Способ управления сверхзвуковой струей завесы аэродинамического окна для мощного лазера и аэродинамическое окно для его осуществления

Способ управления сверхзвуковой струей завесы аэродинамического окна для мощного лазера и аэродинамическое окно для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретения относятся к лазерной технике и могут быть использованы при создании аэродинамического окна (шлюза) для вывода в атмосферу лазерного излучения, например для HF химического лазера.

Известен способ управления сверхзвуковой струей завесы аэродинамического окна мощного лазера, реализованный в известных конструкциях аэродинамического окна (шлюза) (АО) [1. Патент США НКИ 331/94.5 №3973218, 1976 г. 2. AIAA Journal, 1973, v.11, №7, pp.943-949 "Supersonic Flow Aerodynamis Windows for Hign-Power Lasers"], содержащих следующие общие элементы: сверхзвуковое профилированное плоское сопло, создающее в апертуре окна сверхзвуковую струю завесы типа “свободного вихря” с заданным расходом и перепадом статических давлений, резонатор и сверхзвуковой диффузор. Сверхзвуковая струя образует завесу, в которой внешняя граница имеет высокое давление, а нижняя граница имеет низкое давление, равное давлению в резонаторе. В техническом решении [2] - прототипе вход выходного канала (диффузора) по ширине его нижней стенки, со стороны полости оптического резонатора, снабжен сверхзвуковым продувочным соплом, формирующим пристенную струю с давлением, равным низкому статическому давлению Р_-.

Недостатком известных конструкций АО и способа управления сверхзвуковой струей завесы является невозможность получения перепада давления более 50. Основная причина ограничения перепада состоит в трудности реализации эффективного торможения струи рабочего газа в диффузоре. Эти трудности прежде всего связаны со сложностями организации безотрывного течения вдоль внутренних стенок диффузора, а также с возникновением зон обратного тока и натеканием газа в полость низкого давления. В настоящее время для реализации большого перепада давления ставят вторую ступень, в завесе которой используется газ с более низким рабочим давлением, что в свою очередь ведет к необходимости использования вакуумной системы для выхлопа струи завесы. Реализация высокого перепада давления струи на одной ступени с выхлопом газа струи в атмосферу существенно сокращает массогабаритные и расходные характеристики и уменьшает оптические искажения, возникающие в струе завесы.

Задача изобретений - увеличение перепада давления на струе завесы АО до значения 100 и более и уменьшение возникающих в струе завесы оптических искажений.

Технический результат поставленной задачи достигается тем, что в способе управления сверхзвуковой струей завесы аэродинамического окна мощного лазера, заключающемся в создании струи завесы с требуемыми параметрами расхода и перепада статических давлений высокого Р₊ и низкого Р_- и в обеспечении безотрывного течения пограничных слоев в выходном канале путем формирования на входе выходного канала по ширине его нижней стенки пристенной продувочной сверхзвуковой струи со статическим давлением Р_-, предлагается дополнительно на входе выходного канала по ширине его верхней стенки сформировать пристенную продувочную сверхзвуковую струю со статическим давлением, составляющим (0,4-0,6) Р₊, а по высоте боковых стенок - сформировать пристенные продувочные сверхзвуковые струи с давлением (4-5) Р_-, при этом образовавшиеся вдоль боковых стенок апертурного канала пристенные течения промежуточного давления между Р₊ и Р_- локализовать в изолированных пристенных глухих полостях.

Технический результат поставленной задачи достигается также тем, что в аэродинамическом окне мощного лазера, содержащем сверхзвуковое профилированное плоское сопло, создающее в апертуре окна сверхзвуковую струю завесы, внешней границей высокого давления, расположенной со стороны атмосферы, а нижней границей низкого давления - со стороны полости оптического резонатора, и принимающий струю, плоский сверхзвуковой диффузор, снабженный на входе по ширине нижней стенки сверхзвуковым продувочным соплом, предлагается вход сверхзвукового диффузора дополнительно снабдить сверхзвуковыми продувочными соплами по ширине верхней стенки и высоте двух боковых стенок, а две боковые стенки апертурного канала снабдить пристенными полостями-карманами шириной Н≈ 5δ , где δ - характерная толщина пограничного слоя, и глубиной L>5D, где D - ширина апертуры окна, при этом кромка нижней стенки диффузора опущена на Δ ≥ β × D, где β =5° угол разворота струи от идеальной линии тока, а угол наклона нижней стенки диффузора α ≥ β +θ /2, где θ - угол разворота струи вдоль апертуры окна.

На фиг. 1 представлена схема аэродинамического окна для мощного лазера.

На фиг. 2 - схема струйного течения.

Аэродинамическое окно для мощного лазера (фиг.1) содержит сверхзвуковое профилированное плоское сопло 1, создающее в апертуре окна сверхзвуковую струю 2, оптический резонатор 3, плоский сверхзвуковой диффузор 4 со сверхзвуковыми продувочными соплами 5, 6, 7, пристенные полости-карманы 8 в апертурном канале и боковую стенку 9.

Способ управления сверхзвуковой струей завесы аэродинамического окна для мощного лазера с помощью предлагаемой конструкции аэродинамического окна реализуется следующим образом.

