DE2456759C2

DE2456759C2 - Verfahren zur Anregung eines gasdynamischen CO↓2↓-Hochleistungslaser und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2456759C2
Application number: DE19742456759
Authority: DE
Inventors: Gunthard Dipl.-Phys. Dr.-Ing. 8021 Taufkirchen Born
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1974-11-30
Filing date: 1974-11-30
Publication date: 1982-09-09
Also published as: DE2456759A1

Description

mischen COrHochleistungsIasers zu schaffen, das gegenüber dem Stand der Technik dahingehend vereinfacht ist, daß großvolumige Gasvorratsbehälter nicht erforderlich sind und bei dessen Durchführung für den Laserbetrieb schädliche Substanzen sowie ein unerwünscht hoher Anteil an Wasserdampf im Lasergas vermieden werden. Des weiteren soll eine'Anordnung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden, die für den Einsatz als Hochleistungslaser in Fahrzeuge und Flugzeuge geeignet ist

Diese Aufgabe wird in zuverlässiger Weise durch die

. in den Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen gelöst

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben

und erläutert sowie in der Zeichnung schematisch dargestellt Es zeigt

Fig. 1 ein Funktionsdiagramm in vereinfachter Darstellung,

Fig.2 einen Längsschnitt durch den Aufbau des Hochleistungslasers mit Unterschallverdichter in schematischer Darstellung,

Fig.3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsfonn mit mehreren Brennkammern,

F i g. 4 eine schematische Darstellung der Gestaltung von den verwendeten Einlaßventilen,

Fig.5 eine Ausführungsform der Brennstoffversorgung in schematischer Darstellung,

F i g. 6 eine weitere Ausführungsform der Brennstoffversorgung in schematischer Darstellung.

Das im Funktionsprinzip in F i g. 1 und im Aufbau schematisch in F i g. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung arbeitet wie folgt:

Durch den Lufteinlauf 10 wird Luft angesaugt und im Kompressor 11 verdichtet Letzterer kann als ein- oder mehrstufiger Axial- oder Radialverdichter ausgebildet sein und kann einen hohen Durchsatz von beispielsweise 200 kg/sec und eine hohe Kompression von mindestens 1 :2 aufweisen, vorzugsweise aber von 1 :20 und mehr. Die komprimierte Luft wird in die Brennkammer 12 eingepreßt Die Brennkammer 12 kann als ringförmiger Raum oder a^v. Einzel- oder Mehrfachbrennkammer mit zylinderförmiger Gestalt ausgebildet sein. Der über die Einspritzdüsen 20 — gegebenenfalls mittels einer Förderpumpe 21 aus einem Brennstofftank 13 — eingespritzte Brennstoff wird in der Brennkammer 12 verbrannt und dabei auf hohe Temperaturen gebracht (ca. tOOO bis 2500⁰K) und beschleunigt Die Geschwindigkeit im beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt einige Hundert Meter pro Sekunde. Auf die Förderpumpe kann verzichtet werden, wenn der flüssige oder gasförmige Brennstoff ufii.rr hohem Druck im Tank 13 bewahrt wird. Der Brennstoff besteht beispielsweise aus CO und/oder C₂Nz und/oder C₆H₆, wobei gegebenenfalls H2 oder H2O beziehungsweise Kohlenwasserstoffe beigemischt werden. Nun kann zur Leistungssteigerung der komprimierten Luft — gegebenenfalls wieder Ober ss eine Förderpumpe 21 aus einem Behälter 41 ein Oxydator beigegeben werden. Als Oxydator eignen sich beispielsweise feste, flüssige oder gasförmige N ,O_rVerbindungen. In der Mischkammer 14 findet die Vermischung der verbrannten Gase mit der kompriinierten Luft 15 statt, so daß der CÖj-Gehali dieser verbrannten Gase verdünnt und temperaturmäßig gesenkt wird. Das verbrannte Gas treibt nun die Turbine ',12 an, welche ihrerseits über die Welle 23 den Verdichter 11 antreibt. Im weiteren Arbeitsverlauf wird nun das Gas durch eine Erweiterung des Strömungskanals vor einen Düser.ratz 16 abgebremst. Beim Durchpressen des Gasgemischs durch diesen Düsensatz

