Способ смешения газов в лазере со сверхзвуковым потоком и устройство для его осуществления

Способ смешения газов в лазере со сверхзвуковым потоком и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область применения.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в сверхзвуковых газовых лазерах смесевого типа, в частности газодинамическом и химическом лазерах.

Уровень техники.

КПД сверхзвукового газового лазера смесевого типа в значительной мере определяется эффективностью передачи лазерной энергии, запасенной молекулами энергонесущего газа, молекулам излучающего газа лазера в процессе смешения газов и потерями энергии в этом процессе. В идеальном, с точки зрения получения максимального КПД лазера, случае было бы желательно обеспечить отсутствие смешения газовых потоков до оптического резонатора лазера и их однородное мгновенное перемешивание непосредственно перед самим резонатором. В этом случае потери лазерной энергии были бы связаны в основном с потерями при транспортировке энергонесущего газа, которые можно свести к минимуму, уменьшая время транспортировки и давление газа. На практике процесс смешения газов с передачей энергии от молекул энергонесущего газа излучающим молекулам занимает конечное время. За это время происходит уменьшение запасенной лазерной энергии за счет дезактивации молекул энергонесущего газа. Интенсивность процесса дезактивации увеличивается с ростом статического давления и температуры газа вследствие частичного восстановления параметров торможения в зоне смешения. Степень восстановления статического давления и температуры определяется долей энергии газового потока, переходящей в поступательные степени свободы газа вследствие диссипации энергии, а также интенсивностью газодинамических возмущений, возникающих в процессе смешения. С другой стороны, максимальная эффективность использования лазерной энергии, запасенной молекулами энергонесущего газа, обеспечивается только при условии однородного перемешивания излучающего и энергонесущего газов. Это условие выполняется при такой длине зоны смешения, на которой происходит практически полное взаимное проникновение смешиваемых газов, т.е. смыкание смесевых пограничных слоев, образующихся на границах смешиваемых струй. Очевидно, что запасенная энергия той части потока энергонесущего газа, которая не будет перемешана с излучающим газом на молекулярном уровне с передачей энергии между молекулами, не сможет быть использована в лазере и будет бесполезно удалена в систему выхлопа, что приведет к снижению КПД лазера.

Исходя из выше сказанного, основными требованиями, предъявляемыми к системе смешения газов в сверхзвуковом лазере смесевого типа, являются высокая однородность смешения лазерных компонент, минимальные потери запасенной лазерной энергии и минимальный уровень газодинамических возмущений (скачков уплотнения) при смешении газов. Для газовых лазеров со сверхзвуковым потоком можно сформулировать и еще одно достаточно очевидное требование. Для уменьшения затрат на выхлоп отработанного газа в атмосферу (что повышает технический КПД лазера) желательно, чтобы система смешения газов обеспечивала максимально возможное восстановленное давление отработанного газа в сверхзвуковом диффузоре. По-видимому, для лазеров с химически не реагирующими смешиваемыми потоками, например газодинамических, этих требований достаточно. Для лазеров с химически реагирующими потоками картина смешения газов существенно усложняется, поскольку на процесс смешения газовых компонент накладывается кинетический процесс образования излучающих атомов или молекул, происходящий с отбором или выделением тепла. В этом случае параметры газа в зоне смешения (давление, температура, концентрации реагирующих компонент) должны отвечать условиям прохождения химической реакции, геометрия зоны смешения должна учитывать возможное дополнительное энерговыделение, а время пребывания реагирующих газов в зоне смешения должно быть достаточным для образования необходимой для эффективной работы лазера концентрации излучающих молекул или атомов. В общем случае, оптимальные условия для сохранения лазерной энергии, запасенной энергонесущим газом, и для осуществления эффективной химической реакции между смешиваемыми компонентами могут противоречить друг другу, что требует определения приемлемых компромиссных условий. В результате процесс смешения газов в сверхзвуковом химическом лазере становится чрезвычайно сложным и неоднозначным.

