Способ получения окислительного газа в сверхзвуковом химическом hf/df-лазере

Способ получения окислительного газа в сверхзвуковом химическом hf/df-лазере

Реферат

Изобретение относится к лазерной технике и связано с разработкой сверхзвуковых газовых лазеров непрерывного действия с проточной активной средой на рабочих молекулах фтористого водорода (HP) и фтористого дейтерия (DF).

В лазерах этого типа активная среда создается в процессе смешения формируемых с помощью соплового блока струй окислительного газа (содержащих атомы фтора) и вторичного горючего (молекул водорода или дейтерия) с последующим инициированием химической реакции накачки F + Н₂ → HF(v) + Н либо F + D₂ → DF(v) + D в полости оптического резонатора (где HF(v) и DF(v) - молекулы продуктов реакции в колебательном возбужденном состоянии; v - колебательное квантовое число). Свойства активной среды во многом определяются свойствами окислительного газа, который должен содержать максимальное количество атомов фтора (выполняющих роль активных центров при инициировании химических реакций накачки), минимальное количество побочных продуктов (являющихся дезактиваторами рабочих молекул HF(v) и DF(v)) и обладать возможно более низкой температурой (для снижения скорости релаксации рабочих молекул в активной зоне и улучшения условий для создания инверсии). Окислительный газ получают в специальном газогенераторе.

Известны различные способы получения окислительного газа. Один из них предполагает использование внешнего источника энергии (обычно дугового разряда). В этом случае газогенератором является плазмотрон с камерой смешения [Sontag A., Joeckle R. Arc driven supersonic cw HF chemical laser//Proc. SPIE. 1992. V.1810. P.286-289]. В плазмотрон поступает газ-носитель (гелий или азот), который подвергается нагреву в электрической дуге до температуры 3000 - 4000 К. В камере смешения газ-носитель смешивается с фторсодержащим соединением (F₂, SF₆, NF₃), которое под действием высокой температуры диссоциирует с образованием атомов фтора и побочных продуктов (их состав зависит от типа фторсодержащего соединения). Температура окислительного газа регулируется введением в камеру смешения дополнительного количества газа-носителя. Способ получения окислительного газа с помощью внешнего источника энергии прост и обеспечивает минимальное количество побочных продуктов.

Главный его недостаток - высокая энергоемкость, что создает проблемы при применении в лазерах большой мощности (особенно для мобильных систем).

Другой (традиционный) способ получения окислительного газа предполагает использование вспомогательной экзотермической химической реакции, которая проводится в газогенераторе [Schulman E.R., Burwell W.G., Meinzer R.A. Design and operation of medium power cw HF/DF chemical laser//AIAA Paper. 1974. №546]. Этот способ не требует внешнего источника энергии и поэтому является автономным. Газогенератор представляет собой камеру сгорания, в которую через смесительную головку той или иной конструкции подается исходная топливная композиция, включающая первичное горючее, фторсодержащий окислитель и инертный разбавитель. Соотношение расходов окислителя и первичного горючего, поступающих в камеру сгорания, устанавливается выше стехиометрического. При выполнении этого условия избыточный свободный фтор, содержащийся в составе продуктов сгорания топлива (которые и представляют собой окислительный газ), будет полностью или частично диссоциирован вследствие повышения температуры смеси (до Т=1800-2000 К) за счет тепла, выделяющегося в процессе горения.

