CN103887684B - 用于横向流注碘混合喷管实验研究的喷管模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于横向流注碘混合喷管实验研究的喷管模块。该模块应用于超音速氧碘化学激光器关键部件——喷管模块的实验研究。该模块通过一个可方便拆卸更换的喷管固定板，使得各种结构设计的喷管以及喷管喉道间距方便更换或调节。该实验装置的建立，为横向流注碘混合喷管阵列的实验研究提供了便利，大大提高了氧碘化学激光器的喷管设计和气流运行条件实验研究的效率。

Description

用于横向流注碘混合喷管实验研究的喷管模块

技术领域

本发明涉及一种用于横向流注碘混合喷管实验研究的喷管模块。该模块应用于超音速氧碘化学激光器关键部件——喷管模块的实验研究。

背景技术

目前常见的超音速氧碘化学激光器（COIL）一般采用碘及其载气的进气方式是在喷管喉道上游的亚音速段注入。亚音速段注碘可以获得较好的注入碘和主氧气流的混合，并且在用氦气高度稀释的O2(a1Δ)气流中实现I2的解离。这些增益介质随后在一个超音速喷管中膨胀，以降低气流温度，从而降低了实现粒子数翻转和正增益所要求的O2(a1Δ)的阈值产率。这一方法已经在许多高效的COIL装置上成功地得到了应用。但是在亚音速注碘，相对于单重态氧发生器（SOG）气流，碘及其载气的流量是不可忽略的，因此碘及其载气的注入会造成主气流压力升高及速度下降，同时由于喷管的亚音速段压力较高而且离光腔的距离相对较远，因此亚音速段氧碘混合方案的激发态粒子猝灭损失较大，这就会影响氧碘化学激光器的运行效率。

通过碘及其载气在超音速段注入，可以避免由注入气流产生的主气流的压力升高和速度下降，以减少O2(a1Δ)的猝灭过程，为下游激光提取提供更多的O2(a1Δ)。超音速段注碘的另一个优势是该方案更适合于非氦气做载气的COIL，如氮载气COIL或二氧化碳载气COIL。这些气体做载气的主要优势是成本较低，但是由于这些气体的分子量都大于氦气，因此其在管道内的流速也相应较慢，在这种情况下，如果仍然采用亚音速段注碘，会造成更大的O2(a1Δ)损失，因此在这种情况下，超音速段注碘是一个必然的选择。此外超音速混合还有可能在腔内获得更均匀的功率分布，从而减小腔镜变形对激光器性能表现带来的影响。

对于超音速注碘方案主要有两种：一种是超音速段横向流注入，此方案用于COIL，取得了较高的化学效率；另一种是超音速平行流混合，以美国和日本的研究为主，该方案的一个重要应用潜力是，可以把副气流的马赫数设计的很高，这样有利于提高COIL的恢复压力，对于提高COIL重量体积效率有重要的意义。但是到目前为止，采用超音速段注碘方案的COIL的发展还不成熟，有很多机理和技术问题还有待进一步认识和解决。正是基于此背景，本专利发明设计了一种可用于任意设计的横向流注碘混合喷管实验研究的模块，这大大提高了该方面研究的效率，为全面系统了解和研究横向流注碘混合喷管的设计方案和运行参数提供了平台。

发明内容

一种用于超音速段横向流注碘混合喷管实验研究的喷管模块（图3）。该模块应用于超音速氧碘化学激光器关键部件——喷管模块的实验研究。该模块通过一个可方便拆卸更换的喷管固定板，使得各种结构设计的喷管以及喷管喉道间距方便更换或调节。

用于横向流注碘混合喷管实验研究的喷管模块，包括模块主体、喷管固定板、注碘喷管、碘密封罩和副气流（碘蒸汽及其载气）进气管。

实验研究时，模块主体安装于超音速氧碘化学激光器的喷管段，作为超音速氧碘化学激光器的喷管。

模块主体为具有方型中空内腔的上下两端开口的筒状结构，上下两端开口分别与超音速氧碘化学激光器的光腔段入口和氧发生器出口连接；喷管段内的氧气气流流向为从下向上。

于模块主体的前后两个侧壁面上开设有一对对应的凹槽，对应的凹槽中部开设有相对应的方形通孔；

一对与凹槽形状和尺寸相匹配的喷管固定板分别镶嵌在前后两个侧壁面上的凹槽内，喷管固定板与凹槽间为可拆卸连接，于前后两个凹槽内的喷管固定板上对应开设有与所需注碘喷管径向截面外部形状和尺寸相匹配的通孔，注碘喷管插入前后两个凹槽内的喷管固定板上的通孔中，注碘喷管与两个喷管固定板为可拆卸连接；

所述注碘喷管为横向流注碘混合喷管，横向流注碘混合喷管指向喷管段内注碘的方向与喷管段内的氧气气流流向相垂直的喷管。注碘喷管的径向是指与氧气气流流向和注碘方向均垂直的方向；注碘喷管的径向截面是指平行于氧气气流流向和注碘方向的截面。

