DE2336341C3

DE2336341C3 - Thermisch angeregter gasdynamischer Laser

Info

Publication number: DE2336341C3
Application number: DE19732336341
Authority: DE
Inventors: Roland Chatenay Malabry; Charpenel Marc Longjumeau; Taran Jean-Pierre Bures-sur-Yvette; Borghi (Frankreich)
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1972-07-17
Filing date: 1973-07-17
Publication date: 1977-07-28

Description

Die Erfindung betrifft einen thermisch angeregten gasdynamischen Laser, mit einer Druckgaskammer, einer sich an diese anschließende Überschalldüse sowie einem sich an die letztere anschließenden optischen Resonator, wobei aus der Druckgaskammer ein heißes Gas, das wenigstens Stickstoff enthalt, in die Überschalldüse eingeführt wird, in der es im wesentlichen auf Umgebungstemperatur und auf einen Druck, der höchstens gleich dem Atmosphärendruck ist, entspannt wird, sowie mit einem Injektor für mindestens ein zusätzliches Gas.

Aus der DT-OS 21 18 559 ist ein Gaslaser-Generator mit einem Hohlraumresonator und einer Düse bekannt, der mit Stickstoff und einem Kohlenoxid arbeitet. Bei diesem Generator wird stromabwärts des engsten Querschnittes der Düse Kohlendioxid oder Helium quer zur Richtung der Strömung in der Düse zugeführt.

Aus der FR-OS 20 92 786 ist ein Gaslaser mit einer Düse bekannt, in der ein Injektor angeordnet ist, durch den ein Gas im einen Fall im Bereich des engsten Querschnittes jedoch quer zur Strömungsrichtung, im andern Fall parallel zur Strömungsrichtung, jedoch nicht im Bereich des engsten Querschnittes zugeführt werden kann.

Mit den bekannten Vorrichtungen soll die Durchmischung der Gasströme verbessert werden, es hat sich aber gezeigt, daß dies nicht in dem gewünschten Maße erreichbar ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Laser der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß die Durchmischung seiner Gasströnie verbessert und seine Leistungsfähigkeit und sein Wirkungsgrad gesteigert werden.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Injektor im Innern der Düse angeordnet ist, daß dessen Austrittsöffnungen im Bereich des Düsenhalses der Überschalldüse liegen und daß die Einspritzachsen des. Injektors „im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung in diesem Bereich angeordnet sind.

Eine Lösung der vorstehend genannten Aufgabe wird auch dadurch erreicht, daß der Injektor im Innern der Düse angeordnet ist, daß dessen Austrittsöffnungen im Bereich des Düsenhalses der Überschalldüse liegen und abwechselnd so gerichtet sind, daß die Gase, die durch zwei benachbarte öffnungen in die Strömung eingeführt werden, in zwei Richtungen eingeführt werden, die einen Winkel von etwa 34° einschließen.

Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Laser wird die Homogenität der Mischung verbessert und es werden Verluste an Schwingungsenergie weitgehend vermieden.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

F i g. 1 und 2 in Seitenansicht und perspektivisch einen gasdynamisch^ Laser nach der Erfindung zeigen.

Fig.3 zeigt das Austrittsende des Injektors im Schnitt.

Fig.4 und 5 zeigen in Seitenansicht und perspektivisch einen anderen gasdynamischen Laser nach der Erfindung.

Der in Fig. 1 gezeigte Laser weist eine Verbrennungskammer 30 auf, in die zwei Speiseleitungen 31 und 32 führen, wobei durch die Leitung 31 Stickstoffdioxyd NO2 und durch die Leitung 32 Zyan C2N2 zugeführt wird. Diese beiden Gase reagieren in der Verbrennungskammer 30 nach folgender Reaktion

2 C₂N₂ + 2 NO₂ - 4 CO + 3 N₂ + 155 kcal.

Die Temperatur der Gase beträgt etwa 4000 K und ihr Druck etwa 30 Atmosphären. Die Anteile in Mole von CO und N₂ betragen 57% und 43%. Die Gasmischung tritt durch die Leitung 33 aus, die mit der Düsie 34 in Verbindung steht.