Известно [Ребонэ В.К., Ротинян М.А., Федоров И.А. Способ определения оптимального химического состава топлива в генераторах атомарного фтора непрерывных химических HF/DF-лазеров автономного типа//Квантовая электроника. 1996. Т.23. №8. С. 707-710], что фактором, оказывающим наиболее сильное влияние на эффективность работы HF/DF-лазера, является поступательная температура активной среды, рост которой выше Т=600-650 К подавляет инверсию и вызывает срыв генерации излучения. Следовательно, для поддержания инверсии на достаточном уровне в течение более продолжительного времени необходимо понижать поступательную температуру активной среды, причем таким образом, чтобы потери атомов фтора вследствие их рекомбинации были минимальными. С этой целью в окислительный газ добавляют определенное количество инертного разбавителя (гелия или азота), выполняющего функцию теплового балласта. Если этого не делать, то химическая реакция накачки, протекающая с выделением большого количества тепла, приведет к сильному нагреву смеси, следствием которого может быть резкое снижение коэффициента усиления и даже тепловое запирание газового потока (переход режима течения от сверхзвукового к дозвуковому). При традиционном способе получения окислительного газа весь инертный разбавитель (обычно гелий) подают в камеру сгорания, откуда он (нагретый до температуры диссоциации фторсодержащего окислителя) транспортируется по соплу окислительного газа в полость оптического резонатора в смеси с атомами фтора и продуктами сгорания. К недостаткам такого способа следует отнести, во-первых, нагрев всего инертного разбавителя до температуры диссоциации фторсодержащего окислителя, что требует фактически бесполезного расхода части исходных компонентов и сопровождается наработкой дополнительного количества дезактиваторов - невозбужденных молекул DF(0) или HF(0). Во-вторых, нагретый до высокой температуры инертный разбавитель, поступив в активную зону, менее эффективно выполняет функцию теплового балласта.

Более эффективным является снижение температуры активной среды посредством подачи дополнительного количества холодного инертного разбавителя непосредственно в зону протекания химической реакции накачки (после камеры сгорания) между струями окислительного газа и вторичного горючего [патент РФ №2030825, МКИ H 01 S 3/22. Публ. 10.05.95 г.]. Действительно, если вводить и дополнительный разбавитель в камеру сгорания, то для сохранения высокой (Т=1800-2000 К) температуры продуктов сгорания, образующихся в ходе вспомогательной химической реакции фторсодержащего окислителя с первичным горючим, необходимой для диссоциации избытка окислителя, придется израсходовать большее их количество. Это приведет к уменьшению относительной доли используемого в реакции накачки свободного фтора, к наработке дополнительного количества активных дезактиваторов рабочих молекул и, следовательно, к падению энергетических характеристик лазера. Дополнительный же разбавитель снижает поступательную температуру активной среды непосредственно в зоне генерации лазерного излучения, что оказывает благотворное влияние на энергетические характеристики лазера. Однако реализация этого способа приводит к усложнению конструкции соплового блока (за счет устройства для подачи дополнительного инертного разбавителя), а сам дополнительный инертный разбавитель не в полной мере удается использовать в качестве теплового балласта для снижения температуры окислительного газа, поскольку часть гелия за счет диффузии смешивается с холодным вторичным горючим.

В способе получения окислительного газа, выбранном за прототип и описанном в [патент США №4650416, МКИ F 23 R 1/06. Публ. 17.03.87 г.], использован принцип двухстадийного горения. Согласно этому принципу струи фторсодержащего окислителя и первичного горючего подаются в камеру сгорания через тройную инжекционную систему, смешиваются и сгорают в отсутствие инертного разбавителя, а затем продукты реакции смешиваются с последним, который подается через двойную инжекционную систему в ту же камеру сгорания, но ниже зоны горения. При этом в качестве фторсодержащего окислителя используется трифторид азота (NF₃), а в качестве первичного горючего - дейтерий (D₂). В первой стадии процесса в камере сгорания образуется высокотемпературная смесь продуктов сгорания топлива NF₃ + D₂ - (N₂, DF, F) при температуре Т=2000-2100 К, соответствующей температуре полной диссоциации NF₃. На второй стадии процесса эту температуру снижают в камере сгорания до уровня Т=1240-1500 К за счет подмешивания инертного разбавителя - гелия (Не) и получают окислительный газ - равновесную смесь, содержащую (наряду с указанными выше продуктами сгорания) еще и молекулы фтора (F₂). Последние появляются в результате равновесной рекомбинации атомов фтора при понижении температуры смеси в камере сгорания. Причем количество молекулярного фтора составляет почти 40% от количества всего свободного фтора, поступающего в зону формирования активной среды. Для HF-лазера, работающего на “холодной” реакции накачки F + Н₂ → HF(v) + Н, такая ситуация недопустима, поскольку ведет к существенному снижению его энергетической эффективности.