Рассмотрим процесс оптимизации смешения химически реагирующих потоков на примере сверхзвукового химического кислород-йодного лазера (КИЛ) [1]. Источником энергии в химическом КИЛ является химическая реакция между газообразным хлором и щелочным раствором перекиси водорода. В результате нее производится почти 100% синглетного кислорода, т.е. кислорода, возбужденного на первый электронный уровень в состояния О₂(¹Δ) и О₂(¹∑). Синглетный кислород получается в результате экзотермической реакции между газообразным хлором и щелочным раствором перекиси водорода. Затем возбужденный кислород используется для диссоциации небольшого количества I₂(Х) [I₂[I₂/O₂≤0.01] в реакции, которая протекает по следующему обобщенному уравнению:

где n=(3-5). Таким образом, на диссоциацию молекулярного йода расходуется до 5% возбужденного синглетного кислорода.

После того как молекулярный йод диссоциирован, электронная энергия, сосредоточенная в синглетном кислороде О₂(¹Δ), резонансно передается атомам йода, переводя их в электронно-возбужденное состояние:

ΔH₇=-279 см^-1,

k₇=7,6·10^-11 см³/молекул/с,

, T - температура газа.

Возбужденное состояние молекулы кислорода О₂(¹Δ) является метастабильным. Радиационное время жизни O₂(¹Δ) составляет 45 минут. Это обстоятельство в сочетании с малой вероятностью тушения синглетного кислорода на стенках и примесях позволяет транспортировать его достаточно далеко от места образования. Основные процессы тушения синглетного кислорода - это слияние двух молекул синглетного кислорода О₂(¹Δ) (реакция пуллинга), приводящее к образованию двух молекул в состояниях О₂(¹∑) и O₂(³∑); тушение на парах воды, излучающей компоненты [I(²Р_3/2)], и потери возбужденного молекулярного йода [I₂ ^*(X)] на промежуточных стадиях его диссоциации. Исходя из выше приведенного механизма потерь энергии, концентрация паров воды в рабочей лазерной смеси не должна превышать определенного предела по отношению к концентрации синглетного кислорода.

В оптическом резонаторе запасенная газом электронная энергия преобразуется в лазерное излучение с длиной волны λ=1,315 мкм в соответствии с выражением:

Один грамм-моль синглетного кислорода, получаемый в генераторе синглетного кислорода (ГСК) при реакции газообразного хлора со щелочным раствором перекиси водорода со 100% вероятностью, содержит 1,5·10^-19 (Дж) ·6·10²³ (частиц)=90000 (Дж) запасенной лазерной энергии. Для обозначения КПД химического кислород-йодного лазера обычно используют термин "химическая эффективность", под которым понимают отношение числа квантов лазерного излучения, выведенных из оптического резонатора лазера, к числу молекул хлора, поступивших в ГСК.

