DE2254798C3

DE2254798C3 - Gasdynamischer CO2 -Laser

Info

Publication number: DE2254798C3
Application number: DE2254798A
Authority: DE
Inventors: Gunthard Dipl.-Phys. Dr.-Ing. Dr. 8000 Muenchen Born
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1972-11-09
Filing date: 1972-11-09
Publication date: 1979-07-26
Also published as: US3898584A; FR2206600B1; DE2254798A1; GB1450591A; FR2206600A1; DE2254798B2

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen gasdynamischen 002-Laser, bestehend aus einer Brennkammer, einem Resonatorraum und einer dazwischen liegenden Düsenanordnung bei dem als Lasermaterial ein Gasgemisch aus N₂, CO2 und H₂O verwendet wird, das durch die Verbrennung eines Treibstoff-Oxidator-Gemisches erzeugt wird.

Bisher bekannte Aufheizkammern zur Erzeugung eines heißen CO₂-N2-Gemisches werden typischerweise so betrieben, daß ein brennbares Gasgemisch während des Betriebes des Lasers ständig diesel Kammer zugeführt wird. Als Gemisch wird generell eine Mischung aus CO, N₂,0₂ mit einem geringen Zusatz von H₂ oder H2O vervendet Diese bekannten Maßnahmen erfordern jedoch ein sehr aufwendiges Gasführungs- und Regelsystem, bei dem Druck und Flußraten der verschiedenen Gase ganz genau geregelt sein müssen. Die Verwendung gasförmiger Betriebsstoffe erfordert unerwünscht große Leitungsquerschnitte. Ebenso sind große Vorratsbehälter für diese Gast erforderlich, wenn der Laser für längere Zeit in Betrieb sein soll. Da das Gaszuführungssystem unter hohen-.' Druck steht — zwischen 10 und 1000 bar — erfordern die großen Abmessungen aus Festigkeitsgründen sehr dicke Wandstärken, was Volumen und Gewicht weiterhin vergrößert Ferner sind gepulste Anordnungen bekannt, in denen die Aufheizung so erfolgt, daß ein brennbares Gemisch — beispielsweise CO und Luft — in eine durch ein Ventil bzw. Membran abgeschlossene Kammer eingefüllt wird, zur Zündung kommt und somit heißes CO2 und N₂ erzeugt wird. Bei einem bestimmten Druck wird das Ventil geöffnet bzw. platzt die Membran und das heiße Gasgemisch durchströmt unter gleichzeitiger adiabatischer Abkühlung und Inversionserzeugung die Düsenanordnung. Zwar zeichnet sich diese Anordnung durch einen leichten und einfachen Aufbau der Brenn- bzw. Heizkammer aus, weil ein kontinuierliches Nachführen des Brennstoffes nicht erforderlich ist, jedoch wird dieser Vorteil völlig durch den Nachteil der geringen Ausbeute aufgehoben. Durch das Ausströmen des heißen Gasgemisches fällt nämlich dessen Dichte und Temperatur bereits in der Brennkammer ab, wodurch sich die Besetzung des CO₂-OOl-Niveaus bzw. des NrV = 1-Niveaus nicht unbeträchtlich verringert

Durch die DE-OS 20 22 876 ist ein Laser mit offener Brennkammer bekannt geworden. Solange bei dieser Anordnung die Zufuhr der Laserbetriebsstoffe aufrechterhalten wird, sind Brennkammerdruck und Brennkammertemperatur konstant Nach dem Abschalten jedoch sinken diese Werte bis das in der Kammer befindliche Restgas vollständig ausgeströmt ist In dieser Phase aber kann das Restgas nicht voll für die Lasertätigkeit genutzt werden, da dessen Temperaturen und Drücke dann von den optischen Werten für die die Düsen ausgelegt sind, abweichen. Dieser Nachteil wirkt sich dann besonders gravierend aus, wenn kurze Laserbetriebszeiten angestrebt werden. Hier ist nämlich dann die Zeitdauer der genannten Auslaufphase vergleichbar oder größer als der Zeitraum bei dem Betriebsstoffe zugeführt werden. Dadurch wird in dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel des Standes der Technik der Gesamtwirkungsgrad des Lasers um einen beträchtlichen Faktor verringert

Durch die DE-OS 21 56 340 ist ein durch Verbrennung gespeister chemischer Laser bekannt geworden, bei dem der Brennstoff als Feststoff ausgebildet ist Verfahren und Wirkungsweise solcher Maßnahmen sind von denen für einen Laser der eingangs genannten Art völlig verschiedea