Сверхзвуковое профилированное плоское сопло 1, создает сверхзвуковую струю 2 типа “свободного вихря”. На внешней границе сверхзвуковой струи 2 реализуется низкая скорость λ₊ со статическим давлением Р₊=Р₀π(λ₊) (Р₀ - полное давление потока), равным атмосферному, на нижней границе струи со стороны полости оптического резонатора 3 поток разгоняется до высоких скоростей λ_- со статическим давлением Р_-=Р₀π(λ_-), равным внутрирезонаторному давлению. Перепад на струе определяется отношением давлений Р₊/Р_-=π(λ₊)/π (λ_-). Струя под действием перепада давления разворачивается на угол θ и закрывает апертуру, служащую для вывода излучения (фиг.2). Принимает струю сверхзвуковой плоский диффузор 4, снабженный на входе по периметру сверхзвуковыми соплами 5, 6, 7. Две боковые стенки апертурного канала снабжены пристенными полостями-карманами 8 шириной Н≈ 5δ , где δ - характерная толщина пограничного слоя, и глубиной L≥ 5D, где D - ширина апертуры окна. Продувочное сверхзвуковое сопло 5 имеет степень раскрытия 10-15 и выходное давление, равное давлению Р_- на срезе сверхзвукового сопла, для того чтобы угол встречи потоков не превышал 5-7° . Расход пристенной продувочной струи через сопло составляет 8-10% от основного расхода в струе завесы. Нижняя стенка диффузора 4 выполняется так, чтобы в него попадала струя завесы вместе со слоями смешения (не показаны). Так как слой смешения нарастает пропорционально длине, то линия тока, ограничивающая слой смешения получается из идеальной линии тока путем разворота на угол β =5° . Поэтому кромка диффузора опущена на Δ ≥ β × D от идеальной линии тока (фиг.2) Угол наклона стенки диффузора α определяется углом разворота потока и для удалении точки удара струи о стенку выбирается на 7-10° больше чем β +θ /2, т.е. α >β +θ /2. Сверхзвуковое продувочное сопло 6, установленное на входе выходного канала (диффузора) по ширине верхней стенки, посредством пристенной струи устраняет пульсации эжектируемого воздуха, обеспечивает безотрывное втекание внешнего воздуха в диффузор 4. Продувочное сверхзвуковое сопло 6 верхней стенки диффузора 4 имеет степень раскрытия 2-3 с выходным давлением (0,4-0,6)Р₊. Расход через сопло 6 составляет 5-10% от основного расхода в струе завесы. Эти меры обеспечивают запуск диффузора вместе с высокоперепадным соплом. Сверхзвуковые продувочные сопла 7 установлены по высоте двух боковых стенок диффузора 4 для сдува пограничного слоя. Сопла 7 имеют степень раскрытия 5-10 и выходное давление (4-5)Р_-. Для устранения (локализации) пристенного течения промежуточного давления между Р₊ и Р_- со стороны низкого давления на двух боковых стенках апертурного канала размещены полости-карманы 8 (фиг. 1). Ширина кармана Н≈ 5δ , где δ - характерная толщина пограничного слоя, глубина полости-кармана L>5D, где D - ширина апертуры окна. Получаемые пристенные продувочные струи позволяют получить струю завесы с перепадом 100 и более, т.к. полностью устраняют натекание вдоль боковых стенок.

1. Способ управления сверхзвуковой струей завесы аэродинамического окна мощного лазера, заключающийся в создании струи завесы с требуемыми параметрами расхода и перепада статических давлений, высокого Р₊ и низкого Р_-, и в обеспечении безотрывного течения пограничных слоев в выходном канале путем формирования на входе выходного канала по ширине его нижней стенки пристенной продувочной сверхзвуковой струи со статическим давлением Р_-, отличающийся тем, что дополнительно на входе выходного канала по ширине его верхней стенки формируется пристенная продувочная сверхзвуковая струя с давлением, составляющим (0,4-0,6)Р₊, а по высоте его боковых стенок - пристенные продувочные сверхзвуковые струи с давлением, составляющим (4-5)Р_-, при этом образовавшиеся вдоль боковых стенок апертурного канала пристенные течения промежуточного давления между Р₊ и Р_- локализуются в пристенных полостях.

2. Аэродинамическое окно мощного лазера, содержащее сверхзвуковое профилированное плоское сопло, создающее в апертуре окна сверхзвуковую струю завесы, внешней границей высокого давления расположенной со стороны атмосферы, а нижней границей низкого давления - со стороны полости оптического резонатора, и принимающий струю плоский диффузор, снабженный на входе по ширине нижней стенки сверхзвуковым продувочным соплом, отличающееся тем, что вход диффузора дополнительно снабжен сверхзвуковыми продувочными соплами по ширине верхней стенки и по высоте двух боковых стенок, а две боковые стенки апертурного канала снабжены пристенными полостями-карманами шириной Н≈5δ, где δ - характерная толщина пограничного слоя, и глубиной L>5D, где D - ширина апертуры окна, при этом кромка нижней стенки диффузора опущена на Δ≥β×D, где β=5° - угол разворота струи от идеальной линии тока, а угол наклона нижней стенки диффузора α≥β+θ/2, где θ - угол разворота струи вдоль апертуры окна.