CN110739602B - 脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，包括脉冲爆震火箭燃烧装置、过渡段、CO₂气动激光产生装置和排气段。脉冲爆震火箭燃烧装置用于产生高温高压的燃气热源，作为下游产出激光的总能源，包括圆筒形壳体、氧化剂喷注面板和扰流螺旋；圆筒形壳体的内腔构成脉冲爆震燃烧室。当氧化剂和燃料在脉冲爆震燃烧室内脉冲供应、并相撞击混匀及点燃时，在扰流螺旋的作用下，脉冲爆震燃烧室内发生脉冲爆震燃烧；燃烧后气体经CO₂气动激光产生装置后产生脉冲激光。本发明采用脉冲爆震火箭燃烧装置作为泵浦源，故而产出的激光效率高，节省能源。当在火箭或飞行器上使用时，能在不增加其负荷的同时，既可产生推力，又能产出激光。

Description

脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器

技术领域

本发明涉及CO₂气动激光器领域，特别是一种脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器。

背景技术

气体激光器是激光器大家族中种类最多、波长分布区域最宽、应用最广的一类激光器。其突出的优点是：它所发射的谱线的波长分布区域宽、光束质量高和输出功率大。与其他激光器相比，气体激光器还具有转换效率高，结构简单，造价低廉等优点，从而得到了广泛的应用。

气体激光器的基本工作原理：通过泵浦源释放能量，使气体粒子有选择性的被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数翻转，产生激活介质，然后通过光腔谐振产出激光输出，将泵浦源的能量转化为光能。

气动激光器可以将热能直接转化为相干辐射能，而对于采用何种热源形式（如燃烧、化学反应、电弧加热、核反应等）则无限制。其中，自带燃料和氧化剂的火箭式燃烧驱动气动激光器利用燃料燃烧作为泵浦源，不需要外界提供额外的能量，虽然其能量转化率（约1%-2%）在激光器中不占优势，但其具有性能稳定、结构简单、体积小、经济实用并能输出大功率（可达兆瓦）连续激光等优点，尤其是相比较化学激光器来说，不需要体积庞大的用于压力恢复***（比如引射器）。这些突出优点使火箭式燃烧驱动气动激光器很容易成为实用的强激光光源。

火箭式燃烧驱动CO₂气动激光器，可以用一般的碳氢燃料通过与氧化剂（如氧气、空气）燃烧的办法来驱动，消耗小，其燃料可以是液态的甲苯、苯、煤油，或者气态的乙炔、甲烷碳氢燃料，燃料选取原则为含碳较多含氢较少且易燃易爆，通过控制燃料配比控制产物中水的含量。由于其不仅可以输出连续波高功率激光，用于激光推进等需要连续高功率激光的用途，而且波长适于对远红外探测器的破坏（用于激光毁伤）。因此火箭式燃烧驱动CO₂气动激光器的发展受到人们极大的关注。

然而，现有的传统火箭式燃烧驱动的CO₂激光器还存在着如下不足，有待改进：

1. 传统火箭式燃烧驱动的CO₂激光器通过等压燃烧（目前几乎所有动力装置中采用的燃烧组织形式）将燃料的化学能转化为热能，热能最终转变为相关辐射能（激光器的光能）。然而，等压燃烧是以爆燃形式组织燃烧，火焰传播速度慢，热力循环效率低，因此热能转换为激光的效率较低，目前通过传统火箭式燃烧产出激光的能量转化效率通常约1%-2%。从燃烧热力循环角度来看，相比较爆燃仅约27%的热力循环效率，相同条件下爆震燃烧则可达到49%，如果用于火箭式燃烧驱动的CO₂激光器，则可以大幅提升激光转换效率。

2.由于传统火箭式燃烧驱动的CO₂激光器产出的激光效率低，故而，在产出一个设定输出量的激光时，所需的燃料量大，能效比低。而且由于出光率低且未经过专门设计，较大的设备体积使其仅用于地面出光实验。