Для химического КИЛ природа формирования активной среды смешением синглетного кислорода (СК) с молекулярным йодом и его последующей диссоциацией накладывает строгие требования на характеристики потока энергонесущего газа и на геометрию зоны смешения. Широко применяют так называемый "классический" подход, который использует дозвуковое смешение и диссоциацию молекулярного йода в среде СК с высоким разбавлением буферным газом (Cl₂:He=1:4) [2]. Эту активную среду затем расширяют в сверхзвуковом сопле с понижением температуры для уменьшения порогового значения СК, необходимого для создания инверсии населенности и генерации лазерного излучения. Химическая эффективность такого лазера широко изучалась (см., например, [3, 4]) и достигает уровня 25-27%. В лазерных устройствах такого типа содержание буферного газа (Не) в потоке, поступающем из генератора синглетного кислорода (ГСК), обычно намного выше, чем кислорода. Поэтому число Маха лазерного газа или температура торможения в значительной степени определяется потоком буферного газа. Из-за сложного взаимодействия рабочего раствора и потока Cl₂/He возможность повышения давления торможения в ГСК пленочного или струйного типа весьма ограничена. В лазере, работавшем с пленочным генератором, удалось повысить полное давление до 100 Торр при высоком разбавлении хлора гелием (1:6). Однако высокая плотность газа в реакционной зоне ГСК вызывает удаление большого количества аэрозоля рабочего раствора в газовый тракт лазера и тем самым ограничивает возможности достижения высокого восстановленного давления [4]. Повышение восстановленного давления может также достигаться повышением давления торможения инжектируемого газа, т.е. I₂/He. В то же время, давление торможения инжектируемого газа можно повышать до определенных пределов, т.к. I₂/He инжектируется через множество отверстий, в которых скорость потока ограничена скоростью звука. Один из недостатков использования гелия в качестве буферного газа - низкое давление торможения смешанного газового потока из-за низкой кинетической энергии газообразного гелия. Из-за низкой молекулярной массы высокоскоростной газообразный гелий не может эффективно передавать свой импульс низкоскоростному потоку кислорода, поступающему из ГСК. Молекулярный вес азота в 7 раз больше, чем у гелия, поэтому кинетическая энергия потока N₂ ожидается более высокой, чем у гелия. По этой причине, а также из-за невысокой стоимости, азот - наиболее привлекательный заменитель гелия [4-6]. При использовании азота "классическая" дозвуковая схема смешения становится далеко не оптимальной. Замещение легкого гелия тяжелым азотом понижает почти в три раза скорость звука и требует смещения зоны инжекции йода к критическому сечению. Так как локальная концентрация I₂ в дозвуковой части потока может быть близка к концентрации О₂(¹Δ) (и намного выше, чем ее среднее значение после полного смешения), основные потери O₂(¹Δ) во время диссоциации I₂ имеют место в области высоких давлений сопла (т.е. преимущественно в дозвуковой части). Эта схема гарантирует высокую скорость диссоциации I₂, которая является желательной, но высокие местные концентрации I₂ и J^* ускоряют процессы дезактивации в активной среде, приводят к нагреву среды и уменьшают КПД лазера [6].

Одним из возможных путей повышения химической эффективности КИЛ является перенос инжекции излучающего газа в сверхзвуковую область сопла. При этом можно ожидать уменьшения потерь запасенной лазерной энергии за счет уменьшения статического давления газового потока в области смешения по сравнению с "классической" схемой. Один из примеров практической реализации данного подхода осуществлен в плоском сверхзвуковом сопле (М=2, h*=5 мм) при инжекции струй излучающего газа под различными углами к направлению потока энергонесущенго газа через отверстия в расширяющихся стенках сверхзвукового сопла [7]. При давлении торможения энергонесущего газа 14 Торр (Cl₂:N₂=l:2) и инжекции струй под углом 45 градусов получена химическая эффективность КИЛ 32.7%, которая на настоящее время является самой высокой из представленных в литературе. Такая схема смешения газов ранее подробно изучалась применительно к газодинамическому лазеру (ГДЛ) [8, 9]. К сожалению, в этой схеме смешения газодинамические возмущения сверхзвукового потока, связанные с инжекцией струй излучающего газа под большими углами к направлению движения основного потока, очень велики, что приводит к резкому снижению КПД лазера при повышении давления торможения основного потока. По этой причине возможности повышения восстановленного давления за счет увеличения давлений торможения смешиваемых газов в данной схеме очень ограничены.

Для того, чтобы одновременно получить высокое восстановленное давление и высокую химическую эффективность лазера было предложено использовать отдельные сопла для инжекции буферного газа - азота с высокими числами Маха (М=3.5-4.5) при одновременно высоком давлении торможения (500-700 кПа). Вместе с буферным газом подается молекулярный йод. Энергонесущий газ при этом расширяется через свои отдельные сопла. Этот подход позволяет генератору кислорода работать с чистым хлором (без буферного газа) и вынести процесс восстановления давления из генератора кислорода. Кинетическая энергия вторичного буферного газа при этом значительно больше, чем кинетическая энергия кислорода, поэтому восстановленное давление смешанного газового потока в основном определяется вторичным потоком [5, 6]. Фактически, в таком подходе используется схема смешения, типичная для эжекторных систем, в которых поток высоконапорного газа (азота) обеспечивает движение потока низконапорного газа (кислорода) [10]. Соответственно, сопловые устройства лазеров, в которых для смешения газов используется данная схема, получили в литературе название "эжекторных" [11].

