DE2505771C3

DE2505771C3 -

Info

Publication number: DE2505771C3
Application number: DE19752505771
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. 8033 Krailling Opower
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-02-12
Filing date: 1975-02-12
Publication date: 1978-06-15
Also published as: DE2505771B2; DE2505771A1

Description

Die Erfindung betrifft einen COz-Gasdynamiklaser für Hochleistungsstoßbetrieb mit einem Satz linearer Lavaldüsen, dessen Lasergas aus einer Mischung von N2, CO2 und H2O besteht, wobei die Komponenten CO? und H₂O auf der Überschallseite der Lavaldüsen durch im Innern der einzelnen Düsenelemente angeordnete Zuleitungen dem durch die Lavaldüsen strömenden Stickstoff beigemischt werden.The invention relates to a CO2 gas dynamic laser for high-power burst operation with a set of linear Laval nozzles, the laser gas of which consists of a mixture of N2, CO2 and H2O, the components CO? and H ₂ O on the supersonic side of the Laval nozzles are added to the nitrogen flowing through the Laval nozzles through feed lines arranged in the interior of the individual nozzle elements.

Aufgrund von Betrachtungen über Relaxationszeiten bei Gasdynamik-Lasern sind Vorschläge bekanntgeworden, der energietragenden Komponente des Lasergases erst nach deren Expansion die weiteren Komponenten zuzumischen. Es handelt sich dabei zunächst um Stickstoff und als weitere Komponenten Kohlendioxid und beispielsweise Wasser. Die gänzliche Abwesenheit der letzteren Stoffe in der Hochtemperatur- bzw. Hochdruckphase bietet tatsächlich die einfachste und wirkungsvollste Möglichkeit, ideale Betriebs-bzw. Leistungswerte auch bei Stagnationstemperaturen von einigen tausend Kelvin mit nur geringen Verlusten zu erreichen.On the basis of considerations about relaxation times in gas dynamic lasers, proposals have become known, the energy-carrying component of the laser gas only after its expansion does the other Mix in components. This is initially nitrogen and as further components Carbon dioxide and, for example, water. The complete absence of the latter substances in the high-temperature or high pressure phase actually offers the simplest and most effective possibility, ideal Operating or Performance values even at stagnation temperatures of a few thousand Kelvin with only low To achieve losses.

Eine Anordnung dieser Art ist bereits aus der US-PS 37 60 294 bekanntgeworden. Diese Anordnung arbeitet mit einer kontinuierlichen Erhitzung und Zuführung der Lasergas-Bestandteile.An arrangement of this type is already known from US Pat. No. 3,760,294. This arrangement works with continuous heating and supply of the laser gas components.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen CO₂-Gasdynamiklaser zu schaffen, mit dem wesentlich höhere Leistungen in Form von kurzzeitigen hohen Spitzenleistungen erzeugt werden können.The object of the invention is _{to create a CO 2} gas dynamic laser with which significantly higher powers can be generated in the form of short-term high peak powers.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale gelöst, die Gegenstand des Anspruchs 1 sind.This object is achieved by the features that are the subject of claim 1.

Der Laser besteht hierzu aus dem Druck- bzw. Stoßraum für die energietragende Komponente des Lasergas-Gemisches, hier also Stickstoff. Der StoElraum ist an einem Ende mit einem zündbaren Treibsatz zum Erzeugen einer Stoßwelle versehen. Am gegenüberliegenden Ende ist der Stoßraum mit einer Membran abgeschlossen, hinter der ein Satz der linearen Lavaldüsen angeordnet ist, innerhalb derer dem austretenden Stickstoff als Zusatzgas Kohlendioxid und Wasser beigemischt werden.For this purpose, the laser consists of the pressure or impact space for the energy-carrying component of the Laser gas mixture, in this case nitrogen. The StoElraum is at one end with an ignitable propellant Generating a shock wave provided. At the opposite end is the joint space with a membrane completed, behind which a set of linear Laval nozzles is arranged, within which the Exiting nitrogen can be admixed with carbon dioxide and water as an additional gas.