16 erreicht das Gas eine Überschallgeschwindigkeit von etwa 3 Hs 5 Mach, Mit dieser strömt es in den Resonator- oder Verstärkerraüm 17, wo nun Laserleistung ausgekoppelt wird. Mit 24 sind die Resonatorspiegel bezeichnet Nach der Passage des querdurchströmten Resonatorraumes 17 wird das Gas durch einen Überschalldiffusor 18 rückverdichtet bis etwa auf einen Wert von einer Atmosphäre Druck und verläßt den Hochleistungslaser an der Gasausstoßöffnung 19,

In dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist nun eine spezielle Variante der Erfindung gezeigt. In dem Raum nach dem Überschalldiffusor, unmittelbar vor der Kühl- und Schalldämpferanordnung 25, sitzt eine Turbine 33, die durch das rückverdichtete Gas angetrieben wird. Diese Turbine 33 kann nun direkt auf der verlängerten Kompressorwelle 23 sitzen und den Verdichter 11 auf dieser unmittelbar antreiben, oder die Turbine 33 sitzt auf einer eigenen Welle und treibt den Verdichter 11 über eine zusätzliche Kraftübertragungskette 34 an. Auf diese Weise wird die vom Laser 17, 24 nicht ausgenützte Energie des Ga&rlusses zusätzlich noch einmal eingesetzt Dadurch steigt natürlich der relativ geringe Wirkungsgrad des Lasers. Die Turbine 33 ist bei Anordnung der Rückverdichter 16 eine sogenannte Unterschallturbine. Will man nun eine Überscliallturbine haben, so wird auf die Rückverdichteranordnung 18 verzichtet und die Turbine 33 unmittelbar hinter den querdurchströmten Resonator

17 gesetzt Die Gesamtbaulänge wird hier etwas kürzer sein.

Um nun völlig unschädliche Auspuffgase zu erhalten, wird — je nach Konstruktion — in der Brennkammer 12 oder in dem Mischraum 14 oder in dem Raum vor der Kühl- und Schalldampferanordnung 25 unter Zuhilfenahme eines Katalysators eine Nachverbrennung des Lasergasgemisches durchgeführt

Um diese vorbeschriebene Unterschallgeschwindigkeitsanlage in eine Überschallgeschwindigkeitsanlage zu verwandeln, wird an die Stelle des gezeigten Unterschallverdichters 11,23,22 ein Überschallverdichter gesetzt. Dies kann nun ein bekannter Konvergent-Divergent-Diffusor sein oder ein Ein- oder Mehrstoß-Diffusor oder eine Kombination eines Konvergent-Divergent-Diffusors mit einem Mehrstoßdiffusor in Verbindung mit einer Verdichtungsturbins 11.

Als weitere Möglichkeit ist die in Fig.3 dargestellte Mehrfachbrennkammer-Anlage zu sehen. Von einem Verdichter U strömt über Einlaßventile 26 Gas in die einzelnen Brennkammern 12, in die — gegebenenfalls über die Förderpumpe 21 — Brennstoff eingespritzt wird. Diese Brennkammern können nun einzeln hintereinander oder alle zusammen gleichzeitig gezür,-det werden. Über Auslaßventile — die gegebenenfalls auch weggelassen werden können — strömen die Gase, wie bisher auch, in den Düsensatz 16 usw. Der Vorteil dieser Ausführungslorm ist darin zu sehen, daß in dem Mehrfachkammernsystem ein wesentlich höherer Druck erzeugt werden kann.

