на основе заявляемого АД такой эффект устраняет и стабилизирует параметры работы лазера;
- при работе АД псевдоскачок надежно локализован в пассивной части диффузора и косые скачки зоны торможения не смещаются в зону резонатора и тем самым устраняется вторая причина ухудшения оптического качества потока в ЛК.
Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.
Ниже описан конкретный пример реализации предлагаемого изобретения.
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых представлено:
на фиг. 1 изображена общая схема газодинамического тракта лазера с системой восстановления давления на базе активного диффузора;
на фиг. 2 изображена аксонометрическая проекция активного диффузора с прямоугольным вырезом по всей длине;
на фиг. 2а изображен вид справа (местный) на фиг. 2;
на фиг. 2б изображен вертикальный пилон в разрезе;
на фиг. 3 представлен график изменения параметров во время пуска ХКЙЛ с активным диффузором;
на фиг. 4 приведен один из результатов численных параметрических исследований вязких течений в АД на основе 3-х мерных уравнений Навье-Стокса (пакет ANSYS/CFX): отмечена звуковая поверхность, которая показывает, что в короткой двухрядной конструкции удается затормозить сверхзвуковой лазерный поток, т.е. поток с параметрами, характерными для ХКЙЛ.
Ниже описан конкретный пример реализации предлагаемого газодинамического тракта.
Газодинамический тракт сверхзвукового химического лазера (см. фиг. 1) включает последовательно соединенные между собой генератор 1 лазерного газа, смесительный сопловый блок 2 лазера, лазерную камеру 3 с резонаторной полостью Ρ и расположенными по бокам полостями для размещения зеркал 4 резонатора. К выходу лазерной камеры 3 присоединена система восстановления давления (СВД) на базе активного сверхзвукового диффузора (АД) 5 с системой 6 снабжения АД высоконапорным газом и с одноступенчатым традиционным эжектором 7 с центральным соплом, питаемым газогенератором 8. Активный сверхзвуковой диффузор 5, являясь первой ступенью СВД, имеет пассивную часть 9 и активную часть 10, состоящую из соплового блока 11 и камеры смешения 12. Пассивная часть 9 примыкает к лазерной камере 3. Внутри пассивной части 9 (см. фиг. 1, фиг. 2) размещены вертикальные пилоны 13 и один горизонтальный пилон 14, соединенные с ее корпусом. Пилоны 13 и 14 образуют двухрядную систему каналов, в которой тормозится сверхзвуковой лазерный поток Г, прошедший резонаторную полость Р. К корпусу пассивной части 9 на выходе с помощью фланцевого соединения подсоединен сопловый блок 11 активной части 10. Сопловый блок 11 выполнен в виде отдельного фланца-проставки, который зажимается между фланцами пассивной части 9 АД 5 и фланцем камеры смешения 12. Внутренние размеры фланца-проставки, т.е. соплового блока 11, совпадают с размерами выходного фланца пассивной части, и, таким образом, внутренние стенки соплового блока 11 продолжают стенки канала пассивной части.
Камера смешения 12, присоединяемая к сопловому блоку 11, имеет размеры канала больше, чем выходные размеры канала соплового блока, выполненного в виде фланца-проставки, и, таким образом, в месте соединения камеры смешения 12 и соплового блока 11 образуются уступы 15 (см. фиг. 1) по всем стенкам канала. В зоне уступов 15 по всему периметру канала равномерно расположены осесимметричные сопла 16 с конической профилировкой сверхзвуковой части. Аналогичные сверхзвуковые сопла 17 имеют также в тыльной своей части вертикальные активные пилоны 13. Сопловый блок 11 и вертикальные пилоны 13 имеют внутренние полости 18 и 19 соответственно, через которые поступает высоконапорный воздух к форкамерам (на чертежах не показаны) сверхзвуковых сопел 16, 17 (см. фиг. 1, фиг. 2). Оси сопел 16, 17, расположенных в тыльной части соплового блока 11 и вертикальных активных пилонов 13, направлены параллельно потоку отработавшей рабочей среды Г (см. фиг. 1). Выходные сечения осесимметричных сопел 16 соплового блока 11 и сопел 17 активных пилонов 13 расположены в одной плоскости.
Камера смешения 12 активного сверхзвукового диффузора 5 представляет собой прямоугольный канал с поджатием внутреннего сечения. Поджатие организуется с помощью вставляемых вертикальных пилонов 13 камеры смешения 12, т.е. поджатие выполняется только по узким сторонам канала. Минимальное сечение канала является горлом камеры смешения 12. Начинается камера 12 с уступов 15, образованных за счет того, что начальное сечение канала камеры смешения 12 больше выходного размера внутреннего канала соплового блока 11 (см. фиг.1). В зависимости от конструктивных особенностей установки величина уступа 15 выбирается порядка 15-20 мм. В этом уступе расположены выходные отверстия сверхзвуковых осесимметричных конических сопел 16, через которые осуществляется вдув эжектирующего газа Э. Сопла 16 имеют выходное сечение, близкое к размеру уступа 15.
