CN110707521B - 连续旋转爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续旋转爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，包括连续旋转爆震燃烧装置、过渡段、CO₂气动激光产生装置和排气段。连续旋转爆震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；包括壳体、中心锥体、旋转爆震燃烧室和喷注面板。过渡段使燃烧装置后的燃气适应构型的变化，以尽量小的总压损失平稳流经到阵列喷管前。CO₂气动激光产生装置包括阵列喷管和光腔。排气段使出光后产物气体快速排到外界。本发明采用连续旋转爆震火箭燃烧装置作为泵浦源，故产出的激光效率高，节省能源。可在火箭或火箭助推的飞行器上使用，能在不增加其负荷的同时，既可产生推力，又能产出激光。也可在地面作为大功率连续强激光光源。

Description

连续旋转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，特别是一种连续旋转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系统(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。

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，而提供一种连续旋转爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，该连续旋转爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器采用连续旋转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。当旋转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，即采用同一套连续旋转爆震火箭燃烧装置，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连续激光。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种连续旋转爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，包括连续旋转爆震燃烧装置、过渡段、CO₂气动激光产生装置器和排气段。

连续旋转爆震燃烧装置包括壳体、中心锥体、旋转爆震燃烧室和喷注面板。

壳体呈圆筒形，同轴套装在中心锥体的外周。中心锥体包括同轴设置的圆柱部和圆锥部。

圆柱部的外壁面与壳体的内壁面之间形成旋转爆震燃烧室，旋转爆震燃烧室的纵截面呈环形。

喷注面板分别与壳体端部和圆柱部的端部相连接，喷注面板上设置有燃料喷注通道和氧化剂喷注通道，燃料喷注通道的燃料喷出口和氧化剂喷注通道的氧化剂喷出口能相交，且相交点位于旋转爆震燃烧室内。

壳体上设置有点火装置，用于将从燃料喷出口喷出的燃料和从氧化剂喷出口喷出的氧化剂进行点燃。其中氧化剂为氧气或空气。

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。

过渡段用于连接连续旋转爆震燃烧装置和CO₂气动激光产生装置，圆锥部的尖顶朝向过渡段。排气段能使出光后产物气体快速排到外界。

旋转爆震燃烧装置中旋转爆震燃烧室的环形宽度δ和最小长度L_min，满足如下计算公式：

δ≥0.5λ，当采用液体燃料时，还需δ≥d。

其中，h^*＝(12±5)λ

式中，λ为旋转爆震燃烧室在室压下混合气所对应的胞格尺寸，d为燃料液滴的最小直径。

旋转爆震燃烧室的周长l，则满足如下计算公式：

式中，h为旋转爆震燃烧室中混合气的高度，近似等于爆震波高度h^*。U_j为喷注速度，取决于氧化剂的来流速度。D为爆震波传播速度。

壳体内设置有壳体冷却液通道。

中心锥体内设置有锥体冷却液通道。

喷注面板的外侧设置有壳体端盖，壳体端盖中设置有燃料积液腔和氧化剂缓冲腔，燃料积液腔分别与燃料供应系统和燃料喷注通道相连接，氧化剂缓冲腔分别与氧化剂供应系统和氧化剂喷注通道相连接。

点火装置为火花塞和热射流中一种或两种。

过渡段为圆转矩的结构，包括上游圆形段和下游矩形段，上游圆形段与连续旋转爆震燃烧装置连接，下游矩形段与CO₂气动激光产生装置器连接。下游矩形段的纵截面积不超过连续旋转爆震燃烧装置尾部的圆形截面积。

排气段的结构需根据激光器的工作模式而定，当仅用于产出激光时，排气段呈减缩构型。当既要产出激光，又要产生推力时，排气段则呈缩放构型。

本发明具有如下有益效果：

1.采用连续旋转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。由于采用了连续旋转爆震燃烧技术，连续旋转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，还具有连续工作持续输出的特点。在自身携带氧化剂和燃料时其工作模式为连续旋转爆震火箭燃烧模式。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2800K)。由于爆震波传速度极快，其后的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(省略压力恢复系统)产生大功率连续激光的方案。

3.对于以火箭式连续旋转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，故而采用同一套连续旋转爆震火箭燃烧装置，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.对于以火箭式连续旋转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系统；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，比如发射高功率连续激光毁伤(拦截)来袭目标或者攻击敌方空间目标。

附图说明

图1显示了本发明中连续旋转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显示了阵列喷管的结构示意图。

其中有：1氧化剂喷注通道，2锥体冷却液入口，3燃料喷注通道，4锥体冷却液出口，5喷注面板，6壳体冷却液入口，7火花塞，8热射流入口，9壳体，10旋转爆震燃烧室，11壳体冷却液出口，12中心锥体，13过渡段壳体，14阵列喷管，15光腔，16激光出口，17排气段壳体；18补料孔。