3.传统的火箭式燃烧驱动的CO₂激光器为连续出光的工作模式，在输出脉冲激光上需要额外增加***复杂性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，该脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器采用脉冲爆震火箭燃烧装置作为泵浦源，充分利用了爆震燃烧释热速率快、热力循环效率高的优势，故而高温高压的燃气作为泵浦源产出的激光效率高，节省能源。当脉冲爆震发动机作为动力在火箭或火箭助推的飞行器上使用时，能够经过合理设计实现核心机的一机多用，即采用同一套脉冲爆震火箭燃烧装置，既能产出激光，又能产生推力，这个过程可以同一套排气装置上实现，也可以连接不同的排气装置实现。在地面使用时，能够用于产生大功率脉冲激光。因为脉冲爆震装置爆震频率可调（通常在200Hz内），所以非常适合部分需要脉冲激光的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，包括脉冲爆震火箭燃烧装置、过渡段、CO₂气动激光产生装置和排气段。

脉冲爆震火箭燃烧装置包括圆筒形壳体、氧化剂喷注面板、燃料喷注面板和扰流螺旋。

圆筒形壳体的圆筒形内腔构成脉冲爆震燃烧室。

氧化剂喷注面板沿周向设置有若干个氧化剂喷注通道。

圆筒形壳体的前端沿周向设置有与氧化剂喷注对应的燃料喷注通道。

每个氧化剂喷注通道和每个燃料喷注通道均通过电磁阀实现喷注的通断。

扰流螺旋同轴设置在脉冲爆震燃烧室内。

CO₂气动激光产生装置通过过渡段与脉冲爆震火箭燃烧装置相连接。CO₂气动激光产生装置包括矩形壳体、内置在矩形壳体中的阵列喷管和光腔，与光腔对应的矩形壳体上设置激光出口。

位于燃料喷注通道下游的圆筒形壳体上还设置有点火装置，该点火装置能实现脉冲点火。

当所有电磁阀均打开时，从氧化剂喷注通道喷出的氧化剂与从燃料喷注通道喷出的燃料在脉冲爆震燃烧室内相撞击并混匀。点火装置启动，将混匀的氧化剂和燃料点燃，在扰流螺旋的作用下，脉冲爆震燃烧室内发生脉冲爆震燃烧。燃烧后气体经CO₂气动激光产生装置后产生脉冲激光。

圆筒形壳体的内径D和圆筒形壳体的长度L需满足L/D≥20。

扰流螺旋长度在2D-10D之间，螺距在1/2 D -1D之间。

扰流螺旋的堵塞比为30%-50%，优选为约38%。

圆筒形壳体内设置有壳体冷却通道。

氧化剂为氧气或空气。

过渡段为圆转矩结构。

排气段设置在CO₂气动激光产生装置的尾端，其构型依据激光器的工作模式而定，仅用于产出激光用途时，呈减缩构型。当同时用于产出激光和产生推力时，呈缩放构型。

点火装置为火花塞和热射流中一种或两种。

本发明具有如下有益效果：

1. 采用脉冲爆震火箭燃烧装置作为泵浦源，将燃料的化学能转化为燃气的热能，然后经由阵列喷管使燃气加速，再通过光腔的作用，产出激光，实现燃烧产光的目的，同时剩余燃气从尾部排气段排出。由于采用了脉冲爆震燃烧技术，脉冲爆震是爆震燃烧的一种实现形式，除了具备爆震燃烧的特点外，还具有可调脉冲工作输出频率的特点。在自身携带氧化剂和燃料时其工作模式为脉冲爆震火箭燃烧模式。爆震燃烧以激波与燃烧波耦合的方式消耗未燃混合物，传播速度可以达到几千米每秒，能够产生极高的燃气压力(大于15-55atm)和燃气温度（大于2800 K）。由于爆震波传速度极快，其后的脉冲爆震燃烧过程可视为等容燃烧过程，因而其热力循环效率很高，故而产出的激光效率高，能将产出效率几乎翻倍（现有火箭式燃烧驱动CO₂气动激光器水平约1%-2%）。

