CN110739600A - 吸气式脉冲爆震燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸气式脉冲爆震燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，包括吸气式脉冲爆震燃烧装置、过渡段、CO₂气动激光产生装置和排气段。吸气式脉冲爆震燃烧装置，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，其包括外壳、中心体、旋转阀和扰流螺旋；中心体的进气锥部与锥形壳体间构成进气道；进气道后与旋转阀间形成推进剂混合区，脉冲爆震燃烧室位于旋转阀下游；扰流螺旋同轴设在脉冲爆震燃烧室内。当吸气式飞行器超音速飞行时，通过控制旋转阀，实现推进剂脉冲供应，产生脉冲爆震燃烧，燃烧后气体经CO₂气动激光产生装置后产生脉冲激光。本发明产出的激光效率高，节省能源。能在不增加其负荷的同时，既可产生推力，又能产出激光。

Description

吸气式脉冲爆震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，特别是一种吸气式脉冲爆震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，自带燃料又依赖外部空气的吸气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）。这些突出优点使吸气式燃烧驱动气动激光器很容易成为实用的强激光光源。

吸气式燃烧驱动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）。因此吸气式燃烧驱动CO₂气动激光器的发展受到人们极大的关注。

然而，现有的传统燃烧驱动的CO₂激光器还存在着如下不足，有待改进：

1. 传统吸气式燃烧驱动的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，目前通过吸气式燃烧产出激光的能量转化效率理论上约为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%，如果用于吸气式燃烧驱动的CO₂激光器，则可以大幅提升激光转换效率。

2.由于传统吸气式燃烧驱动的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.传统的吸气式燃烧驱动的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系统复杂性。

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，而提供一种吸气式脉冲爆震燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，该吸气式脉冲爆震燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器应用在吸气式飞行器上，采用吸气式脉冲爆震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吸气式飞行器上使用时，能够经过合理设计实现核心机的一机多用，即采用同一套吸气式脉冲爆震燃烧装置，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：

一种吸气式脉冲爆震燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，安装在吸气式飞行器上，包括吸气式脉冲爆震燃烧装置、过渡段、CO₂气动激光产生装置和排气段。

吸气式脉冲爆震燃烧装置包括外壳、中心体、旋转阀和扰流螺旋。

外壳包括从前至后依次设置的锥形壳体和筒形壳体。

中心体同轴设置在位于前端的外壳内，中心体包括进气锥部和尾锥部，进气锥部与锥形壳体之间的间隙构成进气道。中心体中沿周向布设有若干个燃料喷注通道。

旋转阀的数量为两个，两个旋转阀竖向并列叠放在位于中心体下游的筒形壳体内，其中一个旋转阀能够转动，另一个旋转阀位置固定。

进气道后与旋转阀之间的外壳内空间形成推进剂混合区，位于旋转阀下游的筒形壳体内空间形成脉冲爆震燃烧室。位于脉冲爆震燃烧室前端的筒形壳体上设置有能脉冲点火的点火装置。

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吸气式脉冲爆震燃烧装置相连接。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。

当吸气式飞行器超音速飞行时，超声速的空气从进气道吸入并变为亚声速或超声速，在推进剂混合区与从燃料喷注通道喷注的燃料混合，其中一个旋转阀按设定频率转动，实现推进剂向脉冲爆震燃烧室的脉冲供应，经点火装置脉冲点火，在脉冲爆震燃烧室内产生脉冲爆震燃烧，燃烧后气体经CO₂气动激光产生装置后产生脉冲激光。

筒形壳体的内径D和脉冲爆震燃烧室所对应的筒形壳体的长度L需满足L/D≥20。

扰流螺旋长度在（2-10）D之间，螺距在（1/2-1）D之间。

扰流螺旋的堵塞比在30%-50%之间，优选堵塞比约为38%。

与脉冲爆震燃烧室相对应的筒形壳体中内置有壳体冷却通道。

中心体的中心设置有燃料集液腔，燃料集液腔分别与每个燃料喷注通道和位于外侧的燃料供应系统相连接。

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. 采用吸气式脉冲爆震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，产生脉冲激光，实现燃烧产光的目的，同时剩余燃气从尾部排气段排出。由于采用了吸气式脉冲爆震燃烧技术，吸气式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。在自身携带燃料，氧化剂采用空气时其工作模式为吸气式脉冲爆震燃烧模式。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15-55 atm)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（吸气式燃烧驱动CO₂气动激光器理论水平约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。相比较传统的吸气式燃烧驱动激光器，同样燃料可产出更多激光或工作更长时间。