К основным недостаткам способа получения окислительного газа, предложенного в прототипе, следует отнести, во-первых, узкую область применения. Эта область ограничена использованием фторсодержащих окислителей, температура равновесной диссоциации которых существенно выше температуры равновесной диссоциации молекулярного фтора. Поэтому эффективность такого способа определяется, по-существу, разницей температур равновесной диссоциации фторсодержащего окислителя (Т_дисс=2000-2100 К для NF₃) и равновесной рекомбинации атомов фтора (Т_рек=1500-1600 К). Во-вторых, это наличие больших потерь атомов фтора, которые в условиях химического равновесия (при температуре окислительного газа, меньшей температуры рекомбинации атомов фтора) практически компенсируют выигрыш в мощности лазера, достигаемый в результате снижения температуры окислительного газа.

Задачей настоящего изобретения является повышение энергетических характеристик сверхзвукового химического HF/DF-лазера непрерывного действия (его выходной мощности и удельного энергосъема).

Сущность изобретения заключается в том, что приготовленная в газогенераторе высокотемпературная смесь продуктов сгорания (содержащая атомы фтора) и холодный инертный разбавитель в количестве не менее 50% объемных от всего количества инертного разбавителя, используемого в лазере, подаются во входные части окислительных сопел и смешиваются в этих соплах в виде отдельных струй.

Предлагаемый способ получения окислительного газа обеспечивает следующие преимущества: 1) уменьшение количества первичных компонентов топлива, необходимого для наработки одного грамма атомарного фтора, вследствие исключения затрат выделяющейся в ходе вспомогательной химической реакции энергии на нагрев инертного разбавителя, который поступает во входные части окислительных сопел холодным (увеличение полезной для генерации лазерного излучения доли энергии); 2) снижение температуры окислительного газа в соплах (и соответственно в активной среде) за счет подмешивания к нему холодного инертного разбавителя (что способствует росту энергетических характеристик лазера) при сохранении концентрации атомов фтора в окислительном газе; 3) рост абсолютной мощности лазерного излучения в результате существенного (примерно в два раза) увеличения количества атомарного фтора при работе лазера в режиме постоянных температуры и давления вследствие влияния факторов 1) и 2); 4) рост удельного энергосъема лазера в результате увеличения скорости диффузионного смешения потоков окислительного газа и вторичного горючего в полости оптического резонатора и снижения влияния релаксационных процессов, вызванное снижением давления в газогенераторе (и, соответственно, в активной зоне) при работе лазера в режиме постоянных температуры и массового расхода атомарного фтора вследствие влияния факторов 1) и 2); 5) уменьшение относительной концентрации дезактиваторов рабочих молекул.

На чертеже показано устройство, с помощью которого реализуется предлагаемый способ получения окислительного газа. Оно состоит из газогенератора 1 и соплового блока 2, который представляет собой решетку щелевых сверхзвуковых окислительных сопел 3. Для впрыска холодного инертного разбавителя в тракте между камерой сгорания газогенератора 1 и входными частями окислительных сопел 3 размещен специальный инжектор 4. Для ввода вторичного горючего предназначен коллектор, состоящий из перфорированных отверстиями малого диаметра трубок 5, которые закреплены на кромках сопел 3.

Способ осуществляется следующим образом. В камеру сгорания газогенератора 1 через смесительную головку той или иной конструкции непрерывно подаются первичные компоненты топлива - окислитель (фторсодержащее соединение), первичное горючее (например, дейтерий или водород) и инертный разбавитель (гелий). В камере сгорания первичные компоненты вступают во вспомогательную химическую реакцию (реакцию инициирования) в присутствии уменьшенного (по отношению к необходимому для эффективной работы лазера) количества инертного разбавителя. Образующаяся в результате химической реакции высокотемпературная смесь продуктов сгорания (содержащая атомы фтора, молекулы фтористого дейтерия или фтористого водорода и гелия) поступает на вход соплового блока 2, где вступает в контакт с холодным инертным разбавителем (молекулами гелия) и далее смешивается с ним в полостях окислительных сопел 3, которые выполняют роль сверхзвуковых камер смешения. Таким образом, в дозвуковые части окислительных сопел 3 поступают два потока: 1) равновесная смесь перемешанных продуктов сгорания (F, DF или HF и часть молекул Не) при высокой температуре Т=1500-1600К из газогенератора 1 и 2) холодный инертный разбавитель (молекулы Не*) при низкой температуре Т ~ 300 К из специального инжектора 4. Течение в полости каждого окислительного сопла 3, сопровождающееся смешением этих двух потоков, носит химически неравновесный характер [Бассина И.А., Дорот В.Л., Стрелец М.Х. Расчет пограничного слоя в сопле непрерывно действующего сверхзвукового химического лазера // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1979. №3. С. 120-126]. Следовательно, концентрация атомов фтора остается практически неизменной, количество первичных компонентов, необходимое для наработки одного грамма атомарного фтора, уменьшается, а в результате смешения потоков в соплах температура окислительного газа еще более понижается, что должно способствовать понижению температуры активной среды и росту энергетических характеристик лазера.