Инжекция йода в азотном сопле позволяет избежать нежелательных потерь, возникающих при его инжекции в сопло кислорода, и улучшить химическую эффективность лазера. В этом подходе используется комбинированное смешение параллельных сверхзвуковых струй чистого кислорода со смесью азота и йода. Струйное смешение при сверхзвуковых скоростях и низком давлении значительно уменьшает температуру в области оптического резонатора, что в свою очередь снижает пороговое значение синглетного кислорода, необходимое для получения лазерной генерации, и увеличивает КПД лазера. К сожалению, параллельное смешение при высоких сверхзвуковых скоростях и низком давлении очень неэффективно. При высоких числах Маха и низких числах Рейнольдса неустойчивости в смешиваемом потоке развиваются медленно. Для полного параллельного смешения потоков кислород-йод/азот требуются очень большие расстояния. На большом расстоянии сильно увеличивается толщина пограничного слоя и значительно снижается содержание синглетного кислорода. Один из способов закончить смешение на коротком расстоянии состоит в уменьшении размеров сопла. При уменьшении размеров сопла расстояние между центральными линиями (продольными осями) каждого сопла также уменьшается. Однако подсчитано, что для завершения смешения требуется чрезвычайно маленький размер сопла. Кроме того, влияние вязкости из-за маленького размера сопла становится очень сильным, развитие пограничных слоев и потери давления торможения, в конечном счете, приведут к торможению газового потока, высокой статической температуре и, следовательно, к понижению КПД лазера. Потенциальные возможности восстановления давления также значительно уменьшатся. Поэтому этот подход непрактичен и должны быть использованы другие технические решения.

Для того чтобы повысить низкую по своей сути скорость смешения в параллельных смешиваемых слоях была предложена усовершенствованная концепция смешения [12]. Для построения КИЛ с низкими потерями синглетного кислорода и высоким восстановленным давлением кислород инжектируется в зону смешения через мелкомасштабные звуковые сопла со звуковой скоростью при статическом давлении, составляющем примерно половину от его давления торможения. Сопла для вторичного буферного азота, смешанного с молекулярным йодом, спрофилированы для получения числа Маха порядка 5 и выше. Давление торможения вторичного буферного газа должно иметь, соответственно, большое значение, чтобы обеспечить равенство статического давления на выходе сопла статическому давлению потока кислорода. Как указывалось выше, естественные неустойчивости в газовом потоке низкого давления трудно развиваются и скорость нарастания смесевого слоя является небольшой при течении параллельных потоков с высоким числом Маха, поэтому необходимо как-то интенсифицировать процесс смешения. Было предложено для улучшения смешения использовать набор триммеров, монтируемых в выходном сечении сопла, для генерации структурированных и направленных по потоку завихрений (т.е. увеличения степени турбулизации газового потока). Расстояние между триммерами выбрано таким же, как и ширина триммера. Толщина триммера равна толщине выходной кромки сопла. Триммер установлен под углом приблизительно 11° к направлению движения потока. Этот угол приблизительно равен углу Маха при числе Маха набегающего потока равном М=5. Были исследованы две различные конфигурации триммеров. В одной конфигурации использовались маленькие триммеры, которые имели следующие размеры: ширина - 0.163 см и длина - 0.44 см. При высоте сопла 4 см 13 триммеров устанавливалось на одной стороне и 12 на другой стороне сопла. В другой конфигурации использовались большие триммеры с шириной 0.254 см и длиной 0.777 см. Степень запирания триммерами потока была для маленьких триммеров - 20%, для больших триммеров - 27%. Для оценки эффективности смешения для этих двух сборок триммеров с помощью трехмерных CFD кодов были выполнены численные расчеты, которые показали, что размер зоны смешения получается значительно больше, чем при смешении без использования триммеров, но характер смешения очень неравномерный. Оказалось, что начальные завихрения, производимые маленькими триммерами, локализуются около стенки азотного сопла. Эти завихрения легко распространяются в сторону низкоскоростного потока кислорода и с трудом в сторону высокоскоростного потока азота, т.е. маленькие триммеры имеют тенденцию погашать силу вихря и уменьшать захват потока. Для больших триммеров зона смешения распространяется вплоть до середины азотного сопла, и на расстоянии около 20 см начала зоны смешения распределение концентрации азота получается практически равномерным. Для больших триммеров по сравнению с маленькими в дополнение к улучшенной однородности получается более низкая статическая температура перемешанного газового потока, что является чрезвычайно выгодным для кинетики КИЛ, его оптимальной накачки и получаемого КПД. Проведенные модельные эксперименты показали, что использование предложенной концепции смешения позволяет получить в КИЛ восстановленное давление около 100 Торр [12] при максимальной химической эффективности лазера 25% [13]. Получение относительно невысокой эффективности КИЛ связано, по-видимому, с большой длиной зоны смешения компонентов рабочей газовой смеси, из-за чего увеличились потери запасенной в синглетном кислороде лазерной энергии. Если же дополнительно предъявить высокие требования к оптическому качеству рабочей среды, то расстояние от соплового блока до резонатора лазера будет необходимо выбрать порядка 100 характерных масштабов смешения (˜50 см) [14], что приведет к еще большему снижению КПД лазера. К недостаткам предложенной схемы смешения следует также отнести большое количество азота, которое необходимо использовать для работы лазера (Cl₂:N₂=1:5).