另外，图1中，Ⅰ表示连续旋转爆震燃烧装置；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，一种连续旋转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连续旋转爆震燃烧装置Ⅰ、过渡段Ⅱ、CO₂气动激光产生装置Ⅲ和排气段Ⅳ。

连续旋转爆震燃烧装置为泵浦源，为CO₂气动激光产生装置Ⅲ提供燃烧后的高温高压气体，作为下游产出激光的总能源。

连续旋转爆震燃烧装置包括壳体9、中心锥体12、旋转爆震燃烧室10和喷注面板5。

壳体呈圆筒形，同轴套装在中心锥体的外周。

壳体内设置有壳体冷却液通道，目的是为了冷却旋转爆震燃烧装置。优选，壳体上部左侧设置壳体冷却液入口6，壳体下部右侧设置壳体冷却液出口11。

壳体上还设置有点火装置，点火装置优选为火花塞和热射流中一种或两种。本发明中，点火装置同时包括火花塞和热射流，也即在壳体上部同时设置火花塞7和热射流入口8。

火花塞7和热射流入口8为爆震提供两种起爆方式，分别是火花塞高能点火起爆以及热射流起爆。点火时，任选一种点火方式即可。

中心锥体包括同轴设置的圆柱部和圆锥部。圆柱部的左侧优选与壳体的左侧相对齐。圆柱部的外壁面与壳体的内壁面之间的间隙形成旋转爆震燃烧室，旋转爆震燃烧室的纵截面呈环形，是旋转爆震燃烧的场所。

激光器整体尺寸取决于上游旋转爆震燃烧装置尺寸，旋转爆震燃烧装置中旋转爆震燃烧室的环形宽度δ(也即为中心锥体圆柱部与壳体之间的间隙)和最小长度L_min，满足如下计算公式：

δ≥0.5λ，当采用液体燃料时，还需δ≥d；

其中，h^*＝(12±5)λ

式中，λ为旋转爆震燃烧室在室压下混合气所对应的胞格尺寸，d为燃料液滴的最小直径。

旋转爆震燃烧室的周长l则满足如下计算公式：

式中，h为旋转爆震燃烧室中混合气的高度，近似等于爆震波高度h^*；U_j为喷注速度，主要取决于氧化剂(空气)的来流速度，最多为声速；D为爆震波传播速度。

燃料和氧化剂混合过程主要受喷注方式和喷注压降的影响，当喷注压降为P_f/P_c＝2和P_ox/P_c＝3时，所得的爆震波稳定性较好。P_f为燃料在喷注腔中的压力、P_ox为氧化剂在喷注腔中的压力、P_c为旋转爆震燃烧室压力。

中心锥体内优选设置有锥体冷却液通道，锥体冷却液通道包括锥体冷却液入口2和锥体冷却液出口4。

喷注面板分别与壳体端部和圆柱部的端部(也即左侧对齐端)相连接。

喷注面板上优选设置有均沿圆周分布且数量相等的燃料喷注通道3和氧化剂喷注通道1，燃料喷注通道的燃料喷出口和氧化剂喷注通道的氧化剂喷出口能相交，优选相垂直，且相交点位于旋转爆震燃烧室内。

喷注面板5为旋转爆震燃烧室连续不断提供推进剂。

喷注面板的外侧设置有壳体端盖，壳体端盖中设置有燃料积液腔和氧化剂缓冲腔，燃料积液腔分别与燃料供应系统和燃料喷注通道相连接，氧化剂缓冲腔分别与氧化剂供应系统和氧化剂喷注通道相连接。

上述燃料积液腔和氧化剂缓冲腔的设置，能保持推进剂的连续稳定喷注。

锥体冷却液入口2和锥体冷却液出口4优选分别从喷注面板和壳体端盖中伸出，用于锥体冷却液的添加或排出。

点火装置用于将从燃料喷出口喷出的燃料和从氧化剂喷出口喷出的氧化剂进行点燃。其中氧化剂包括氧气或空气，优选为添加有微量氮气的氧气。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％

上述氧化剂，甲烷或乙炔等燃料，获取容易。

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14和光腔15，与光腔对应的矩形壳体上设置激光出口16。其中，矩形壳体的纵截面呈矩形，光腔也即为光学谐振腔的简称。

上述阵列喷管14和光腔15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18用于补充不足的成分(如CO₂、N₂等)。光腔15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16处输出激光。光腔15优选通过法兰连接排气段中的排气段壳体17。

过渡段用于连接连续旋转爆震燃烧装置中圆柱形的壳体和CO₂气动激光产生装置中的矩形壳体，圆锥部的尖顶朝向过渡段，便于整流。

过渡段壳体13优选为圆转矩的结构，使燃烧装置后的燃气适应构型的变化，以尽量小的总压损失平稳流经到阵列喷管前。

过渡段包括上游圆形段和下游矩形段，上游圆形段与连续旋转爆震燃烧装置连接，下游矩形段与CO₂气动激光产生装置器连接。下游矩形段的纵截面积不超过连续旋转爆震燃烧装置尾部的圆形截面积，下游矩形段的纵截面积与连续旋转爆震燃烧装置尾部的圆形截面积相等，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17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。