Die F i g. 4 zeigt "jr das vorbeschriebene Beispiel eine Ausführungsform der Einlaßventile 26. Die verdichtete Luft iöa prallt auf die federartig wirkenden Lamellen 28 und biegt diese am gegenseitigen Arclrgepunkt bei Erreichung eines bestimmten Druckes in Pfeilrichtung auf. Die Offenstellung wird erreicht, wenn der Druck pi größer als der Gefcindruck p₂ ist. Auf diese Weise erfolgt eine völlig automatische Arbeitsfolge.

In den Fig.5 und 6 sind weitere verschiedenartige Brennstoffversorgungsmöglichkeilen in schematischer

Darstellung gezeigt. Die verdichtete Luft 10a strömt unter Zugabe von H₂ oder HjO über einen erhitzten Kohlenstoffblock — beispielsweise Graphit. Über ein Filter 29 strömt das gebildete CO unter Beimischung von N₂ heiß und mit hohem Druck in die Brennkammer 12. In F i g. 6 sieht die Ausführung etwas anders aus. Die verdichtete Luft 1Oe strömt unter Beimengung von H₂ oder H₂O durch ein Gasfilter 31 über heißes, körniges oder pulverisiertes C — beispielsweise Graphitkörner 32 — und über einen weiteren Gasfilter 31a unter Beimengung von N₂ in die Brennkammer. Die gasförmigen Filter 31, 31a lassen nur gasförmiges CO und N₂ bzw. CO und H₂O in die Brennkammer.

Die vorgeschlagene Erfindung eignet sich besonders als thermische Waffe in Fahrzeugen, Flugzeugen oder Schiffen. Sie kann aber auch als mobiles Gerät zur Materialbearbeitung oder als Laser-Radar verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Verfahren zur Anregung eines gasdynamischen COrKochleistungslasers, dessen Gas sich aus Anteilen mit CO₂, HjO und dem Rest aus N₂ und gegebenenfalls O₂ zusammensetzt, wobei der Brennstoff gasförmig, flüssig oder fest sein kann, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Lasergasgemisches der Atmosphäre entnommen und in der Brennkammer (12) und/oder in dem Mischraum (14) dem Arbeitsgas mittels eines Axialoder Radialkompressors (11), der gegebenenfalls durch Verbrennung angetrieben ist, beigemischt und der Brennstoff mit einem zusätzlichen Oxydator aus gesonderten Tanks (13,41) in die Brennkammer (12) eingegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom aus dem Oberschallverdichter (18) zum Antrieb des Kompressor!) (11) verwende» vird.

3. Verfahren nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Brennstoff in eine flüssige oder gasförmige Phase übergeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxydator in einen flüssigen oder gasförmigen Zustand übergeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Brennraum (12) oder in der Mischkammer (14) bzw. im Raum vor der Kühl- und Schalldämpferanordnung (25) unter Eingabe eines Katalysators eine Nachverbrennung des Gasgemisches durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ue angesaugte Luft entfeuchtet wird.

7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkammer (12) ein Luftkompressor

(11) vorgeschaltet, Einspritzdüsen (20) für Brennstoff und Oxydator zugeordnet und eine Mischkammer (14) nachgeschaltet ist, die sich vor dem Düsensatc (16) zur Erzeugung einer Überschallgeschwindigkeit erweitert und in einen Resonator (17) mit angrenzendem Überschallverdichter (18) und Turbine (33) übergeht, und daß vor der Gasausstoßöffnung (19) eine Kühl- und Schalldämpfereinrichtung (25) angeordnet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Kompressorwelle (23) durch die Turbine (33) über eine Kraftübertragungseinrichtung (34) erfolgt.

9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein System von mehreren Brennkammern (12) vorgesehen ist, von denen jede jeweils während der Verbrennung durch Ventile abgeschlossen ist.

10. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsturbine (22) eine Umschaltvorrichtung (\9a) zugeordnet ist, die von Arbeitsstellung »Antrieb« auf Arbeitsstellung »Laserbetrieb« schaltbar ist.

11. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch belasteten Komponenten (14, 16, 19a, 18 etc.) mit Kühleinrichtungen versehen sind.

Pie Erfindung bezieht sich auf ein Verfahre» zur Anregung eines gasdynamischen COrHochleistungslasers, dessen Gas sich aus Anteilen von CO* H₂O und einem Rest aus N2 und gegebenenfalls aus O₂ zusammensetzt, wobei der Brennstoff gasförmig, flüssig oder fest sein kann, sowie auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens,

Das Funktionsprinzip eines gasdynamischen CO₂-Lasers beruht auf der Erzeugung eines heißen Gasgemischs (T > 100O⁰K), bestehend aus CO₂, N₂ und einigen Prozenten Wasser, welches durch gepulste oder kontinuierliche chemische Reaktion oder durch eine Stoßwelle in einem Stoßrohr erzeugt wird. Hierbei wird das obere COrLaserniveau thermisch angeregt Die Inversionserzeugung erfolgt durch rasche adiabatische Expansion, beispielsweise beim Durchströmen von Lavaldüsen, wodurch das untere Laserniveau entleert, das obere jedoch entsprechend der anfänglich hohen Temperatur besetzt bleibt, gewissermaßen also »einfriert«.

Bisher sind verschiedene Anregungsverfahren schon bekannt geworden. Im einen Pail wird eine kontinuierlich arbeitende Brennkammer verwendet, bei der Brennstoff — vorzugsweise CO oder C₂N₂ und etwas H₂, Kohlenstoff oder H₂O — unter hohem Druck eingespritzt und verbrannt wird. Das Verbrennungsgas strömt hier kontinuierlich durch einen Düsensatz in den Resonator.

In einem weiteren bekannten Verfahren wird eine gepulste Brennkammer verwendet Hierbei wird der Brennstoff und der Oxydator in die abgeschlossene Brennkammer eingespritzt und anschließend zur Zündung gebracht Ein Ventil gibt den Weg für das Gas durch Düsen in den Resonatorraum frei.

Ferner ist es bekannt, das Lasergemisch mittels Stoßwelle zu komprimieren und zu erhitzen und durch öffnen eines Ventils oder Platzen einer Membrane durch Düsen hindurch in den Resonator zu leiten.

Diese bekannten Verfahren sind jedoch mit Nachteilen behaftet So erfordert eine hohe kontinuierliche Leistung oder eine hohe Pulsrate einen beachtlich hohen Lasergasverbrauch. Als Beispiel hierfür mag dienen, daß für 1 MW Laserleistung ca. 100 kg Lasergas pro Sekunde erforderlich sind.

Bei gasförmigem Brennstoff und Beimischung eines Oxydators sind vor allem für Hochleistungslaser Vorratsbehälter mit beträchtlich großem Volumen erforderlich. Da dieses Gas unter hohem Druck (p « IO bis 100 bar) stehen muß, damit auf Förderpumpen verzichtet werden kann, ist es erforderlich, daß diese Vorratsbehälter dickwandig sind.

Ist der Brennstoff und gegebenenfalls auch der Oxydator flüssig, so ist eine aufwendige Kyrogentechnik erforderlich.

Durch die DE-OS 22 35 227 wird eine Anordnung offenbart, bei der ein Teil des Lasergases aus einer Verbrennungsvorrichtung abgezapft wird. Diese Anordnung erfordert ein erheblich vergrößertes Volumen, da hier der Brennstoff sowohl für das Triebwerk als auch für den Laserbetrieb vorhanden sein muß. Weiterhin wird mit typischen Abgasen und nicht mit Luft gearbeitet, was zur Folge hat, daß die Abgase eine Reihe von Substanzen besitzen, die für den Laserbetrieb schädlich sind. Außerdem hat es sich gezeigt, daß in allen Fällen mit Abgasverbrennungen ein unerwünscht hoher Anteil an Wasserdampf entsteht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Anregung eines gasdyna-