DE2235227C3

DE2235227C3 - Verfahren zum Betrieb eines gasdynamischen Lasers und Laser zur Durchfährung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2235227C3
Application number: DE2235227A
Authority: DE
Inventors: Roland John Quarndon Hill; Norman Thomas Mickleover Jewell
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1971-07-20
Filing date: 1972-07-18
Publication date: 1978-05-03
Also published as: GB1390919A; IT963179B; JPS4829389A; JPS5416199B2; DE2235227B2; FR2146427B1; DE2235227A1; US3899749A; FR2146427A1

Description

fts

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines mit kontinuierlicher Verbrennung arbeitenden gasdynamischen Lasers, bei dem Brennstoffe in komprimiertem Gas so verbrannt werden, daß ein laserfähiges Gemisch entsteht, wonach dieses Gasgemisch zur Erzeugung einer Besetzungsinversion in mindestens einer Überschalldüse entspannt wird, und durch einen optischen Resonator strömt

Die Erfindung bezieht sich auch auf einen gasdynamischen Laser zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein solcher gasdynamischer Laser ist aus der Literaturstelle »IEEE Spectrum«, Bd. 7 (1970), H. II, Seiten 51 bis 58, beschrieben. Dabei wird eine Gasmischung von ungefähr 90% N₂, 10% CO₂ und 1% H2O durch Verbrennung von CO oder von C2N2 mit Sauerstoff oder/und Stickstoffv ;rdünnung verbrannt, und zwar unter Zusatz von Wasserstoff oder Kohlenwasserstoff zur Erzeugung des Wasserdampfes. Diese Möglichkeit der Laserei zeugung legt den Wunsch nahe, Hochleistungslaser zu schaffen, die in der Lage sind, einen kohärenten Strahl höchster Energiedichte abzustrahlen. Zu diesem Zweck ist es jedoch notwendig, große Mengen von Stickstoff und Brennstoffen zur Verfügung zu stellen. Dabei erweist es sich aus verschiedenen Gründen als unzweckmäßig, Stickstoff aus einem Speicher zuzuführen und die für diesen Zweck benutzten Brennstoffe wie C2N2 oder CO sind kostspielig und giftig. Um höhere Laserleistungen zu erzielen, ist es außerdem erforderlich, mit höheren Temperaturen zu arbeiten und höhere Drücke zu benutzen. Dies erfordert einen raumgreifenden und gewichtsmäßig schweren apparativen Aufbau, was eine Anwendung im Mobilbetrieb ausschließt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines gasdynamischen Lasers hoher und höchster Leistung zu schaffen, durch welches bei geringsten Installationskosten und gewichtsmäßig leichtem und mobilem Aufbau der angestrebte Laserstrahl hohe Energiedichte durch Anwendung einer bereits für andere Zwecke zur Verfügung stehenden Energiequelle erzeugt wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Energiequellen zur Verfügung stehen, die in der Lage sind, wenigstens einen Teil ihrer Leistung für die Lasererzeugung wenigstens kurzzeitig zur Verfügung zu stellen, ohne daß ihre eigentliche Aufgabe wesentlich beeinträchtigt wird.

Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß zumindest ein Teil der komprimierten Gase, die das laserfähige Gemisch entstehen lassen, vom Kompressor einer Gasturbine abgeleitet wird.

Gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest ein Teil der komprimierten Gase als Verbrennungsgase aus der Brennkammer einer Gasturbine abgeleitet.

Auf diese Weise wird es unnötig, Stickstoff von einem Speicher heranzuführen, weil dieser Stickstoff aus der Luft entnommen wird, in der eine Verbrennung von Kohlenwasserstoffen oder anderen Brennstoffen stattfindet. Auf diese Weise können Laserstrahlen überall dort erzeugt werden, wo eine Gasturbine zur Verfugung steht, sei es eine stationäre Gasturbine oder eine für einen Fahrzeugantrieb vorgesehene Gasturbine. Insbesondere ist die Erfindung anwendbar in Verbindung mit Flugzeugen, wo die komprimierten Gase von einem Gasturbinenstrahltriebwerk abgeleitet werden können, und der erzeugte Laserstrahl dann als Defensivwaffe oder als Offensivwaffe benutzt werden kann. Gerade bei Anwendung in Verbindung mit einem Flugzeug ist die

Gewichtsersparnis des Aufbaus von entscheidender Bedeutung und insbesondere hierbei können die hohen Leistungen eines Triebwerks zur Erzeugung der Laserwirkung nutzbar gemacht werden, wobei Laserstrahlen mit hoher Energiedichte bereits erzeugt werden können, wenn nur ca. 10% der Leistung des Triebwerkes abgezogen wird. Da der Laser nur relativ kurze Zeit in Betrieb ist, ist eine Störung des Flugbetriebes nicht zu befürchten.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden die von der Gasturbine vor oder hinter der Brennkammer abgezapfte Gase in eine weitere Brennkammer geleitet, in die ein Brennstoff injiziert und verbrannt wird, der aus folgenden Stoffen ausgewählt wird: Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Kohlenstoffdisulfid, Kohlenstickstoff (Cyanogen) und feinverteilter Kohlenstoff.