Из системы 6 снабжения высоконапорным газом активного сверхзвукового диффузора 5 подача газа в сопла 16, 17 осуществляется следующим образом: газ из общего коллектора 21 по трубопроводам 22 через подводящие штуцеры 23 (см. фиг. 2) подается во внутренние полости 18 соплового блока 11 и полости 19 активных вертикальных пилонов 13, а оттуда попадает в форкамеры сопел 16, 17. В камере смешения 12 эжектирующие сверхзвуковые струи Э из сопел 16, 17 смешиваются спутным образом с низконапорным лазерным газом Г, вышедшим из пассивной части 9 активного диффузора 5 В полостях 18 и 19 поддерживается постоянное давление 20-25 атм. за счет распределенной подачи по нескольким трубопроводам 22.
Газодинамический тракт химического кислород-йодного лазера с СВД на базе активного диффузора работает следующим образом.
2
2
2
2
2
2
1
1
В генераторе 1 лазерного газа осуществляется наработка лазерного газа, так называемого, синглетного кислорода - O(Δ), молекулы которого находятся в возбужденном состоянии на первом электронном уровне. В смесительном сопловом блоке 2 через инжекторы, расположенные на стенках сопловых лопаток инжектора, в поток синглетного кислорода впрыскивается газообразный йод I в смеси с горячим азотом N (газообразный I приготавливается в специальной системе). В результате реакций, происходящих сразу за срезом смесительного соплового блока 2, в смеси O(Δ) и I возникает активная лазерная среда: атомы I с инверсной населенностью энергетических уровней. В активной среде свет с длиной волны λ=1,315 мкм усиливается, и поэтому в резонаторной зоне Ρ устанавливается процесс генерации излучения, которое выводится через одно из зеркал 4 резонатолра.
Отработанный сверхзвуковой низконапорный газ Г (с полным давлением в потоке ~20 торр) из резонаторной зоны Ρ попадает в пассивную часть 9 активного сверхзвукового диффузора 5. Благодаря тому, что пассивная часть 9 является двухрядной конструкцией, а каждый отдельно взятый канал имеет длину в калибрах, достаточную для торможения сверхзвукового потока с числом М≈2 (необходимая для торможения длина канала в калибрах определяется числом Маха набегающего потока), лазерный газ в серии косых скачков, первые из которых возникают на передней кромке горизонтального пилона 14, а следующие - на кромках активных вертикальных пилонов 13, тормозится до дозвуковых скоростей уже на выходе из пассивной части 9 диффузора 5. Хотя ударная волна от горизонтального пилона 14, падая на широкую стенку канала, утолщает пограничный слой (известный в газодинамике эффект), это не приводит к уменьшению эффективного проходного сечения пассивной части 9 диффузора 5 (и поэтому давление запуска не увеличивается), так как горизонтальный пилон 14 выдвинут вперед настолько, что ударная волна от него не попадает внутрь диффузора 5.
Быстрому торможению способствует также процесс тепловыделения, который происходит в газовой смеси.
Таким образом, в камеру смешения 12 поступает дозвуковой низконапорный поток Г, где он эжектируется сверхзвуковыми высоконапорными струями холодного воздуха Э. Поэтому в данном устройстве процесс эжектирования происходит по традиционной для сверхзвуковых эжекторов схеме «дозвук-сверхзвук», реализованной в выбранном в качестве ближайшего аналога патенте RU 2408960. Такая схема обеспечивает по сравнению со схемой «сверхзвук-сверхзвук» достижение более высоких степеней сжатия потока при одинаковых расходах эжектирующего газа. В заявляемом активном диффузоре обеспечивается восстановление давления до уровней 90-100 торр, а дальнейшее восстановление до атмосферного уровня происходит в традиционном эжекторе 7.
Кроме того, активный сверхзвуковой диффузор заявленного газодинамического тракта позволяет достичь следующего эффекта. Активный диффузор, как всякий сверхзвуковой эжектор, при работе создает перед собой сильное разрежение. В данном случае это разрежение возникает и на выходе лазерной камеры 3, так как пассивная часть 9 активного диффузора имеет достаточно короткую физическую длину. Сильное разрежение при работе активного диффузора приводит к тому, что возникает эффект отсоса пограничного слоя со стенок лазерной камеры. Это подтверждается прямыми измерениями статического давления вдоль стенок лазерной камеры (см. фиг. 3), выполненных при исследованиях, проведенных на специальной лабораторной установке. Установка имела все конструктивные элементы, показанные на фиг. 1, то есть лазер с резонатором и активным диффузором, но вместо последней ступени системы восстановления давления - эжектора 7, использовалась предварительно откачиваемая вакуумная емкость.