3. 对于以吸气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，故而采用同一套吸气式脉冲爆震燃烧装置，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. 对于以吸气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系统；可为机载或弹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显示了本发明吸气式脉冲爆震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显示了中心体的放大示意图。

图3显示了旋转阀的截面示意图。

图4显示了阵列喷管的放大示意图。

其中有：1中心体，101进气锥部，102尾锥部，2外壳，3旋转阀，31阀孔，4壳体冷却液入口，5火花塞，6扰流螺旋，7壳体冷却通道，8燃料积液腔，9燃料入口，10燃料喷注通道，11推进剂混合区，12壳体冷却液出口，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表示进气道；Ⅱ表示推进剂混合段；Ⅲ表示脉冲爆震燃烧室；Ⅳ表示过渡段；Ⅴ表示CO₂气动激光产生装置；Ⅵ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，一种吸气式脉冲爆震燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，安装在吸气式飞行器上，包括从左至右依次同轴设置的吸气式脉冲爆震燃烧装置、过渡段Ⅳ、CO₂气动激光产生装置Ⅴ和排气段Ⅵ。

吸气式脉冲爆震燃烧装置也称泵浦源，为CO₂气动激光产生装置Ⅴ提供燃烧后的高温高压气体。

吸气式脉冲爆震燃烧装置包括外壳2、中心体1、旋转阀3和扰流螺旋6。

外壳包括从前至后依次设置的锥形壳体和筒形壳体。为了尽量缩短脉冲爆震波起爆距离并缩短爆震室长度，筒形壳体的内径D和圆筒形壳体所对应的脉冲爆震燃烧室III的圆筒形长度L需满足L/D≥20。

中心体同轴设置在位于前端的外壳内，如图2所示，中心体包括进气锥部101和尾锥部102，进气锥部近似为梭体，进气锥部与锥形壳体之间的间隙构成进气道Ⅰ，进气道将超声速气体在激波的作用下变为亚声速或超声速。尾锥部的尖顶朝向后续的推进剂混合区，便于整流。

中心体中沿周向布设有若干个燃料喷注通道10，为了喷注的连续稳定，中心体的中心还设置有燃料集液腔8，燃料集液腔分别与每个燃料喷注通道和位于外侧的燃料供应系统相连接。燃料入口9位于壳体下部，以向燃料集液腔供应燃料。

旋转阀的数量为两个，两个旋转阀竖向并列叠放在位于中心体下游的筒形壳体内，其中左侧的旋转阀优选能够转动，右侧的旋转阀位置固定。

每个旋转阀的结构均优选如图3所示，其沿周向均匀设置有若干个阀孔31，本发明中阀孔数量优选为三个。当其中一个旋转阀转动后，两个旋转阀的阀孔能相互连通，实现推进剂喷注；当转动的旋转阀再次转动后，两个旋转阀的阀孔错开，停止推进剂的喷注。其中一个旋转阀按照设定频率转动，将实现推进剂的脉冲喷射。本申请中，左侧旋转阀的旋转动力优选由外部电机驱动，调节电机功率来实现旋转阀旋转频率进而控制进气及脉冲爆震燃烧频率。

进气道后与旋转阀之间的外壳内空间形成推进剂混合区10，从进气道末端至旋转阀之间的区段也称推进剂混合段Ⅱ。燃料从燃料喷注通道10喷出后从进气道吸入的空气混合，在推进剂混合区11处混合均匀，以保证充分燃烧。

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。

位于旋转阀下游的筒形壳体内空间形成脉冲爆震燃烧室，脉冲爆震燃烧室Ⅲ呈圆筒形，位于旋转阀3后面，是脉冲爆震燃烧发生的场所。

位于脉冲爆震燃烧室前端的筒形壳体上设置有能脉冲点火的点火装置，本发明中点火装置优选为火花塞5。

火花塞5以对进入脉冲爆震燃烧室3内的混合燃气进行点火起爆，进而形成脉冲爆震燃烧，产生高温高压气体，为CO₂气动激光产生装置提供工作介质。

通过火花塞5点燃经旋转阀3进入爆震燃烧室的推进剂，形成脉冲爆震，产生高温高压气体，由于推进剂脉冲供应，所以需要火花塞多次点火起爆。

为了冷却爆震燃烧装置，还在与脉冲爆震燃烧室相对应的筒形壳体中内置有壳体冷却通道7，采用液体冷却方式，在上部设置了壳体冷却液入口4，在下部设置了壳体冷却液出口12。