Zur Verbesserung der Besetzungsinversion kann den Verbrennungsgasen, gleichgültig ob die-e aus der Brennkammer des Triebwerks oder von der Verbrennung in der weiteren Brennkammer herrühren, zusätzlich einer öder mehrere der folgenden Stoffe zugesetzt werden: Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Kohlenstoffdisulfid und Cyanogen.

Der zur Durchführung des Verfahrens vorgesehene gasdynamische Lasci besteht dann im wesentlichen aus einer Kammer, an welche die Überschalldüsc -Düsen angeschlossen ist/sind, wobei lediglich noch Mittel vorgesehen werden müssen, welche die Gase entweder vom Kompressor der Gasturbine oder von einer Stelle hinter der Brennkammer der Turbine zuführen. Im Falle der Zuführung von komprimierter Hochdruckluft ist die zusätzliche Kammer als Brennkammer ausgebildet, der zusätzlich Brennstoff zugeführt wird. Falls die Kammer mit Brenngasen aus der Brennkammer des Gasturbinentriebwerks gespeist wird, dann kann auf eine nochmalige Verbrennung verzichtet werden, obgleich diese auch möglich ist.

Auf diese Weise wird ein »luftatmender« Laser geschaffen, der seine Energie vom Triebwerk abzieht und selbst nur die zur Erzeugung der Besetzungsinversion erforderlichen Teile enthält, die raumsparend angeordnet werden können.

Ein solcher »luftatmender« Laser enthält einen gewissen Anteil von freiem Sauerstoff und das Verhältnis von CO2 zu H2O liegt etwa im Bereich zwischen 1 :1 und 2:1, und liegt daher sehr weit ab von dem bei CO-Syttemen üblichen Verhältnis von 10:1 oder 20 :1. Jedoch können dadurch die Verbrennungstemperaturen wesentlich erhöht werden, und es können Werte von mehr als 2000 K erreicht werden, und diese

Tabelle I

hohen Temperaturen tragen in hohem Maße zu dem Energieinhalt des Stickstoffs bei, und demgemäß zur verfügbaren Energiedichte des Laserstrahles.

Nachstehend werden zwei Aus'ührungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform, bei der Gase aus der Brennkammer eines Gasturbinenstrahltriebwerks entnommen werden, ,■ο Fig. 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform, bei welcher die Gase vom Kompressor eines Gasturbinenstrahltriebwerks abgezapft werden,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 11I-III gemäß is Fig. 1 bzw.2,

F i g. 4 die Lage des optischen Hohlraums in Beziehung zu den Düsen in einer Ansicht gemäß Pfeil IV in F i g. 2,

F i g. 5 eine schematische Darstellung eines anderen Verfahrens zur Anordnung des optischen Hohfraurns in Verbindung mit Expansions- und Diffusionsdüsen.

In F i g. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein

Gasturbinenstrahltriebwerk, wie es als Flugzeugantrieb,

z. B. zum Antrieb von Jagdflugzeugen, benutzt wird. Das Triebwerk weist einen Kompressor 2, eine Verbrennungseinricluung 3 und eine Turbine 4 auf. die im Abgaskanal und einer Düse 5 mündet. Bei 6 werden Verbrennungsgase aus der Brennkammer oder den Brennkammern abgezapft und über eine Leitung 7 einer Füllkammer 8 zugeführt, deren Zweck darin besteht, die Druckfluktuationen zu glätten und eine Mischung und/oder Verbrennung der abgezapften Gase mit anderen Substanzen, z. B. Brennstoff, zu ermöglichen, die bei 9 oder bei anderen nichtdargestellten Punkten in den Strom der abgezapften Gase eingespritzt werden.

Die Füilkammer 8 muß so beschaffen sein, daß es der Hitze der abgezapften Gase widerstehen kann. Außerdem muß die Füllkammer auch als Brennkammer ausgebildet sein, wenn nicht nur inerte Substanzen eingespritzt werden, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 der Fall ist.