For the laser components CO2 and H ₂ O is one

Explosionskammer vorgesehen, die an einem Ende mit einem zündbaren Treibsatz zum Erzeugen einer Stoßwelle versehen ist Diese Explosionskammer mündet in die Zuführungen innerhalb der Lavaldüsenelemente auf der Oberschallseite. Mittels der Wahl der Stoßstärke werden Temperatur und Druck eingestelltExplosion chamber provided, which at one end with an ignitable propellant for generating a Shock wave is provided. This explosion chamber opens into the feed lines within the Laval nozzle elements on the upper sound side. The temperature and pressure are set by choosing the strength of the shock

Die Benutzung von Stoßräumen zur Erhitzung eines Lasergases ist grundsätzlich bekannt (US-PS 34 07 362, ferner »The Physics of Fluids« 14 [1971], 12, Seiten 2611 bis 2619). Bei diesen bekannten Anordnungen werden die zusammengemischten Lasergaskomponenten gemeinsam durch eine Stoßwelle erhitzt Auf diese Weise ist aber die für einen Hochleistungsbetrieb vorteilhafte überschallseitige Zuführung der LasergaskomponentenThe use of shock chambers for heating a laser gas is known in principle (US-PS 34 07 362, also "The Physics of Fluids" 14 [1971], 12, pages 2611 to 2619). In these known arrangements, the mixed laser gas components become common heated by a shock wave. This way, however, is advantageous for high-performance operation Supersonic feed of the laser gas components

CO ₂ and H ₂ O not possible.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Lasers nach der Erfindung sind die wesentlichen Teile doppelt vorhanden:
Zwei Druck- bzw. Stoßräume sind spiegelbildlich zueinander angeordnet und münden in eine einzige Stagnationskammer. Die zugehörigen Gasabflußräume liegen senkrecht dazu und ebenfalls spiegelbildlich, so daß sich eine kreuzförmige Anordnung der Teile ergibt Diese Doppelanordnung in spiegelbildlicher Lage hat den Verzug eines Impulsausgleichs während der Explosion, womit eine den Rückstoß aufnehmende, schwere Lagerung entbehrlich wird. Außerdem bietet diese Anordnung den Vorteil, daß durch das Ineinanderlaufen zweier stoßkomprimierter Stickstoffmassen auf einfache Weise eine hohe Stagnationstemperatur und ein hoher Stagnationsdruck zustande kommen. Die Lavaldüsen haben Schlitzform und weisen für die Expansion des heißen Stickstoffs in Strömungsrichtung eine Querschnittsvergrößerung von etwa 1 :20 auf. Am Ende dieses Querschnitts liegen die Mündungen für die Zusatzgase. Anschließend folgt eine weitere Querschnittsvergrößerung etwa um den Faktor 4. An der Übergangsstelle der Querschnitte bzw. an der Stelle der Gaszufuhr ergibt sich ein Knick im Düsenprofil. Die von dort ausgehenden leichten Turbulenz begünstigen zusätzlich die Mischung der neu hinzukommenden Gase mit dem ausströmenden Stickstoff. Die Schlitzdüsen münden in den Resonatorraum, der mit abnehmendem Querschnitt über einen unter dem Druck der ausströmenden Gase sich öffnenden Verschluß mit der Atmosphäre in Verbindung stehtIn a preferred embodiment of the laser according to the invention, the essential parts are present twice:
Two pressure or shock areas are arranged in mirror image to one another and open into a single stagnation chamber. The associated gas drainage spaces are perpendicular to it and also mirror images, so that the parts are arranged in a cross shape. In addition, this arrangement offers the advantage that a high stagnation temperature and a high stagnation pressure come about in a simple manner through the merging of two impact-compressed nitrogen masses. The Laval nozzles have a slot shape and have a cross-sectional enlargement of about 1:20 for the expansion of the hot nitrogen in the direction of flow. At the end of this cross-section are the openings for the additional gases. This is followed by a further cross-sectional enlargement approximately by a factor of 4. At the transition point of the cross-sections or at the point of the gas supply, there is a kink in the nozzle profile. The slight turbulence emanating from there also favors the mixing of the newly arriving gases with the nitrogen flowing out. The slot nozzles open into the resonator chamber, which, with a decreasing cross-section, is connected to the atmosphere via a seal that opens under the pressure of the gases flowing out

In der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lasers nach der Erfindung schematisch dargestellt Es zeigtIn the drawing is a preferred embodiment of the laser according to the invention shown schematically It shows

F i g. 1 die Gesamtanordnung, überwiegend im Schnitt verkleinertF i g. 1 shows the overall arrangement, mainly reduced in section