扰流螺旋同轴设置在脉冲爆震燃烧室内，扰流螺旋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。

CO₂气动激光产生装置通过过渡段与吸气式脉冲爆震燃烧装置相连接，也即用于连接吸气式脉冲爆震燃烧装置的筒形壳体和矩形壳体，过渡段壳体13为圆转矩的结构，便于整流，其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。

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。

阵列喷管的结构如图4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后通过法兰连接排气段。

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。

当吸气式飞行器超音速飞行时，超声速的空气从进气道吸入并变为亚声速或超声速，在推进剂混合区与从燃料喷注通道喷注的燃料混合，其中一个旋转阀按设定频率转动，实现推进剂向脉冲爆震燃烧室的脉冲供应（也即通过控制旋转阀的转速来控制推进剂进入脉冲爆震燃烧室的频率，实现推进剂的脉冲供应），经点火装置脉冲点火，在脉冲爆震燃烧室内产生脉冲爆震燃烧，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，在根据本发明的吸气式脉冲爆震燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器中，吸气式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。

由于脉冲爆震燃烧室Ⅲ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气动激光产生装置部分，还包括过渡段，通过法兰与吸气式脉冲爆震燃烧装置连接，它实际上是一个圆转矩结构，用于连接爆震燃烧装置和气动激光器，将高温高压气体引至阵列喷管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，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 (9)

1.一种吸气式脉冲爆震燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，其特征在于：安装在吸气式飞行器上，包括吸气式脉冲爆震燃烧装置、过渡段、CO₂气动激光产生装置和排气段；

吸气式脉冲爆震燃烧装置包括外壳、中心体、旋转阀和扰流螺旋；

外壳包括从前至后依次设置的锥形壳体和筒形壳体；

中心体同轴设置在位于前端的外壳内，中心体包括进气锥部和尾锥部，进气锥部与锥形壳体之间的间隙构成进气道；中心体中沿周向布设有若干个燃料喷注通道；

旋转阀的数量为两个，两个旋转阀竖向并列叠放在位于中心体下游的筒形壳体内，其中一个旋转阀能够转动，另一个旋转阀位置固定；

进气道后与旋转阀之间的外壳内空间形成推进剂混合区，位于旋转阀下游的筒形壳体内空间形成脉冲爆震燃烧室；位于脉冲爆震燃烧室前端的筒形壳体上设置有能脉冲点火的点火装置；

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吸气式脉冲爆震燃烧装置相连接；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；

当吸气式飞行器超音速飞行时，超声速的空气从进气道吸入并变为亚声速或超声速，在推进剂混合区与从燃料喷注通道喷注的燃料混合，其中一个旋转阀按设定频率转动，实现推进剂向脉冲爆震燃烧室的脉冲供应，经点火装置脉冲点火，在脉冲爆震燃烧室内产生脉冲爆震燃烧，燃烧后气体经CO₂气动激光产生装置后产生脉冲激光。

2.根据权利要求1所述的吸气式脉冲爆震燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，其特征在于：筒形壳体的内径D和脉冲爆震燃烧室所对应的筒形壳体的长度L需满足L/D≥20。

3.根据权利要求2所述的吸气式脉冲爆震燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，其特征在于：扰流螺旋长度在（2-10）D之间，螺距在（1/2-1）D之间。

4.根据权利要求3所述的吸气式脉冲爆震燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，其特征在于：扰流螺旋的堵塞比在30%-50%之间，优选为约38%。

5.根据权利要求1所述的吸气式脉冲爆震燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，其特征在于：与脉冲爆震燃烧室相对应的筒形壳体中内置有壳体冷却通道。

6.根据权利要求1所述的吸气式脉冲爆震燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，其特征在于：中心体的中心设置有燃料集液腔，燃料集液腔分别与每个燃料喷注通道和位于外侧的燃料供应系统相连接。

7.根据权利要求1所述的吸气式脉冲爆震燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，其特征在于：过渡段为圆转矩结构。

8.根据权利要求1所述的吸气式脉冲爆震燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，其特征在于：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。

9.根据权利要求1所述的吸气式脉冲爆震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。

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