Typische Verbrennungsprodukte moderner Gasturbinenstrahltriebwerke, die zur Verwirklichung der Erfindung benutzt werden können, sind in der Tabelle 1 zusammengestellt. Auch die Zusammensetzung, die für den lasernden Bestandteil nach der aerodynamischen Expansion erforderlich ist, kann aus der Tabelle I abgelesen werden, ebenso der Status der verschiedenen Bestandteile in bezug auf den lasernden Bestandteil der so Mischung.

Bestandteile

Zustand

CO₂
H₂O
SO₂

Ar
CO
O,

Energiepumpen
Lasermittel

Relaxionsmitlel

Zusätzliche Gase, die zusätzliche
Verlust erzeugen können

Typische Mol-% der Verbrennungsgase	Zahl der Mol-"/u einet Mischung, erforderlich zum Tragen der Laserwirkung
76,99	70-90%
2,79	5-25 %
2,75	bis zu 20%. H₂O zulässig*)
0,9
<O,1 I 16.5 I	führt zu einer Reduktion der Laserwirkung

*) Dieser Wert Meiert im Hinblick auf die Lxpansionsdüse eine geeignete lixpansionsrate: ic größer der Wassergehalt desto gröMer ist die lixDansionsrate.

Die Temperatur unmittelbar vor der Expansion der Mischung ist ebenfalls von Wichtigkeit, wenn hohe Laserleistungen durch dieses Verfahren erzeugt werden sollen. Die optimale Temperatur für Mischungen, die der rechten Spalte der Tabelle I Rechnung tragen, hängen z. B. vom Druck, von der Zusammensetzung und der Düsenausbildung ab und sie können in einem Bereich zwischen 1200K und 2400 K liegen. Die Austrittstemperatur bei einer Gasturbinenbrennkammer kann etwa 1200 bis 1600 K betragen.

In Anbetracht obiger Ausführungen und im Hinblick auf die Tabelle I wird es klar, daß die Zusammensetzung und/oder Temperatur der Gase die vom Verbrennungsteil des Gasturbinenstrahltriebwerks abgezapft werden müssen, einer Einstellung bedürfen. Dies kann z. B. dadurch bewirkt werden, daß zusätzlich Brennstoff in den abgeleiteten Gasen verbrannt wird, wodurch ihr »Äquivalenzverhältnis« angehoben wird. Dieses Äquivalenzverhältnis ist definiert als

Verhältnis von:

0,38	0,59	0,85
16	16	16
1600	2000	2400
76	75	73
5	8,1	11
5	7,7	11
12	7,9	2,5
0,78	1,03	0,83

Brennstoff-Luft-Verhältnis der Mischung

Brennstoff-Luft-Verhältnis
der stöchiometrischen Mischung

Beispiele von Laserwirkungen, die von der Expansion von Brennkammerprodukten bei äquivalenten Verhältnissen im Bereich zwischen 0,4 und 0,8 möglich sind, werden in der Tabelle II aufgeführt. Wie oben erwähnt, ist es notwendig, daß diese Äquivalenzverhältnisse allgemein höher sind als gewöhnlich im Normalbetrieb von Luftfahrzeugen.

Tabelle II

Äquivalenz verhältnis
Füllkammerdruck in Bar
Stagnierende Gesamttemperatur
Mol-¹/» N₂

CÖ,

11,0

O₂

Kleine Signalverstärkung*)
(% cm)

Flächenexpansionsverhältnis 55
für minimale Länge mit einer
mit Kontur versehenen
2-D-Düse Einschnürungshöhe
0,2 mm

Idealleistung kW/kg 33

der Strömung (ohne Verluste)

·) »Kleine Signalverstärkung« ist ein Maß der Verstärkung pro Längeneinheit eines Strahles einer Strahlung bei der Lasersusgangswellenlänge, die das Lasermedium nicht merklich stört.

Es sind größere Bereiche von Bedingungen möglich als die in der Tabelle II dargestellten und die exakten Bedingungen von Druck und Temperatur, die jeweils gewählt werden, hängen von ingenieurmäßigen Betrachtungen und der Verfügbarkeit von abgeleiteten Gasen ab und außerdem von der maximalen Temperatur, die die Düsen aushalten können. In jedem Falle wird die Düse für maximale Verstärkung und Leistung ausgelegt

Die Beispiele der Tabelle II befassen sich mit der Verbrennung von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen in

55

44

Gasen. Es können jedoch auch andere brennbare oder nichtbrennbare Substanzen, z. B. Kohlendioxid, bei 9 zugeführt werden, um Mischungen zu erzeugen, die eine verbesserte Laserwirkung ergeben.