2. 由于产出的激光效率大幅提高，故而，在产出相同输出量的激光时，所需的燃料量小，能效比高，相比较传统的火箭式燃烧驱动激光器，同样燃料可产出更多激光或工作更长时间。当在地面使用时，是一种优选的在较小空间内（省略压力恢复***）产生大功率脉冲激光的方案。

3. 对于以火箭式脉冲爆震发动机为动力的飞行器，因为爆震燃烧产物的热能转换为激光的比例理论上为1.8%-3.6%，仍有大部分热能被转化为燃气动能而排出，故而采用同一套脉冲爆震火箭燃烧装置，既能产出激光，又可产生推力，从而拓展了飞行器的能量利用途径。

4. 对于以火箭式脉冲爆震发动机为动力的飞行器，具备通过燃烧产出激光的功能，可减少专用的激光产生***；可同时为箭载激光设备提供激光，比如激光测距、制导等；可以增加飞行器的防御能力和攻击能力，比如发射高功率强脉冲激光毁伤（拦截）来袭目标或者攻击敌方空间目标。

附图说明

图1显示了本发明脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器的结构示意图。

图2显示了阵列喷管的放大示意图。

其中有：1燃料喷注通道，2氧化剂喷注面板，3氧化剂喷注通道，4喷注面板端盖，5壳体冷却液入口，6火花塞，7壳体冷却通道，8圆筒形壳体，9扰流螺旋，10脉冲爆震燃烧室，11壳体冷却液出口，12过渡段壳体，13阵列喷管，14光腔，15激光出口，16排气段壳体，17补料孔。

另外，图1中：Ⅰ表示脉冲爆震火箭燃烧装置；Ⅱ表示过渡段；Ⅲ表示CO₂气动激光产生装置；Ⅳ表示排气段。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，包括从左至右依次同轴设置的脉冲爆震火箭燃烧装置Ⅰ、过渡段Ⅱ、CO₂气动激光产生装置Ⅲ和排气段Ⅳ。

脉冲爆震火箭燃烧装置包括圆筒形壳体8、氧化剂喷注面板2和扰流螺旋9。

圆筒形壳体的圆筒形内腔构成脉冲爆震燃烧室10。为了尽量缩短脉冲爆震波起爆距离并缩短脉冲爆震燃烧室的长度，圆筒形壳体的内径D和圆筒形壳体的长度L需满足L/D≥20。

氧化剂喷注面板的外侧优选设置喷注面板端盖4，喷注面板端盖将氧化剂喷注面板的圆周边缘与圆筒形壳体的前端相连接。

氧化剂喷注面板沿周向设置有若干个氧化剂喷注通道3。每个氧化剂喷注通道优选均呈水平状态，入口端从喷注面板中穿出并与氧化剂供应***相连接，出口端与脉冲爆震燃烧室相连通。氧化剂为氧气或空气等，优选为添加有微量氮气的氧气。

圆筒形壳体的前端沿周向设置有与氧化剂喷注通道数理相等的燃料喷注通道1。每个燃料喷注通道均优选呈竖直状态，入口端与燃料供应***相连接，出口端与脉冲爆震燃烧室相连通。所提供的燃料可以是液态的甲苯、苯、煤油，或者气态的乙炔、甲烷碳氢燃料，燃料选取原则为含碳较多含氢较少且易燃易爆，通过控制燃料配比控制产物中水的含量，一般要求少于总质量的1%，燃料获取容易。

每个氧化剂喷注通道的喷出口和每个燃料喷注通道的喷出口均为总路在终端的分支，其前端均设置有氧化剂和燃料各自总路上的电磁阀。通过控制电磁阀的通断来控制对脉冲爆震燃烧室的推进剂供应。电磁阀设置一定的通断频率，从而实现对爆震燃烧室的推进剂脉冲供应，来控制脉冲爆震频率，最终实现脉冲出光。