F i g. 2 als Ausschnitt des Mittelteils die Stagnationskammer mit den Düsen in natürlicher Größe.
Mit 1 sind die Druck- bzw. Stoßräume bezeichnet dieF i g. 2 as a section of the middle part, the stagnation chamber with the nozzles in natural size.
With 1, the pressure or shock chambers are referred to

ss an ihren äußeren Enden je einen Treibsatz 2 mit einer Zündkerze 3 tragen. Die Stoßräume sind innen mit Membranen verschlossen, die ein Abströmen des eingefüllten Stickstoffs vor der Zündung verhindern. Die Membranen begrenzen den sogenannten Stagnationsraum 5, an den sich über Düsensätze die Resonatorräume 7 anschließen, die mit abnehmenden Querschnitt über einen unter dem Druck der ausströmenden Gase sich öffnenden Verschluß in die Atmosphäre münden. Die Düsensätze 6 sind mit Stoß- und Explosionskammern 4 verbunden, die ebenfalls Zündkerzen 3 tragen.ss at their outer ends a propellant charge 2 with a Wear spark plug 3. The interior of the bumpers is sealed with membranes that prevent the Prevent filled nitrogen from igniting. The membranes limit the so-called stagnation space 5, to which the resonator chambers 7 are connected via nozzle sets, which with decreasing Cross-section over one under the pressure of the outflow Gases open into the atmosphere. The nozzle sets 6 are with push and explosion chambers 4, which also carry spark plugs 3.

Alle Zündkerzen sind an eine an sich bekannte Vorrichtung angeschlossen, die nicht dargestellt ist undAll spark plugs are connected to a device known per se, which is not shown and

die es ermöglicht, das Zünden der Kerzen mit der notwendigen Phasenverschiebung zu bewirken. In den Kammern 4, die als Kombination einer Explosions- und einer Stoßkammer ausgebildet sind, werden die Zusatzgasgemische unter den für die Zuführung notwendigen thermodynamischen Bedingungen erzeugt Die Gemische werden über Leitungen, die in die Düsensätze 6 münden, dem strömenden Stickstoff zugeführt.which makes it possible to cause the candles to ignite with the necessary phase shift. In the Chambers 4, which are designed as a combination of an explosion and a shock chamber, are the Additional gas mixtures generated under the thermodynamic conditions necessary for the supply The mixtures are through lines that open into the nozzle sets 6, the flowing nitrogen fed.

In F i g. 2 sind diese Leitungen mit 8 bezeichnet, die über kurze Bohrungen 9 in die Düsenkanäle 10 münden. Deren Querschnitt erweitert sich von den Eintrittsschlitzen 11 bis zu den Bohrungen 9 etwa um den Faktor 20 und von dort bis zum Eintritt in den Resonatorraum nochmal um den Faktor 4. Das Düsenprofil bzw. dessen Wände verlaufen zwischen diesen Abschnitten in einem leichten Knick, der durch Wirbelbildung das Vermischen der Gaskomponenten fördertIn Fig. 2 these lines are denoted by 8, the Open into the nozzle channels 10 via short bores 9. Their cross-section widens from the entry slots 11 to the bores 9 by a factor of approximately 20 and from there to the entry into the resonator chamber again by a factor of 4. The nozzle profile or its walls run between these sections in one slight kink that promotes mixing of the gas components through the formation of eddies

Wie insbesondere aus Fig..? hervorgeht, sind mehrere Düsen zu einem Satz vereinigt Die profilierten Düsenelemente sind schraffiert dargestellt Sie messen senkrecht zur Zeichenebene etwa 60 mm. Damit erhalten die Eintrittsquerschnitte der Düsen die schon genannte Schlitzform, die sich in Strömungsrichtung in der dargestellten Profilform erweitertAs in particular from Fig.? As can be seen, several nozzles are combined into one set The profiled Nozzle elements are shown hatched. They measure about 60 mm perpendicular to the plane of the drawing. In order to the inlet cross-sections of the nozzles are given the already mentioned slot shape, which extends in the direction of flow the profile shape shown expanded

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. COr gas dynamics jaser for high-performance burst operation with a set of linear Laval nozzles, the laser gas of which consists of a mixture of N & CO2 and H2O, with the components CO? and H2O on the upper sound side of the Laval nozzles are added to the nitrogen flowing through the Laval nozzles by supply lines arranged inside the individual nozzle elements, characterized in that shock chambers (1) for generating explosion-driven shock waves for heating and compression of the N ₂ and explosion chambers (4 ) are intended for the compression of CO2 and H2O

2. Laser according to claim 1, characterized in that two shock wave spaces (1) are a mirror image are arranged to each other, which open into a single stagviation chamber (5) and that two Nozzle sets (6) and the associated gas discharge pipes (7) perpendicular to them and also in mirror image to each other.