Конструкция непрерывного химического лазера на молекулах DF/HF

НХЛ на молекулах HF и DF по принципу работы не отличаются друг от друга. Однако эти лазеры имеют отличие по длине волны излучения, которое имеет принципиальное значение. Молекула HF излучает на длине волны 2.6 - 3.1 мкм, такое излучение сильно поглощается атмосферой, что ограничивает применение HF - НХЛ в наземных условиях и обуславливает возможность их применения только в космосе. Спектр излучения DF - НХЛ (3.6 - 4.1 мкм) практически полностью попадает в окно прозрачности атмосферы, что делает его привлекательным для использования именно в наземных условиях. Таким образом, вопрос о системе восстановления давления, которая предназначена для обеспечения выхлопа отработанных лазерных газов в атмосферу, актуален для DF - НХЛ, и поэтому дальнейшее обсуждение вопросов, связанных с восстановлением давления НХЛ будем проводить относительно данного типа лазера. Однако необходимо отметить, что даже при размещении HF – НХЛ в космосе для его успешного функционирования необходим сверхзвуковой диффузор, который выполняет не только свою прямую функцию по отделению рабочей части лазера от окружающей среды, но и функцию организации компенсации реактивной тяги лазера.

Принцип работы DF-НХЛ основан на прямом преобразовании химической энергии в энергию излучения при быстром смешении сверхзвуковых химически активных потоков окислителя (содержащего атомарный фтор и разбавленного гелием) и горючего (дейтерия). При смешении потоков протекает экзотермическая реакция накачки, идущая с образованием колебательно-возбужденных молекул DF

Величина теплового эффекта реакции DH » -134 кДж/моль, причем ~ 70% выделяющейся энергии идет на колебательное возбуждение.

Рассмотрим типичную схему сверхзвукового DF-НХЛ при его работе в наземных условиях содержит следующие основные элементы (рис. 1):

1. Генератор атомарного фтора (ГАФ) – газогенератор, в котором происходит наработка атомов фтора. В ГАФ подаются фторсодержащий окислитель (F₂ или NF₃) и первичное горючее (H₂ или C₂H₄), при этом окислитель всегда подается в избытке. Кроме того, в ГАФ подается гелий, который играет роль буферного газа. В результате реакции горения выделяется тепло, необходимое для нагрева смеси до температуры, обеспечивающей диссоциацию избыточной части окислителя и образование атомарного фтора. Полученный окислительный газ поступает в сопловой блок.

2. Сопловой блок (СБ), в котором потоки окислителя и горючего разгоняются до сверхзвуковых скоростей. При расширении в сверхзвуковых соплах статическое давление и температура потока резко падают. Большая скорость прокачки и низкие давление и температура окислительного потока необходимы для предотвращения рекомбинации атомарного фтора в потоке или на стенках сопел. Кроме того, необходимо, чтобы сверхзвуковые сопла были короткими. Параллельно в сопловой блок по своим каналам подается поток вторичного горючего (D₂) и разбавителя (He). Присутствие He в качестве разбавителя позволяет замедлить процесс смешения F и D₂ и, таким образом, растянуть активную зону, где осуществляется генерация. В отсутствии He зона получается слишком короткой (2÷3 см), а лучевая нагрузка на зеркала при выводе большой энергии излучения слишком велика. Для обеспечения быстрого смешения потоков окислителя и вторичного горючего сопловой блок выполняется в форме сопловой решетки. Поэтому за сопловым блоком на входе в лазерную камеру газодинамический поток представляет собой множество сверхзвуковых струй окислителя и горючего, чередующихся между собой. В НХЛ используют разные типы сопел, различающихся по конструкции и направленных на улучшение процесса смешения окислительного газа с вторичным горючим.

Рис. 2. Один из вариантов сопловых блоков

Сопловой блок является “сердцем” СХЛ. Именно в соплах происходит накачка – реализуется физический принцип создания инверсной среды, которая поступает в лазерную камеру и резонатор.

3. Лазерная камера (ЛК), в которой формируется активная среда. В ЛК струи окислителя и вторичного горючего смешиваются и реагируют, в результате чего образуются возбужденные молекулы DF^*. Форма лазерной камеры должна быть согласована с процессами смешения и горения, то есть должна быть спрофилирована таким образом, чтобы минимизировать рост давления, обусловленный тепловыделением реакции накачки. Так как сразу за сопловым блоком происходит процесс горения (F + D₂), то реализуется ситуация подвода тепла в сверхзвуковой поток. В этом случае, как известно, поток тормозиться. Что бы не возник эффект запирания – перехода сверхзвукового режима течения в дозвуковой, стенки лазерной камеры делают расширяющимися. Обычно степень расширения камеры подбирают так, что бы на входе в диффузор число Маха составляло величину M ~ 2. Если скорость будет больше, то получаются большие потери полного давления при торможении потока в диффузоре: функция, характеризующая потери полного давления, резко падает с ростом числа М. А если поток тормозить сильнее, то увеличивается вероятность срыва сверхзвукового течения.

В общем случае, из-за наличия газодинамических потерь – ударных волн, потерь из-за подвода тепла, полное давление после выхлопного диффузора составляет величину ~ 70÷100 торр. Такой энергии потока недостаточно, что бы осуществить выхлоп в атмосферу с помощью только диффузора. Для организации выхлопа приходится использовать еще и эжектор, т.е. систему СВД.

4. Оптический резонатор, в котором генерируется излучение.

5.Система восстановления давления (СВД), которая состоит из сверхзвукового диффузора и эжектора и обеспечивает выхлоп отработанных продуктов в атмосферу. Кроме того, в составе СВД может использоваться теплообменник, предназначенный для охлаждения лазерного газа перед поступлением его в эжектор.

Типичные параметры в основных элементах газодинамического тракта DF-НХЛ представлены в таблице 1.

Таблица 1