圆筒形壳体内设置有壳体冷却通道7，目的是为了冷却脉冲爆震火箭燃烧装置。优选，在圆筒形壳体的上部左侧设置壳体冷却液入口5，在圆筒形壳体的下部右侧设置壳体冷却液出口11。

位于燃料喷注通道下游的圆筒形壳体上还设置有点火装置，该点火装置能实现脉冲点火。点火装置优选为火花塞和热射流中一种或两种。本发明中优选为火花塞6，也即采用高能起爆，用于对进入脉冲爆震燃烧室10内的推进剂进行点火，进而形成脉冲爆震燃烧。

扰流螺旋同轴设置在脉冲爆震燃烧室内，它实际上类似于细的弹簧丝，它的作用是以增加湍流度，缩短由爆燃到爆震的转化距离。扰流螺旋长度在（2-10）D之间，螺距在（1/2-1）D，堵塞比在30%-50%之间（试验表明38%附近较好），根据螺旋长度和螺距可以大致确定螺旋匝数。这里的堵塞比，指的是扰流螺旋在圆筒形壳体内腔中的占比。

CO₂气动激光产生装置通过过渡段与脉冲爆震火箭燃烧装置相连接；也即用于连接脉冲爆震火箭燃烧装置的圆筒形壳体和矩形壳体，过渡段壳体12为圆转矩的结构。

CO₂气动激光产生装置包括矩形壳体、内置在矩形壳体中的阵列喷管13和光腔14，与光腔对应的矩形壳体上设置激光出口15。

上述阵列喷管和光腔均为成熟的现有技术，阵列喷管的结构如图2所示，气体通过阵列喷管的缝隙加速至超声速。阵列喷管上端设置的补料孔17用于补充不足的成分（如CO₂、N₂等）。光腔具有特定的几何结构，能够使激活介质形成光学谐振，从而输出相干辐射，从激光出口处输出激光。光腔优选通过法兰连接排气段中的排气段壳体16。

过渡段用于连接脉冲爆震燃烧装置中的圆筒形壳体和CO₂气动激光产生装置中的矩形壳体，过渡段壳体12为圆转矩的结构，便于整流。过渡段壳体包括上游圆形段和下游矩形段，下游矩形段的纵截面积不超过脉冲爆震火箭燃烧装置尾部的圆形截面积，两者理论面积相等则更优。

排气段设置在CO₂气动激光产生装置的尾端，排气段壳体16可依据使用功能配备不同的构型，仅用于产出激光用途时，呈减缩构型，当同时用于产出激光和产生推力时可呈缩放构型。

当所有电磁阀均打开时，从氧化剂喷注通道喷出的氧化剂与从燃料喷注通道喷出的燃料在脉冲爆震燃烧室内相撞击并混匀；点火装置启动，将混匀的氧化剂和燃料点燃，在扰流螺旋的作用下，脉冲爆震燃烧室内发生脉冲爆震燃烧；燃烧后气体经CO₂气动激光产生装置后产生脉冲激光。

参照图1，在根据本发明的脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器中，脉冲爆震燃烧装置爆震燃烧所产生的高温高压气体（主要成分为CO₂、N₂和H₂O）是CO₂气动激光器的工作介质。由于N₂分子的振动弛豫时间非常长，所以它的主要作用就是储存振动能；N₂分子的振动能级与CO₂分子的高振动能级发生振动耦合；而CO₂分子的低振动能级粒子数，则因催化剂H₂O的去活化作用，维持在接***动温度的平衡浓度。

当高温混合气体通过阵列喷管13快速膨胀加速时，气体的热能迅速地变为气体的动能，分子平动温度急剧下降。CO₂中低能级的分子粒子数，由于弛豫很快，也急剧下降。而高能级的粒子数，弛豫很慢，所以被“冻结”起来，维持较高的粒子数密度。这种弛豫速率的差别，称为差分弛豫。差分弛豫造成了CO₂的高能级粒子数密度超过低能级粒子数密度，这就形成了产生受激辐射的必要条件即粒子数反转的条件。满足这种条件的介质，称为激活介质。由于CO₂高能级分子和N₂分子振动能的共振耦合，高能级粒子数得到持续补充；由于CO₂低能级分子与催化剂H₂O分子的共振耦合，低能级粒子数被不断抽空，这样就体现了持续的受激辐射。然后通过光腔14对激活介质造成光学谐振，从而获取放大作用和相干辐射输出，最后从激光出口15输出激光。