Экспериментальная проверка предлагаемого изобретения проводилась на стендовой установке, включавшей устройство (модель HF-лазера), состав которого изображен на чертеже, системы подачи рабочих компонентов топлива (F₂, D₂, Н₂, Не) и регистрации режимных параметров, а также оптический измерительный комплекс. В тракте между камерой сгорания газогенератора 1 и входными частями окислительных сопел 3 размещен специальный инжектор 4 в виде перфорированной отверстиями диаметром 0,5 мм трубки из нержавеющей стали диаметром 6 мм, предназначенной для впрыска в каждое сопло 3 шириной 3 мм холодного инертного разбавителя (молекул Не*). Отверстия размещены в три ряда (расстояние между рядами 1,3 мм) с шагом (в каждом ряду) 5 мм, соответствующим шагу сопел (инжектор содержит 108 отверстий). Угол между осями двух смежных отверстий равен 25°. Расстояние от плоскости выходных сечений отверстий центрального ряда до плоскости критических сечений сопел составляет 4,5 мм. Вторичное горючее (молекулы Н₂) подается через накладной коллектор, образованный 37-ю трубками-инжекторами 5 наружным диаметром 2 мм, которые перфорированы отверстиями диаметром 0,35 мм (каждая трубка содержит 20 отверстий). Отверстия размещены в шахматном порядке с шагом 4 мм. Трубки-инжекторы закреплены на кромках сопел 3; оси отверстий составляют угол 20° к направлению потока окислительного газа (смеси F + Не + DF + Не*), истекающего из окислительных сопел 3. Размер выходного сечения соплового блока 180×39 мм².

Экспериментальная проверка дала следующие результаты. Во-первых, при подаче во входные части окислительных сопел холодного инертного разбавителя в количестве выше 50% объемных от всего количества инертного разбавителя, используемого в лазере, мощность лазерного излучения возрастает в 1,7 раза (от 3,2 до 5,4 кВт) при работе лазера в режиме постоянных давления и температуры и в 1,1 раза (от 4,6 до 5,1 кВт) при работе лазера в режиме постоянных температуры и массового расхода атомарного фтора с одновременным увеличением удельного энергосъема в 1,35 раза (от 147 до 198 Дж/г). Во-вторых, количество фторсодержащего окислителя (молекулярного фтора), необходимое для наработки одного грамма атомарного фтора, снижается в 1,8 раза, первичного горючего (дейтерия) - в три раза и, соответственно, фтористого дейтерия (дезактиватора рабочих молекул HF(v)) - также в три раза.

Использование предлагаемого способа получения окислительного газа при оптимизации конструкции устройства позволяет при одинаковых температуре и давлении в газогенераторе поднять мощность лазерного излучения в 2 -3 раза, а удельный энергосъем - в 1,6-2,5 раза.

Способ получения окислительного газа в сверхзвуковом химическом HF/DF-лазере непрерывного действия, включающий непрерывную подачу в камеру сгорания газогенератора фторсодержащего окислителя, горючего и инертного разбавителя для получения высокотемпературной смеси, содержащей атомы фтора, отличающийся тем, что полученную в камере сгорания газогенератора высокотемпературную смесь и холодный инертный разбавитель в количестве не менее 50 об.% от всего количества инертного разбавителя, используемого в лазере, подают во входные части окислительных сопел и смешивают в полостях этих сопел в виде отдельных струй.