喷管固定板与凹槽间设置有密封“O”圈；喷管固定板与模块主体通过螺栓紧固连接。

注碘喷管与两个喷管固定板间涂704胶密封。

模块主体前后两个侧壁面上凹槽的外部分别设有碘密封罩，碘密封罩与凹槽所在模块主体的外壁面构成碘腔；碘密封罩与凹槽所在模块主体的外壁面间密封；凹槽处于碘腔内；碘腔通过副气流（碘蒸汽及其载气）进气管与外界碘源相连。

注碘喷管的入碘口位于其径向的两个端面上；注碘喷管的入碘口处于碘腔内。

喷管固定板中通孔的数量和孔间距（即喷管喉道宽度）可根据实验研究需要调节。每一种喷管排布方案对应一个喷管固定板，实验中根据需要更换喷管固定板即可实现所需要的喷管排布方案。

该模块可以实现对各种设计方案喷管的实验研究：喷管马赫数可由喷管型线和喷管固定板上的孔间距共同决定；相同马赫数的喷管，可以通过设计不同型线或不同注碘方案（包括注碘位置、注碘角度等）来满足各种实验研究需要。

附图说明

图1.喷管模块主体；

a：喷管模块主体正视图；b喷管模块主体侧面剖视图；1-1：凹槽；1-2：方形通孔；

图2.喷管模块主体、喷管固定板和注碘喷管组合图；

1：模块主体；2：喷管固定板；3：注碘喷管；

图3.喷管模块总装侧视剖面图；

4：碘密封罩；5：副气流（碘蒸汽及其载气）进气管；6：碘腔；

图4.喷管固定板；

4-1：通孔；

图5.注碘喷管；

5-1：碘注入孔；5-2：加热管孔；

图6.各种设计类型的喷管应用实例；

（e）：不同型线对应不同出口马赫数的喷管；（f）不同进碘位置的喷管；（g）不同型线相同马赫数的喷管。

本发明的有益效果是：

本发明涉及一种用于横向流注碘混合喷管实验研究的喷管模块。该模块应用于超音速氧碘化学激光器关键部件——喷管模块的实验研究。该模块为任意设计的横向流注碘混合喷管的实验研究提供了一个通用平台，这大大提高了对横向流注碘混合喷管研究的效率，为全面系统了解和研究横向流注碘混合喷管的设计方案和运行参数提供了平台。

具体实施方式

一种用于横向流注碘混合喷管实验研究的喷管模块（图3）。该模块应用于超音速氧碘化学激光器关键部件——喷管模块的实验研究。该模块通过一个可方便拆卸更换的喷管固定板，使得各种结构设计的喷管以及喷管喉道间距方便更换或调节。

用于横向流注碘混合喷管实验研究的喷管模块，包括模块主体1、喷管固定板2、注碘喷管3、碘密封罩4、副气流（碘蒸汽及其载气）进气管5。

实验研究时，模块主体1安装于超音速氧碘化学激光器的喷管段，作为超音速氧碘化学激光器的喷管；

模块主体1为具有方型中空内腔的上下两端开口的筒状结构，上下两端开口分别与超音速氧碘化学激光器的光腔段入口和氧发生器出口连接；喷管段内的氧气气流流向为从下向上。

于模块主体1的前后两个侧壁面上开设有一对对应的凹槽1-1，对应的凹槽中部开设有相对应的方形通孔1-2。

一对与凹槽1-1形状和尺寸相匹配的喷管固定板2分别镶嵌在前后两个侧壁面上的凹槽1-1内，喷管固定板2与凹槽（1-1）间为可拆卸连接。

于前后两个凹槽1-1内的喷管固定板2上对应开设有与所需注碘喷管3径向截面外部形状和尺寸相匹配的通孔4-1，注碘喷管3插入前后两个凹槽1-1内的喷管固定板上4的通孔4-1中，注碘喷管3与两个喷管固定板2为可拆卸连接；

喷管固定板2与凹槽1-1间设置有密封“O”圈；喷管固定板4与模块主体1通过螺栓紧固连接。

注碘喷管3与两个喷管固定板2间涂704胶密封。

于模块主体1前后两个侧壁面上凹槽1-1的外部分别设有碘密封罩4，碘密封罩4与凹槽1-1所在模块主体1的外壁面构成碘腔6；碘密封罩4与凹槽1-1所在模块主体1的外壁面间密封；凹槽1-1处于碘腔6内；碘腔通过副气流（碘蒸汽及其载气）进气管5与外界碘源相连。

注碘喷管3的入碘口位于其径向的两个端面上；注碘喷管3的入碘口处于碘腔6内。

喷管固定板2中通孔4-1的数量和孔间距（即喷管喉道宽度）可根据实验研究需要调节。每一种喷管排布方案对应一个喷管固定板2，实验中根据需要更换喷管固定板2即可实现所需要的喷管排布方案。