Die Düse 34 ist eine zweidimensionale Überschalldüse und besteht aus zwei seitlichen ebenen Flächen, von denen nur die eine Fläche 35 sichtbar ist, die in der Ebene der Figur liegt, ferner aus zwei convergent-divergenten Profilen 37 und 38. Die Breite der Düse beträgt 12 cm und ihr Hals 39 hat eine nominelle Höhe von

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in der Symmetrie-Ebene der Düse ist ein Injektor 40 angeordnet. Sein hinterer Rand liegt in einem Bereich nahe beim Hals 39. Dieser Bereich ist folgendermaßen begrenzt. Seine stromaufwärtige Begrenzung ist der kleinste Querschnitt der Düse abzüglich des Injektors und seine stromabwärtige Begrenzung ist der Querschnitt, für den die Höhe der Düse in diesem Querschnitt gleich das 1,1 fache der Mindesthöhe beträgt.

Der hintere Rand des Injektors, der in dem oben definierten Bereich liegt, begrenzt zwei freie Räume 39| und 39₂ zusammen mit der Wand der Düse.

Der dickere Tei! des Injektors 40 hat zwei zylindrische Kanäle, von denen der eine 41 als Durchgang für ein Kühlmittel dient und der andere 42 als Zuführleitung für Helium oder Argon bei Umgebungstemperatur. Das hintere Ende des Injektors ist mit einer Anzahl von Löchern 43 versehen, die einen Durchmesser von eiwa 0,8 mm haben und sich in den Kanal 42 öffnen.

Am Auslaß des divergenten Teiles der Düse beträgt ihre Höhe etwa 5 cm, die Temperatur ist die Umgebungstemperatur und der Druck der strömenden Gase liegt bei etwa 0,02 Atmosphären. Unter diesen Bedingungen beträgt die Strömungsgeschwindigkeit Mach 1 im Hals der Düse und Mach 5 am Auslaß. Nahe bei der Ebene des Auslasses bestehen die Wände der Düse örtlich aus zwei Spiegeln, von denen der eine 28 sphärisch und 100% reflektierend ist, während der andere 29 eben und teilweise durchlässig ist. Der Raum zwischen diesen Spiegeln bildet den optischen Resonator.

Die Strömungsmengen werden so gesteuert, daß die molaren Anteile im wesentlichen etwa 25% Stickstoff, etwa 25% CO und etwa 50% Helium oder Argon betragen.

Fig. 2 zeigt die Düse nach Fig. t im einzelnen. Die Düse 34 wird aus einem Kupferblock hergestellt und ihr Hals wird gebildet, indem ein Graphitstück 51 in die Düse eingesetzt wird. Der Injektor 40 besteht aus Kupfer. Die Verbrennungskammer 30 besteht aus rostfreiem Stahl, der innen mit Graphit ausgekleidet ist. Die Wände der Kammer brauchen nicht gekühlt zu werden, wenn die Reaktionstemperatur 3000 K und ihre Dauer einige 10 Sekunden nicht übersteigt, Jenseits von diesen Bedingungen sollten die Wände der Verbrennungskammer gekühlt werden. Der Absland zwischen der Verbrennungskammer und der Düse sollte kurz sein, etwa in der Größenordnung von 5 bis 10 cm, um eine Abkühlung der Gase zu verhindern.

Die in F i g. 3 vergrößert dargestellten Auslaßöifnungen 43 und 43' öffnen sich nahe bei dem hinteren Rand und sie sind symmetrisch und abwechselnd auf jeder Seile der Miuelcbene des Injektors angeordnet. Die Leitungen, die den Kanal 42 mit diesen öffnungen verbinden, sind so gerichtet, daß die Gase, die durch zwei benachbarte öffnungen in die Strömung eingeführt werden, in zwei Richtungen eingeführt werden, die einen Winkel von etwa 34" einschließen. Fluchtend mit jeder der öffnungen 43, 43' ist eine Abflachung 54 angebracht.