Дополнительная турбулизация потока в описанной выше концепции смешения газов может быть также осуществлена с помощью эжекции в поток высоконапорных струй газа (например, азота) [15]. Сопловой блок, реализующий данный подход, содержит щелевые звуковые сопла для подачи низконапорного потока кислорода, цилиндрические сопла для подачи низконапорной смеси молекулярного йода с газом носителем (азотом) и цилиндрические сопла для подачи высоконапорного чистого азота. Такой сопловой блок позволяет создать активную сверхзвуковую среду КИЛ с числом Маха 2.5-2.6, в которой полное давление существенно превышает давление кислорода в ГСК. Как показали исследования с помощью метода лазерной индуцированной флюоресценции для решетки сопл с характерным масштабом смешения 6.5 мм, полное перемешивание потоков и окончание диссоциации йода наступало практически одновременно на расстоянии всего 50-60 мм от среза соплового блока. С помощью такого соплового блока при отношении расходов низконапорного кислорода и высоконапорного азота 1:13.5 удалось получить восстановленное давление в газовом потоке около 90 Торр [11]. Максимальная химическая эффективность лазера составила 19.7% (O₂:N₂≅1:10) [15]. Использованная схема смешения, в которой сверхзвуковой поток формируется при свободном расширении звуковых газовых струй в вакуум, обладает неустранимым внутренним противоречием. Для увеличения восстановленного давления необходимо увеличивать давление высоконапорного азота, однако при этом увеличивается статическое давление и время пребывания рабочей смеси газов в области дозвукового течения, что увеличивает релаксационные потери запасенной в синглетном кислороде лазерной энергии и снижает КПД лазера.

Подводя итог сделанному обзору известных технических решений применительно к КИЛ, можно сделать вывод, что лазеры, обладающие максимальной химической эффективностью, не обеспечивают максимального восстановленного давления, и наоборот, лазеры, обладающие максимальным восстановленным давлением, не обеспечивают максимальную химическую эффективность.

Во ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" разработан и успешно развивается другой подход к решению этой проблемы, основанный на использовании генератора синглетного кислорода высокого давления и параллельной (спутной) системы смешения синглетного кислорода и йода в сверхзвуковом сопле [16, 17, 21]. В этом подходе высокое восстановленное давление обеспечивается высокими давлениями торможения энергонесущего и излучающего газов. Для практической реализации данного подхода был разработан [17, 19] и подробно исследован [20] генератор синглетного кислорода с закрученным аэрозольным потоком газа (ЗА ГСК), способный работать при давлении газа в реакторе до 250 Торр и скорости газа до 140 м/с при высоком выходе синглетного кислорода (около 60%) и высокой степени утилизации хлора (более 95%). В отличие от наиболее распространенного в настоящее время ГСК струйного типа, способного работать совместно с КИЛ при давлении кислорода в реакторе 10-15 Торр и скорости газа, как правило, не превышающей 15 м/с [3, 7], использование ЗА ГСК позволяет примерно на порядок величины уменьшить время транспортировки газа в тракте подачи кислорода. За счет этого можно поднять рабочее давление кислорода до уровня 100-150 Торр без увеличения потерь запасенной лазерной энергии, поскольку при этом величина параметра Р·τ, где Р - давление, τ - время пребывания релаксирующего газа в тракте подачи, определяющего потери запасенной лазерной энергии, не изменяется [4].