参照图1，在根据本发明的续旋转爆震火箭燃烧驱动的预混式CO₂气动激光器中，旋转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激光产生装置Ⅲ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，维持在接近平动温度的平衡浓度。

当高温混合气体通过阵列喷管14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15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16输出激光。

由于旋转爆震燃烧室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。与传统的燃烧室相比，本发明中的旋转爆震燃烧室10的尺寸较短，从而缩小了气动激光器的整体尺寸，有利于气动激光器的小型化。

参照图1，本发明中的过渡段壳体13，通过法兰与连续旋转爆震燃烧装置连接，它实际上是一个圆转矩结构，用于连接旋转爆震燃烧装置和CO₂气动激光产生装置，将高温高压气体引致阵列喷管14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；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 (8)

1.一种连续旋转爆震火箭燃烧驱动的预混式CO₂气动激光器，其特征在于：包括连续旋转爆震燃烧装置、过渡段、CO₂气动激光产生器装置和排气段；

连续旋转爆震燃烧装置包括壳体、中心锥体、旋转爆震燃烧室和喷注面板；

壳体呈圆筒形，同轴套装在中心锥体的外周；中心锥体包括同轴设置的圆柱部和圆锥部；

圆柱部的外壁面与壳体的内壁面之间形成旋转爆震燃烧室，旋转爆震燃烧室的纵截面呈环形；

喷注面板分别与壳体端部和圆柱部的端部相连接，喷注面板上设置有燃料喷注通道和氧化剂喷注通道，燃料喷注通道的燃料喷出口和氧化剂喷注通道的氧化剂喷出口能相交，且相交点位于旋转爆震燃烧室内；

爆震燃烧以激波与燃烧波耦合的方式消耗未燃混合物，能够产生大于15-55 atm的燃气压力和大于2800 K的燃气温度；由于爆震波传速度快，燃烧过程能视为等容燃烧过程，因而其热力循环效率高，能将激光产出效率翻倍；

壳体上设置有点火装置，用于将从燃料喷出口喷出的燃料和从氧化剂喷出口喷出的氧化剂进行点燃；其中氧化剂为氧气或空气；

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；

过渡段用于连接连续旋转爆震燃烧装置和CO₂气动激光产生装置，圆锥部的尖顶朝向过渡段；排气段能使出光后产物气体快速排到外界；排气段的结构需根据激光器的工作模式而定，当仅用于产出激光时，排气段呈减缩构型，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；当既要产出激光，又要产生推力时，排气段则呈缩放构型，实现热能到光能转换的同时继续利用燃气排放的动能。

2.根据权利要求1所述的连续旋转爆震火箭燃烧驱动的预混式CO₂气动激光器，其特征在于：旋转爆震燃烧装置中旋转爆震燃烧室的环形宽度

和最小长度

，满足如下计算公式：

≥0.5

，当采用液体燃料时，还需

≥d；

其中，

式中，

为旋转爆震燃烧室在室压下混合气所对应的胞格尺寸，d为燃料液滴的最小直径。

3.根据权利要求2所述的连续旋转爆震火箭燃烧驱动的预混式CO₂气动激光器，其特征在于：旋转爆震燃烧室的周长l，则满足如下计算公式：

式中，h为旋转爆震燃烧室中混合气的高度，近似等于爆震波高度

；

为喷注速度，取决于氧化剂的来流速度；

为爆震波传播速度。

4.根据权利要求1所述的连续旋转爆震火箭燃烧驱动的预混式CO₂气动激光器，其特征在于：壳体内设置有壳体冷却液通道。

5.根据权利要求1所述的连续旋转爆震火箭燃烧驱动的预混式CO₂气动激光器，其特征在于：中心锥体内设置有锥体冷却液通道。

6.根据权利要求1所述的连续旋转爆震火箭燃烧驱动的预混式CO₂气动激光器，其特征在于：喷注面板的外侧设置有壳体端盖，壳体端盖中设置有燃料积液腔和氧化剂缓冲腔，燃料积液腔分别与燃料供应系统和燃料喷注通道相连接，氧化剂缓冲腔分别与氧化剂供应系统和氧化剂喷注通道相连接。

7.根据权利要求1所述的连续旋转爆震火箭燃烧驱动的预混式CO₂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。

8.根据权利要求1所述的连续旋转爆震火箭燃烧驱动的预混式CO₂气动激光器，其特征在于：过渡段为圆转矩的结构，包括上游圆形段和下游矩形段，上游圆形段与连续旋转爆震燃烧装置连接，下游矩形段与CO₂气动激光产生装置器连接；下游矩形段的纵截面积不超过连续旋转爆震燃烧装置尾部的圆形截面积。

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