На фиг. 3 показано изменение основных параметров работы лазера во времени. Представлено изменение мощности лазера (кривая 1) совместно с распределением давления в разных точках газодинамического тракта. Буферный газ (азот) начинает поступать при t=1,7 с, и, начиная с этого момента, давление в вакуумной камере 2 начинает расти. В момент t=3 с подается йод и хлор, при этом резко возрастает давление в генераторе сиглетного кислорода 3 и перед сопловым блоком 11. Генерация излучения начинается в момент t=4,2 с. Для демонстрации эффекта работы активного сверхзвукового диффузора сначала он не включен и работает как обычный пассивный диффузор. Поэтому статическое давление в лазерной камере (кривые 5 и 6) растет в соответствии с ростом давления в вакуумной емкости (эффект обратного влияния) и достигает величины 5 торр. Рост давления означает уменьшение числа Маха, что связано с утолщением пограничного слоя на стенках лазерной камеры, так как уменьшается эффективное сечение канала. Кроме того, как показывают расчеты, это приводит к смещению зоны торможения (псевдоскачка) ближе к сопловому блоку, то есть к резонатору. Поэтому мощность в этот отрезок времени падает. При включении активного диффузора 5 в момент t=5,2 с давление в лазерной камере возвращается к первоначальному уровню - падает на 1,5 торр и уже не меняется, несмотря на то что противодавление растет (растет давление в вакуумной емкости).
Снижение статического давления с момента включения активного диффузора 5 может быть связано только с ускорением потока, которое возникает из-за того, что эффективное сечения канала увеличивается благодаря отсосу пограничного слоя со стенок лазерной камеры 3. Поэтому поток разгоняется, а вся зона торможения смещается вниз по течению. За счет улучшения условий для генерации мощность лазера возрастает.
Эффект работы активного диффузора 5 проявляется еще в одном важнейшем моменте. Кроме того, что из-за роста скорости потока и стабилизации параметров течения увеличивается и стабилизируется мощность лазера, отсос пограничного слоя позволяет избежать появления нежелательных скачков уплотнения в резонаторной полости. При работе традиционной системы восстановления давления с пассивным диффузором на стенках лазерной камеры образуются толстые пограничные слои (из-за низких чисел Re в потоке). В связи с этим возникают отрывные зоны, порождающие скачки уплотнения, поверхность которых расположена вдоль оси резонатора. Такие скачки портят оптическое качество потока в резонаторной полости, что приводит к увеличению расходимости лазера. Отсос пограничного слоя ликвидирует отрывные зоны.
Приведенный пример реализации не должен рассматриваться в качестве ограничения объема патентных притязаний предложенного изобретения. Для любого специалиста в данной области техники понятно, что есть возможность внести множество изменений в описанную выше конструкцию без отхода от существенных признаков изобретения, заявленных в формуле.
Таким образом, экспериментально было подтверждено, что работа газодинамического тракта с заявляемой конструкцией активного диффузора позволяет не только организовать эффективный выхлоп отработанной лазерной среды в атмосферу, но и стабилизировать параметры течения в лазерной камере, устранив нежелательное обратное влияние возмущений, передающихся по пограничному слою из рабочей камеры эжектора. За счет отсоса пограничного слоя со стенок лазерной камеры улучшается также оптическое качество потока в резонаторной полости и, соответственно, улучшаются характеристики излучения лазера.
С помощью более масштабной рабочей установки заявителем была подтверждена высокая эффективность работы заявляемого газодинамического тракта, как с точки зрения функциональной, так и с точки зрения коэффициента эжекции. Активный диффузор в заявленном газодинамическом тракте был выполнен в двухканальном варианте (при ширине лазерного канала более 1 м), между активным диффузором и эжекторной системой, также состоящей из двух эжекторов, имелась переходная емкость. Наличие последней не является обязательным, это решение диктовалось требованием размещения системы восстановления давления на конкретном испытательном стенде. С точки зрения коэффициента эжекции достигнута величина n≈0.05 (при отсутствии переходной емкости коэффициент эжекции «n» будет больше, поскольку емкость вносит дополнительное гидравлическое сопротивление). Для сравнения, в работе [G. Singal, R. Rajesh, R.K. Tyagi and others. Two-stage ejector based pressure recovery system for small scale SCOIL // AIAA-paper 2005-5171, 2005] традиционная система восстановления давления с двухступенчатым эжектором имела коэффициент эжекции n≈0.001.
Таким образом, заявляемый газодинамический тракт с системой восстановления давления, реализуемой на базе активного диффузора, благодаря тому, что давление после активного диффузора будет в два раза выше по сравнению с ближайшим аналогом, позволяет увеличить общий коэффициент эжекции всей системы более чем в два раза - эффект от роста давления перед эжектором не линейный. Увеличение коэффициента эжекции СВД означает, что массогабаритные характеристики лазерного комплекса на базе заявляемого газодинамического тракта химического лазера с данной СВД, существенно улучшаются, так как СВД с системой хранения компонент для работы газогенератора, питающего эжектор, в значительной степени определяет массогабаритные характеристики всего лазерного комплекса.