Aus der Zeitschrift »Laser und Elektro-Optik« (1972), Heft 1, Seiten 27—29 ist ein gepulster gasdynamischer CO₂-Laser mit einer Hochdruckbrennkammer, einer Zündeinrichtung, einem Brennkammerverschluß, einer daran anschließenden Düsenanordnung und einem Bereich zur Auslösung stimulierter Emission bekannt geworden, bei dem die Brennkammer vor jedem Impuls mit bestimmten Mengen Brennstoff und Oxidator beschickt wird Auch hier führen die Maßnahmen zu dem oben angegebenen raschen Absinken der Druck- und Temperaturwerte und zu einem geringen Wirkungsgrad.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gasdynamischen CO₂-Laser der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß der Druck und die Temperatur des Lasergases in der Brennkammer während der ganzen Impulsdauer aufrecht erhalten wird, damit keine Anregungsenergie verloren geht

Diese Aufgabe ist bei einem Laser der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Treibstoff-Oxidator-Gemisch gasförmig ist und bis zur Zündung durch eine vor der Düsenanordnung befindliche Membran in

der Brennkammer gehalten wird, du nach Zündung des Treibstoff-Oxidator-Gemisches der Druck und die Temperatur des durch die Düsenanordnung ausströmenden Lasergasgemisches dadurch auf konstanter Höhe im Wertebereich zwischen 10 bis 1(KX) bar und 1000 bis 3000 K in der Brennkammer aufrecht erhalten wird, daß eine Druckkammer, die von der Brennkammer durch eine zweite, elastische Membran abgetrennt ist, oder ein Druckkolben vorgesehen ist, die mit Hilfe eines Gasvorratsgefäßes und über ein Ventil mit Druckgas betrieben werden.

Eine andere Lösung der Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß das Treibstoff-Oxidator-Gemisch in Form eines festen Brannsatzes mit einer Cyanverbindung als Treibstoff vorliegt, dessen Zusammensetzung, Menge und Abbrandgeschwindigkeit so dimensioniert sind, daß in der Brennkammer der Druck und die Temperatur des Lasergasgemisches auf konstanter Höhe im Wertebereich zwischen 10 bis 1000 bar und 1000 bis 3000 K aufrecht erhalten wird, und Jaß in den festen Brennsatz Schlitze oder Bohrungen angebracht sind.

Die Erfindung ist nachfolgend an Ausführungsbeispielen beschrieben und gezeichnet Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Laser-Anordnung mit gasförmigem Treibstoff-Oxidator-Gemisch;

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Variante der Laser-Anordnung nach F i g. 1;

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer Laser-Anordnung mit festem Treibstoff-Oxidator-Gemisch.

Wie die Fig. 1 bis 3 in schematischer Darstellung zeigen, setzt sich der gasdynamische CO₂-Laser 10 vor dem Resonatorraum 11 aus einem Satz eng aneinanderliegender Düsen 12 und einer davorliegenden Brennkammer 13 zusammen, welcher eine sogenannte Druckkammer 14 vorgelagert ist In der F i g. 1 ist das Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Druckkammer 14 zur Resonatorseite 11 hin mit einer elastischen Membran 15 abgeschlossen ist, während die Brennkammer ebenfalls mit einer Membran 16 zu den Düsen 12 hin abgeschlossen ist Diese letzte Membran 16 zerreißt bei einem bestimmten Druck und gibt die aufgeheizte Gasmischung freu In die Druckkammer 14 führt ein Ventil 17 ein Druckgas aus einem Gasvorratsbehälter 18. Hat in der Brennkammer 13 die Zündung und Aufheizung des Laser-Gasgemisches stattgefunden, so platzt bei einem bestimmten, frei wählbaren Druck die Membran 16. Gleichzeitig aber strömt nun aus dem Gasbehälter 18 ein Druckgas, das auch Luft sein kann, in die Druckkammer 14 und preßt die Membrane 15 in Richtung der Düsen 12. Der Druck des Gases aus dem Vorratsbehälter ist zumindest gleich dem Brennkammerdruck, vorzugsweise aber größer als letzterer. Der Einsatz des Druckgases wird über eine Regeleinrichtung 20 gesteuert

Die F i g. 2 zeigt eine Variante der Laser-Anordnung nach Fig.1, bei der statt der Membrane 15 ein Druckkolben 19 angeordnet ist, dessen Rewegungsbeginn über die Regeleinrichtung 20 gesteuert wird. Letztere steht mit der Membrane 16 in Wirkverbindung. Die weitere Arbeite- und Wirkungsweise dieser Ausführungsvariante der Erfindung ist dieselbe wie diejenige gemäß F i g. 1.