^ Beispiele von Brennstoffen und Substanzen, die in diesem Zusammenhang benutzbar sind, stellen folgende Stoffe dar: Kerosin, Kohlenwasserstoff-Brennstoffe, Stickstoff, Kohlenstoffdisulfid, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Luft, Cyanogen und feinverteilter Kohlenstoff.

ίο Nachdem in der Füllkammer 8 die geeignete Mischung erhalten ist, werden die Gase durch die Konvergent-Divergent-Düsen 10 geleitet, die derart beschaffen ist, daß eine Überschallströmung an der Einschnürung und im divergenten Teil der Düsen

is erzeugt wird. Die Düsen sind gedrosselt Obgleich nur eine Düse in Fig. 1 der Übersichtlichkeit wegen dargestellt ist, können mehrere Düsen gemäß Fig. 3 angeordnet sein (Fig. 3 stellt einen Querschnitt einer Z-Düsenanordnung dar, wobei die Schnittlinie in F i g. 1 und F i g. 2 mit III-III gekennzeichnet ist.

Wenn die Strömung in einem Unterschallbereich der Düse gewendet wird, so daß die Auslaßströmung in einem Winkel gegenüber der Einlaßströmung angestellt ist, kann dies die Größe der Vorrichtung verringern. In F i g. 5 ist nicht nur die Strömung um einen Winkel in der Expansionsdüse 18 der Vorrichtung abgelenkt, sondern der Diffusorteil 19 ist in gleicher Weise ausgebildet. Die Anordnung ist die einer Doppelüberschallwendedüse, wobei der Laserhohlraum C zwischen den beiden

yo Gruppen von Düsen angeordnet ist. Diese Ausbildung vermeidet den sich erweiternden Abschnitt der Reservoir-Brennkammer 8, der am besten aus Fig.4 ersichtlich ist und der sonst notwendig ist, um den Ausgang der Kammer dem Düsenabschnitt 10 anzupas-

vs sen.

Im folgenden wird auf die F i g. 1 bis 4 der Zeichnung Bezug genommen. Der optische Desonator C in der Expansionskammer 11 bewirkt eine »Resonanz«, d.h. jegliche Laserstrahlung, die von der Besetzungsinver-

₄c sion herrührt, wird nach hinten und vorn längs des optischen Pfades durch geeignet gestaltete Spiegel an beiden Enden des Resonators C reflektiert, wodurch eine weitere Laseremission stimuliert wird. Der optische Resonator liegt somit quer zur Gasströmung durch die Düsen und parallel zu der Düsenreihe, wie aus F i g. 4 ersichtlich (die F i g. 4 ist eine Ansicht in Richtung des Pfeiles IV gemäß F i g. 2).

Es wird ein Laserstrahl 12 erzeugt, wenn die Bedingungen in dem Gasstrom mit den oben beschriebenenen Forderungen übereinstimmen.

Nach Durchtritt durch den optischen Resonator C und voller Ausdehnung in der Expansionskammer 11 liegt der Druck auf einem kleinen Wert, und wenn das Flugzeug nicht in großer Höhe fliegt, dann wird der Druck in der Kammer 11 wahrscheinlich niedriger sein als der atmosphärische Druck oder der Druck im Strahlrohr. Da aber die Abgase vorzugsweise in das Strahlrohr zur Schuberhöhung oder auch sonst nach außen abgeleitet werden müssen, ist es notwendig, einen Kompressor 13 und einen Abgaskanal 14 vorzusehen. Falls erforderlich, kann der Kompressor 13 die Abgase auf einen geeigneten Wert komprimieren, um sie nach der Atmosphäre oder in das Strahlrohr 5 fiber den Kanal 14 auszustoßen, wobei gleichzeitig ein genügend niedriger Druck in der Expansionskammer 11 erhalten bleibt

Der Kompressor 13 kann als Zubehörmaschine eines Gasturbinenstrahltriebwerks angetrieben werden.

Statt dessen kann eine Diffusoreinheit anstelle des Kompressors 13 benutzt werden, um die Gase aus der Kammer 11 abzuziehen.