In Fig.4 ist ein anderer Laser gezeigt. Bei diesem

ίο wird die Stagnationskammer 10 durch zwei koaxiale zylindrische Wände 11 und 12 mit einem Durchmesser von entsprechend 10 und 20 cm und einer Höhe von JO cm und durch zwei ebene Wände 13 und 14 gebildet. Die zylindrischen koaxialen Wände sind aus Kupfer und bilden die Elektroden für einen elektrischen Lichtbogen. Die Wände sind durch Wasserzirkulation gekühlt. Der Stickstoff mit einem Druck von etwa 15 Atmosphären wird in die Kammer 10 durch Leitungen 15 und 16 eingeleitet und er tritt durch die Leitung 17, die mit der

Düse verbunden ist, aus. Durch den elektrischen Lichtbogen wird die Temperatur des Stickstoffes auf etwa 2500 bis 3000 K gebracht. Die Düse 18, die in F i g. 5 vergrößert dargestellt ist, hat eine zweidimensionale Symmetrie und sie besteht aus zwei ebenen Seitenflächen 19 und 20 und zwei convergent-divergenten Profilen 21 und 22. Die Breite der Düse beträgt etwa 12 cm und ihr Hals 23 hat eine Höhe von etwa 2 mm.

In der Symmetrieebene der Düse liegt ein Injektor 24, ähnlich dem Injektor 40, dessen Anordnung in derselben Weise definiert ist.

Der dickere Teil des Injektors 24 umfaßt zwei zylindrische Kanäle, von denen eines 25 als Durchgang für ein Kühlmittel dient und das andere 26 als Speiseleitung für die Mischung aus Kohlendioxydgas und Helium bei Umgebungstemperatur. Der hintere Rand des Injektors ist mit einer Anzahl von Löchern 27 mit kleinem Durchmesser versehen, die zu dem Kanal 26 führen.

Die Abmessung des divergenten Teiles der Düse, die Temperatur und der Druck der Gase und die Geschwindigkeit der Strömung im Hals und am Auslaß der Düse sind dieselben wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2. Nahe bei der Ebene des Auslasses bestehen die Wände der Düse örtlich aus zwei Spiegeln, von denen einer 28 sphärisch und 100% reflektierend ist, während der andere 29 eben und teilweise durchlässig ist. Der Raum zwischen diesen Spiegeln bildet den optischen Resonator.

Die Strömungsmengen werden so gesteuert, daß die molaren Anteile etwa 50% Stickstof!, etwa 15% CO₂ und etwa 35% Helium betragen, was gewichtsmäßig etwa 150 Gramm Stickstoff je Sekunde für 60 Gramm CO₂ + Helium entspricht.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thermisch angeregter gasdynamischer Laser mit einer Druckgaskammer, einer sich an diese anschließende Überschalldüse sowie einem sich an die letztere anschließenden optischen Resonator, wobei aus der Druckgaskammer ein heißes Gas, das wenigstens Stickstoff enthält, in die Überschalldüse eingeführt wird, in der es im wesentlichen auf Umgebungstemperatur und auf einen Druck, der höchstens gleich dem Atmosphärendruck ist, entspannt wird, sowie mit einem Injektor für mindestens ein zusätzliches Gas, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (40,24) im Innern der Düse (34,18) angeordnet ist, daß dessen Austrittsöffnungen (43, 27) im Bereich des Düsenhalses der Überschalldüse (34, 18) liegen und daß die Einspritzachsen des Injektors im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung in diesem Bereich angeordnet sind.

2. Thermisch angeregter gasdynamischer Laser mit einer Druckgaskammer, einer sich an diese anschließende Überschalldüse sowie einem sich an die letztere anschließenden optischen Resonator, wobei aus der Druckgaskammer ein heißes Gas, das wenigstens Stickstoff enthält, in die Überschalldüse eingeführt wird, in der es im wesentlichen auf Umgebungstemperatur und auf einen Druck, der höchstens gleich dem Atmosphärendruck ist, entspannt wird, sowie mit einem Injektor für mindestens ein zusätzliches Gas, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (52) im Innern der Düse angeordnet ist, daß dessen Austrittsöffnungen (53, 53') im Bereich des Düsenhalses der Überschalldüse (50) liegen und abwechselnd so gerichtet sind, daß die Gase/die durch zwei benachbarte Öffnungen in die Strömung eingeführt werden, in zwei Richtungen eingeführt werden, die einen Winkel von etwa 34° einschließen.

3. Gaslaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (43, 53, 53', 27) im Bereich des in Strömungsrichtung hinteren Randes des Injektors (40,52,24) liegen.

4. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der in Strömungsrichtung hintere Rand des Injektors (40, 52, 24) nahe beim engsten Querschnitt der Überschalldüse (34, 50, 18) in einem Teil von deren divergenten Bereich angeordnet ist, in welchem die Düsenhöhe zwischen der Höhe des engsten Querschnittes und dem 1,1 -fachen dieser Höhe liegt.