该模块可以实现对各种设计方案喷管的实验研究；喷管马赫数可由喷管型线和喷管固定板2上的孔间距共同决定；相同马赫数的喷管，可以通过设计不同型线或不同注碘方案（包括注碘位置、注碘角度等）来满足各种实验研究需要。

具体操作步骤：

【1】喷管模块与氧碘化学激光器对接，其主气流入口与单重态氧发生器出口对接；其副气流入口与碘源对接；其气流出口与真空系统对接。

【2】选择合适的注碘喷管与喷管固定板，并安装在喷管模块主体上并完成各项密封措施。

【3】基于喷管模块，搭建相应的测试系统。

【4】启动实验，进行相应的研究实验，采集测试数据并分析。

【5】根据研究需要，更换所需要喷管组合和相应的喷管固定板，并重复步骤2-4。

Claims (8)

1.用于横向流注碘混合喷管实验研究的喷管模块，包括模块主体(1)、喷管固定板(2)、注碘喷管(3)、碘密封罩(4)、副气流进气管(5)；

实验研究时，模块主体(1)安装于超音速氧碘化学激光器的喷管段，作为超音速氧碘化学激光器的喷管；

模块主体(1)为具有方型中空内腔的上下两端开口的筒状结构，上下两端开口分别与超音速氧碘化学激光器的光腔段入口和氧发生器出口连接；喷管段内的氧气气流流向为从下向上；

于模块主体(1)的前后两个侧壁面上开设有一对对应的凹槽(1-1)，对应的凹槽中部开设有相对应的方形通孔(1-2)；

一对与凹槽(1-1)形状和尺寸相匹配的喷管固定板(2)分别镶嵌在前后两个侧壁面上的凹槽(1-1)内，喷管固定板(2)与凹槽(1-1)间为可拆卸连接，于前后两个凹槽(1-1)内的喷管固定板(2)上对应开设有与所需注碘喷管(3)径向截面外部形状和尺寸相匹配的通孔(4-1)，注碘喷管(3)插入前后两个凹槽(1-1)内的喷管固定板上(2)的通孔(4-1)中，注碘喷管(3)与两个喷管固定板(2)为可拆卸连接；

所述注碘喷管(3)为横向流注碘混合喷管，横向流注碘混合喷管指向喷管段内注碘的方向与喷管段内的氧气气流流向相垂直的喷管；注碘喷管(3)的径向是指与氧气气流流向和注碘方向均垂直的方向；注碘喷管(3)的径向截面是指平行于氧气气流流向和注碘方向的截面。

2.按照权利要求1所述的用于横向流注碘混合喷管实验研究的喷管模块，其特征在于：

喷管固定板(2)与凹槽(1-1)间设置有密封“O”圈；喷管固定板(2)与模块主体(1)通过螺栓紧固连接。

3.按照权利要求1所述的用于横向流注碘混合喷管实验研究的喷管模块，其特征在于：

注碘喷管(3)与两个喷管固定板(2)间涂704胶密封。

4.按照权利要求1所述的用于横向流注碘混合喷管实验研究的喷管模块，其特征在于：

于模块主体(1)前后两个侧壁面上凹槽(1-1)的外部分别设有碘密封罩(4)，碘密封罩(4)与凹槽(1-1)所在模块主体(1)的外壁面构成碘腔(6)；碘密封罩(4)与凹槽(1-1)所在模块主体(1)的外壁面间密封；凹槽(1-1)处于碘腔(6)内；碘腔通过副气流进气管(5)与外界碘源相连。

5.按照权利要求1所述的用于横向流注碘混合喷管实验研究的喷管模块，其特征在于：

注碘喷管(3)的入碘口位于其径向的两个端面上；注碘喷管(3)的入碘口处于碘腔(6)内。

6.按照权利要求1所述的用于横向流注碘混合喷管实验研究的喷管模块，其特征在于：

所述注碘喷管(3)插入喷管固定板(2)的通孔(4-1)内，四周用704密封胶密封。

7.按照权利要求1所述的用于横向流注碘混合喷管实验研究的喷管模块，其特征在于：喷管固定板(2)中通孔(4-1)的数量和孔间距，即喷管喉道宽度，可根据实验研究需要调节，每一种喷管排布方案对应一个喷管固定板(2)，实验中根据需要更换喷管固定板(2)即可实现所需要的喷管排布方案。

8.按照权利要求1所述的用于横向流注碘混合喷管实验研究的喷管模块，其特征在于：该模块可以实现对各种设计方案喷管的实验研究；喷管马赫数可由喷管型线和喷管固定板(2)上的孔间距共同决定；相同马赫数的喷管，可以通过设计不同型线或不同注碘方案，包括注碘位置、注碘角度，来满足各种实验研究需要。