Способ смешения газов и устройство для его реализации [21], использованные в вышеупомянутом подходе, как наиболее близкие по технической сущности к заявляемому техническому решению выбраны в качестве прототипа. Рассмотрим их более подробно.

Способ смешения газов в лазере со сверхзвуковым потоком включает подачу в сверхзвуковое сопло энергонесущего газа и инжекцию излучающего газа в области критического сечения сопла в виде спутных сверхзвуковых струй. Способ реализован в устройстве, включающем сопловой блок, соединенный с источниками энергонесущего и излучающего газов. Элементы соплового блока лазера выполнены в виде двумерного сверхзвукового сопла и крыловидного инжектора, установленного в дозвуковой области сопла. Выходные отверстия инжектора снабжены трубками, ориентированными по направлению продольной оси сопла, которые могут быть изогнуты вдоль линий тока энергонесущего газа. Выходные концы трубок инжектора равномерно размещены по поперечному сечению сопла и предназначены для подачи излучающего газа спутно потоку энергонесущего газа.

В этом способе для получения сверхзвукового режима истечения инжектируемых струй давление торможения инжектируемого газа выбирают исходя из сверхкритического перепада по отношению к статическому давлению основного потока в точке инжекции (с учетом потерь давления в тракте подачи). Как правило, давление торможения инжектируемого газа должно превышать статическое давление основного потока в точке инжекции в три и более раз. При этом на выходе инжектора струи газа будут иметь скорость звука. Поскольку в сверхзвуковом сопле статическое давление основного потока от входа к выходу монотонно падает, а статическое давление в инжектируемся струе стремится выровняться с давлением окружающей среды, то из-за более высокого давления в струе она начинает расширяться (выравнивание давлений происходит со скоростью звука в газе) и становиться сверхзвуковой. В силу устойчивости сверхзвуковых струй они практически не смешиваются с основным сверхзвуковым потоком газа вблизи места инжекции. Смешение газов начинается при установлении развитого турбулентного течения газа в сверхзвуковой области сопла и заканчивается на молекулярном уровне (с передачей энергии между молекулами) в области малых давлений и температур газа, т.е. с малыми потерями запасенной лазерной энергии. Использование такой системы смешения в ГДЛ [21] позволило резко снизить газодинамические возмущения в сверхзвуковом потоке при смешении, довести оптическое качество потока в резонаторе до уровня, характерного для лазеров с гомогенной смесью газов, и достичь рекордного уровня удельных энергетических характеристик. Были экспериментально получены удельный энергосъем генерации свыше 50 Дж/г и приведенная мощность излучения свыше 360 Вт/см². При высоких давлениях смешиваемых газов, характерных для ГДЛ, установление развитого турбулентного течения начинается на расстояниях (6-7)d от места инжекции струи, где d - диаметр струи [22], поэтому к окончанию профильной части сопловых лопаток перемешивание газов на молекулярном уровне практически заканчивается. При низком давлении смешиваемых газов, характерном для КИЛ, течение газов в сверхзуковом сопле является ламинарным, и перемешать газы на молекулярном уровне при приемлемой, с точки зрения потерь запасенной энергии, длине пути смешения очень трудно. Проведенные экспериментальные исследования показали, что использование данного способа смешения газов в КИЛ не позволяет добиться достаточно однородного перемешивания потоков синглетного кислорода и молекулярного йода, вследствие чего химическая эффективность КИЛ не превышает 22-23% [23, 24].

Таким образом, основным недостатком указанных способа и устройства применительно к смешению газов с низкими статическими давлениями является низкая скорость перемешивания газовых потоков, обусловленная наличием только диффузионного механизма поперечного переноса массы, и связанное с этим неоднородное смешение газовых потоков. При этом, как уже указывалось выше, возможности улучшения смешения за счет уменьшения масштаба сопловой решетки имеют ограничения как физического, так и технологического характера.