Die Fig.3 zeigt nun die andere Lösung der genannten Aufgabe, die vor allem bei beschränkten Rauniverhältnissen, beispielsweise in Luft- und Raumfahrzeugen, besonders zum Tragen kommt Hier wird der Zusatzdruck durch die Verwendung eines festen Brennsatzes 30 erzeugt, dessen Zusammensetzung, Menge und Abbrandgeschwindigkeit so dimensioniert sind, daß die für den Betrieb des Lasers gewünschten Gase im erforderlichen Verhältnis, im vorgewählten Druck und bei gewünschter Temperatur entstehen.

Hierbei liegen die Anteile für N₂ bei etwa 80 bis 99%, CO₂ bei etwa 1 bis 20% und H₂O bei etwa 0,5 bis 5%. Der Druck liegt im Bereich von 10 bis 1000 bar, während sich die Temperatur auf einen Wert zwischen 1000 und 3000 K einstellt

Der Brenn- bzw. Treibsatz 30 kann durch bestimmte Formgebung — beispielsweise durch Schlitze oder Bohrungen 33 — so gestaltet sein, daß bei der Verbrennung eine starke Gasströmung entlang der Oberfläche des Brennsatzes entsteht, welche eine schnellere Durchmischung und erosive Verbrennung des Lasergasgemisches herbeiführt Für die Zusammensetzung des Brennsatzes 30 ist beispielsweise ein homogenes oder heterogenes (gekörnt oder geschichtet) Gemisch aus Brennstoff und Oxidator vorgesehen.

Als Brennstoff ist beispielsweise C₂N₂, C₆N₄ oder andere Cyanverbindungen geeignet Als Oxidator empfiehlt sich ein Stickoxid wie N₂O, NO₂, N₂O₂ etc.

Der feste Aggregatzustand des Brennsatzes 30 läßt sich beispielsweise durch Kühlung unter die Schmelz-

bzw. Sublimationstemperatur erreichen. Auch eine Vermischung oder Lösung in andere feste Substanzen ist möglich.

In der F i g. 3 ist mit 31 die Zündanlage bezeichnet und die Zündelektrode mit 32.

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gasdynamischer CO₂-Laser, bestehend aus einer Brennkammer, einem Resonatorraum und einer dazwischen liegenden Düsenanordnung, bei dem als Lasermaterial ein Gasgemisch aus N₂, CO? und H2O verwendet wird, das durch die Verbrennung eines Treibstoff-Oxidator-Gemisches erzeug): wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibstoff-Oxidator-Gemisch gasförmig ist und bis to zur Zündung durch eine vor der Düsenanordnung

(12) befindliche Membran (16) in der Brennkammer

(13) gehalten wird, daß nach Zündung des Treibstoff Oxidator-Gemisches der Druck und die Temperatur des durch die Düsenanordnung (12) ausströmenden Lasergasgemisches dadurch auf konstanter Höhe im Wertebereich zwischen 10 bis 1000 bar und 1000 bis 3000 K in der Brennkammer (13) aufrecht erhalten wird, daß eine Druckkammer (14), die von der Brennkammer (13) durch eine zweite, elastische Membran (15) abgetrennt ist, oder ein Druckkolben (19) vorgesehen ist, die mit Hilfe eines Gasvorratsgefäßes (18) und über ein Ventil (17) mit Druckgas betrieben werden.

2. Gasdynamischer CO₂-Laser, bestehend * au» einer Brennkammer, einem Resonatorraum und einer dazwischen liegenden Düsenanordnung bei dem als Lasermaterial ein Gasgemisch aus N2, COj und H₂O verwendet wird, das durch die Verbrennung eines Treibstoff-Oxidator-Gemisches erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibstoff-Oxidator-Gemisch in Form eines festen Brennsatzes (30) mit einer Cyanverbindung als Treibstoff vorliegt, dessen Zusammensetzung, Menge und Abbrandgeschwindigkeit so dimensioniert sind, dall in der Brennkammer (13) der Druck und die Temperatur des Lasergasgemisches auf konstante· Höhe im Wertebereich zwischen 10 bis 1000 bar und 1000 bis 3000 K aufrecht erhalten wird, und daß in den festen Brennsatz (30) Schlitze oder Bohrungen (33) angebracht sind.