由于脉冲爆震燃烧室10中的燃烧过程由一般的等压燃烧变为近似等容燃烧，显著提高了能量释放速率和热力循环效率，能够为CO₂气动激光产生装置提供更强的高温高压气体。

参照图1，本发明的CO₂气动激光产生装置Ⅲ部分，还包括过渡段12，通过法兰与脉冲爆震燃烧装置连接，它实际上是一个圆转方结构，用于连接爆震燃烧装置和气动激光器，将高温高压气体引致阵列喷管13处。经过阵列喷管后，气体膨胀加速，形成超声速低气压气流，不便于排放，而排气段16的作用是使装置排气顺畅从而能够持续工作，仅产出激光时呈减缩构型，将超声速气流的部分动能恢复为压力势能，使压力恢复为与大气压相近，从而便于排放；既产出激光又产生推力时则呈缩放构型，即实现热能到光能转换的同时继续利用了燃气排放的动能。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，其特征在于：包括脉冲爆震火箭燃烧装置、过渡段、CO₂气动激光产生装置和排气段；

脉冲爆震火箭燃烧装置包括圆筒形壳体、氧化剂喷注面板、燃料喷注面板和扰流螺旋；

圆筒形壳体的圆筒形内腔构成脉冲爆震燃烧室；

氧化剂喷注面板沿周向设置有若干个氧化剂喷注通道；

圆筒形壳体的前端沿周向设置有与氧化剂喷注对应的燃料喷注通道；

燃料喷注通道所提供的燃料为液态的甲苯、苯、煤油，或者气态的乙炔、甲烷碳氢燃料，燃料选取原则为含碳较多含氢较少且易燃易爆，通过控制燃料配比控制产物中水的含量少于总质量的1%；

每个氧化剂喷注通道和每个燃料喷注通道均通过电磁阀实现喷注的通断；

扰流螺旋同轴设置在脉冲爆震燃烧室内；

CO₂气动激光产生装置通过过渡段与脉冲爆震火箭燃烧装置相连接；CO₂气动激光产生装置包括矩形壳体、内置在矩形壳体中的阵列喷管和光腔，与光腔对应的矩形壳体上设置激光出口；

位于燃料喷注通道下游的圆筒形壳体上还设置有点火装置，该点火装置能实现脉冲点火；

当所有电磁阀均打开时，从氧化剂喷注通道喷出的氧化剂与从燃料喷注通道喷出的燃料在脉冲爆震燃烧室内相撞击并混匀；点火装置启动，将混匀的氧化剂和燃料点燃，在扰流螺旋的作用下，脉冲爆震燃烧室内发生脉冲爆震燃烧；燃烧后气体经CO₂气动激光产生装置后产生脉冲激光；脉冲爆震装置爆震的频率能在200Hz内调节；

圆筒形壳体的内径D和圆筒形壳体的长度L需满足L/D≥20；扰流螺旋长度在2D-10D之间，螺距在1/2 D - 1D之间；堵塞比为30%-50%；

过渡段为圆转矩结构；

排气段设置在CO₂气动激光产生装置的尾端，其构型依据激光器的工作模式而定，仅用于产出激光用途时，呈减缩构型；当同时用于产出激光和产生推力时，呈缩放构型。

2.根据权利要求1所述的脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，其特征在于：圆筒形壳体内设置有壳体冷却通道。

3.根据权利要求1所述的脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，其特征在于：氧化剂为氧气或空气。

4.根据权利要求1所述的脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，其特征在于：点火装置为火花塞和热射流中一种或两种。

Images