Сущность изобретения.

Техническая задача изобретения состоит в создании способа и устройства, позволяющих повысить однородность смешения ламинарных сверхзвуковых потоков газа низкой плотности в лазере со сверхзвуковым потоком и уменьшить потери запасенной лазерной энергии.

Технический результат - повышение эффективности процесса передачи лазерной энергии, запасенной молекулами энергонесущего газа, молекулам излучающего газа, приводящее к увеличению КПД лазера.

Указанный технический результат в заявляемом способе по п.1 достигается тем, что в способе смешения газов в лазере со сверхзвуковым потоком, включающем подачу энергонесущего газа в сверхзвуковое сопло и инжекцию в сверхзвуковую область сопла излучающего газа в виде спутных сверхзвуковых струй, новым является то, что наружную поверхность инжектируемых струй винтообразно закручивают.

Указанный технический результат в заявляемом устройстве по п.2 достигается тем, что в устройстве для смешения газов в лазере со сверхзвуковым потоком, включающем сверхзвуковое сопло и инжектор, соединенные соответственно с источниками энергонесущего и излучающего газов, при этом инжекционные отверстия снабжены трубками, выходные отверстия которых равномерно размещены по поперечному сечению сверхзвуковой области сопла и ориентированы вдоль продольной оси сопла, новым является то, что выходные концы трубок инжектора выполнены в виде лепестков винтообразной формы, размещенных вдоль наружной поверхности инжектируемых струй.

Указанный технический результат в заявляемом устройстве по п.3 достигается тем, что в устройстве для смешения газов в лазере со сверхзвуковым потоком по п.2, новым является то, что лепестки выполнены в виде отдельных насадок, установленных на выходных концах трубок инжектора.

Указанные отличия позволяют повысить КПД лазера по сравнению с прототипом благодаря повышению однородности смешения газов и, связанного с этим, увеличения эффективности процесса передачи лазерной энергии, запасенной молекулами энергонесущего газа, молекулам излучающего газа.

Не обнаружены способы смешения газов в лазерах со сверхзвуковым потоком, в которых наружную поверхность инжектируемых струй винтообразно закручивают. Рассмотрим, что при этом происходит. Для простоты рассмотрим одну трубку инжектора.

При установившемся ламинарном течении газа в трубке инжектора в выходном сечении трубки устанавливается параболическое распределение скорости газа [25]:

где: V(r) - распределение скорости газа по радиусу трубки (r), V_o - скорость газа на оси трубки, r₀ - радиус трубки. При сверхкритическом перепаде между давлением торможения инжектируемого газа и статическим давлением основного потока в месте инжекции в керне струи реализуется скорость звука, а на стенке трубки благодаря трению скорость газа равна нулю. Таким образом, внутри трубки инжектора вблизи стенки реализуется цилиндрическая область течения газа, скорость газа в которой является дозвуковой. Если на выходном конце трубки инжектора установить винтообразные закручивающие устройства (или единое закручивающее устройство, например, в виде многозаходного шнека), то этот дозвуковой слой газа можно винтообразно закрутить либо частями, либо весь целиком вокруг оси струи. Что же при этом произойдет? Для ответа на этот вопрос сделаем простые оценки.

Предположим, что скорость инжектируемого газа на оси трубки близка к скорости звука и равна приблизительно 335 м/с (N₂:I₂=20:1, T₀=450 К, γ=1.4, μ=38.75·10^-3 кг/моль). При внутреннем радиусе трубки r₀=2.5·10^-4 м в кольцевом слое, прилегающем к стенке трубки, шириной, например, Δr=1·10^-4 м будет двигаться газ со скоростями примерно от 0 до 280 м/с и средней по кольцевому сечению скоростью около V_cp≈100 M/c (r_ср≈2·10^-4 м). Предположим, что винтообразные лопатки закручивающего устройства установлены таким образом, что кольцевой слой газа совершает один полный оборот на расстоянии L=10^-2 м по оси струи. Тогда время, за которое газ совершает один оборот, составляет T=L/V_cp=10^-4 с, а среднее центробежное ускорение, действующее на частицу газа (в частности, молекулы йода) в направлении, поперечном ее движению, будет равно (а_r)_ср.=(2π/T)²·r_cp=8·10⁵ м/с²˜8·10⁴ g, где g - ускорение свободного падения.