Im folgenden wird auf F i g. 2 der Zeichnung Bezug genommen. Diese Figur zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Wiederum wird ein Gasturbinenstrahltriebwerk 1 benutzt, um Gase zuzuführen. In diesem Falle werden diese Gase jedoch vom Hochdruckkompressor HP 2 abgezapft Um einen Gasstrom der erforderlichen Temperatur, Druck und Zusammensetzung zu erzielen, ist es notwendig, einen Brennstoff in die abgeleiteten Gase bei 15 in die Brennkammer 17 einzuspritzen und zusätzlich andere Substanzen bei 16 zuzuführen.

Geeignete Brennstoffe sind z. B. Benzol, Kerosin, Acetylen und Äthylen, d. h. allgemein Kohlenwasserstoff-Brennstoffe. Als reaktive Additive können Cyanogen oder Kohlenmonoxyd zugesetzt werden, die auch als Brennstoff klassifiziert werden könnten. Als nichtreaktiver Zusatz könnte Stickstoff oder CO₂ zugeführt werden. Beispiele von Kerosin-Luft-Verbrennung und der Verbrennung von Benzolen mit nichtreaktiven Additiven, wodurch eine Laserwirkung erzielt wird, ist in Tabelle III aufgeführt.

Tabelle IU

Anteil von Luft Massenströmung von Brennstoff und

vom Kompressor Additiven für Äquivalenzverhältnis
von 0,6 (kg/scc)

0,963
,o 0,396

0,037 Kerosin Keine Additive

0,028 (CH₆) Benzole &, )

Moderne Gasturbinen sind in der Lage, Massenströmungen von mehr als 25 kg/sec zu erzeugen, wovor 10% leicht abgezapft werden können. Von dei Gesamtenergie, die in dem abgezapften Gas enthalter ist, können ungefähr 40 kW/kg/sec potentiell für ein« Laserwirkung benutzt werden, die Kohlendioxid ah Lasermittel benutzt; wenn bei einer solchen Einrichtunj ein Viertel bis zur Hälfte der potentiellen Laserleistunj realisiert würde, dann wurden 10 bis 20kW/kg/se( erlangt werden, d.h. eine Gesamtleistung von 25 bi: 5OkW.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb eines mit kontinuierlicher Verbrennung arbeitenden gasdynamischen s Lasers, bei dem Brennstoffe in komprimiertem Gas so verbrannt werden, daß ein laserfähiges Gemisch entsteht, wonach dieses Gasgemisch zur Erzeugung einer Besetzungsinversion in mindestens einer Überschalldüse entspannt wird, und durch einen ι ο optischen Resonator strömt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil dtr komprimierten Gase vom Kompressor einer Gasturbine abgeleitet wird (F i g. 2).

2. Verfahren zum Betrieb eines mit kontinuierli- is eher Verbrennung arbeitenden gasdynamischen Lasers, bei dem Brennstoffe in komprimiertem Gas so verbrannt werden, daß ein laserfähiges Gemisch entsteht, wonach dieses Gasgemisch zur Erzeugung einer Besetzungsinversion in mindestens einer Überschalldüse entspannt wird, und durch einen optischen Resonator strömt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der komprimierten Gase als Verbrennungsgase aus der Brennkammer einer Gasturbine abgeleitet wird (F ig. 1).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die komprimierten Gase von einem Gasturbinenstrahltriebwerk abgeleitet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Gasturbine abgeleiteten Gase in eine Brennkammer geleitel werden, in die ein Brennstoff injiziert und verbrannt wird, der aus folgenden Stoffen ausgewählt wird: Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Kohlenstoffdisulfid, Kohlenstickstoff (Cyanogen) und feinverteilter Kohlenstoff.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Verbrennungsgasen zusätzlich einer oder mehrere der folgenden Stoffe in der Brennkammer zugesetzt werden: Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Kohlenstoffdisulfid und Cyanogen.

6. Gasdynamischer Laser zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brennkammer (17) vorgesehen ist, an welche die Überschalldüse/-Düsen (10) angeschlossen ist/sind und daß Mittel vorgesehen sind, welche Gase vom Kompressor (HP2) der Gasturbine in die Brennkammer (17) leiten sowie andere Mittel (16), so die für die Zuführung von Brennstoff und ggf. weiteren Stoffen in die Brennkammer dienen.

7. Gasdynamischer Laser zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reservoir-Kammer (8) vorgesehen ist, an welche die ÜberschalldüseADüsen (10) angeschlossen ist/sind und daß Mittel (7) vorgesehen sind, welche Verbrennungsgase aus der Brennkammer der Gasturbine in die Reservoir-Kammer (8) leiten, sowie andere Mittel, die für die Zuführung von ho Brennstoff und/oder von weiteren Stoffen in die Reservoir-Kammer dienen.