Эти простые оценки демонстрируют механизм физического явления, происходящего при винтообразной закрутке наружной цилиндрической поверхности инжектируемой струи. Из-за высокой скорости движения газа возникают огромные центробежные силы, действующие на частицы инжектируемого газа в поперечном направлении, что значительно увеличивает скорость поперечного переноса массы, в результате чего однородность смешения энергонесущего и излучающего газов существенно улучшается. При этом необходимая однородность смешенных газов достигается на сравнительно небольшом расстоянии от места инжекции струй, т.е. с малыми транспортными потерями запасенной лазерной энергии, что положительно сказывается на КПД лазера. Постепенно за счет влияния вязкости газа вращательное движение газа замедляется, а его энергия вращения переходит в тепло. Т.к. на закрутку потока расходуется лишь небольшая часть кинетической энергии газового потока (не более 5%), то повышение статической температуры газового потока незначительно (10-15 К). В результате, положительное влияние закрутки наружной поверхности инжектируемых струй, приводящее к существенному улучшению однородности смешения газов, значительно превосходит отрицательное влияние, связанное с некоторым повышением статической температуры газового потока. Кроме того, в результате винтообразной закрутки наружной поверхности струй излучающего газа относительно потока энергонесущего газа увеличивается удельная поверхность контакта смешиваемых газов. Благодаря этому смесевые пограничные слои, образующиеся при ламинарном течении газа за счет молекулярной диффузии, успевают больше развиться. В результате при одинаковой длине зоны смешения достигается более однородное распределение инжектируемого газа по поперечному сечению основного потока, чем в случае обычного параллельного смешения струй. Все это приводит к заметному повышению КПД лазера. Достоинством предлагаемого технического решения является также то, что эффективность смешения газов практически не зависит от их уровня статических давлений. Это позволяет одновременно повысить восстановленное давление отработанного газа путем увеличения давлений торможения смешиваемых газов.

Следует отметить, что закручивать винтообразно целиком всю струю нецелесообразно с практической точки зрения. Во-первых, для этого потребуется изготовить и установить внутри трубок инжектора внутренний диаметр которых обычно не превышает долей миллиметра (0.4-0.8 мм), миниатюрные закручивающие устройства, что значительно усложнит и удорожит конструкцию (в заявляемом техническом решении закручивающие устройства выполнены в виде лепестков винтообразной формы, которые могут быть изготовлены непосредственно из материала стенок трубок инжектора, что заметно проще). Во-вторых, при этом существенно усложнятся профилактические работы, связанные с очисткой внутренней поверхности трубок инжектора, которые необходимо периодически проводить в процессе эксплуатации устройства. В-третьих, при вращении струи на ее приосевую область из-за малого радиуса вращения действуют значительно меньшие центробежные ускорения, чем на наружную поверхность струи. И, наконец, в-четвертых, на закручивание целиком всей струи необходимо затратить больше кинетической энергии потока, чем на закручивание только ее внешней поверхности, что приведет к большему повышению температуры газового потока и уменьшению инверсии.

Предлагаемое техническое решение существенным образом отличается от технического решения, использованного в газовом лазере с продольным сверхзвуковым потоком [26], в котором основной и инжектируемый потоки газа закручивают в докритической области сопла как единое целое. При этом винтообразного закручивания инжектируемых струй относительно основного потока газа не происходит. Закрученный поток получают подачей вращающегося энергонесущего газа в сверхзвуковое сопло и спутной инжекцией излучающего газа в докритическую область сопла. Это техническое решение используется для уменьшения интенсивности взаимодействия закрученного потока со стенками оптической кюветы, а также обеспечивает сохранность нижнего по потоку газа зеркала резонатора и облегчает вывод отработанного газового потока из кюветы лазера.

Применительно к описанному выше способу смешения была исследована возможность улучшения смешения сверхзвуковых ламинарных потоков газа низкой плотности путем использования дополнительной турбулизации потока, подобно тому, как это сделано в работах [12, 13]. С этой целью во ФГУП