DE2758011A1

DE2758011A1 - Gas dynamic carbon di:oxide laser prodn. - by ultrasonic mixing of carbon di:oxide with expanded hot nitrogen and carbon mon:oxide produced by combustion

Info

Publication number: DE2758011A1
Application number: DE19772758011
Authority: DE
Inventors: Gunthard Dipl Phys Dr Born; Gunther Dipl Phys Dr Sepp
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1977-12-24
Filing date: 1977-12-24
Publication date: 1979-06-28

Abstract

Chemical supply and stimulation of a gas dynamic CO2 laser in ultrasonic mixing operation, the combustion chamber of which is connected via Lavel nozzles with a resonator, which can include a diffuser, involves producing hot N2 and CO in ca. 3:2 molar ratio by the reaction of C2N2 and N2O at ca. 4200 K, expansion in a Laval nozzle array and mixing with CO2 and, if necessary, with other gases, e.g. H2O, so that the vibrational energy stored in the N2 and CO is transferred to the CO2, where it produces inversion. A relatively high reservoir temp. (ca. 4000 K) can be produced relatively simply, whereas the upper limit for most gas dynamic lasers, in which the N2 used as energy carrier is premixed with CO2, is ca. 2500 K, due to dissociation of the CO2, the degree of dissociation of N2 and CO being under 0.1%.

Description

Verfahren zur chemischen Versorgung und Anregung eines gas-Process for chemical supply and excitation of a gas

dynamischen CO2-Lasers Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur chemischen Versorgung und Anregung eines gasdynamischen C02-Lasers im Überschall-Mischbetrieb, dessen Brennkammer über Lavaldüsen mit einem Resonator verbunden ist, welchem sich gegebenenfalls ein Diffusor anschließt.dynamic CO2 laser The invention relates to a method for chemical supply and excitation of a gas-dynamic C02 laser in supersonic mixed operation, whose combustion chamber is connected to a resonator via Laval nozzles, which if necessary, a diffuser is connected.

Es sind chemische Laser bekannt, in welchen die aktiven Teilchen durch chemische Reaktion erzeugt bzw. angeregt werden. Auch existieren Laser, in denen ein Gas in einer Kammer erhitzt und anschließend durch adiabatische Ausdehnung in einer oder mehreren Düsen in einen optischen Hohlraumresonator geleitet wird. So betrifft die DT-OS 21 18 559 einen Gaslasergenerator, in dem die Besetzungsumkehr der aktiven Atome, Ionen oder Moleküle durch adiabatische Ausdehnung der Gase in einer Düse erfolgt. Dieser bekannte Laser arbeitet mit Stickstoff und einem Kohlenoxid; stromabwärts im Bereich des engsten Querschnittes der Düse wird quer zur Richtung der Strömung in der Düse C02 oder Helium zugeführt.Chemical lasers are known in which the active particles pass through chemical reaction can be generated or excited. There are also lasers in which a gas is heated in a chamber and then by adiabatic expansion in one or more nozzles is directed into an optical cavity resonator. So DT-OS 21 18 559 relates to a gas laser generator in which the population is reversed of active atoms, ions or molecules through adiabatic expansion of the gases in a nozzle. This well-known laser works with nitrogen and a carbon oxide; downstream in the area of the narrowest cross section of the nozzle is transverse to the direction C02 or helium is supplied to the flow in the nozzle.

In dem Aufsatz "Supersonic mixing nozzle for gas-dynamic lasers" von R. Borghi, A.F. Carrega, M. Charpenel und J.-P.E. Taran, erschienen in Appl. Phys. Letters, Vol. 22, No. 12, June 15,1973 sind auf den Seiten 661 - 663 die Probleme von CO2-Lasern aufgezeigt, die im Uberschall-Mischbetrieb arbeiten. In dieser Vorveröffentlichung wird hervorgehoben, daß die Situation - gemeint ist wohl der Laserwirkungsgrad - erheblich verbessert werden könnte, wenn heißes N2 erzeugt und entspannt werden könnte, bevor es mit kaltem C02 und He oder H20 vermischt wird. Zur Erzeugung von heißem N2 wird hier ein Lichtbogen zu Hilfe genommen, der eine Leistung von 2 MW aufweist.In the article "Supersonic mixing nozzle for gas-dynamic lasers" by R. Borghi, A.F. Carrega, M. Charpenel and J.-P.E. Taran, published in Appl. Phys. Letters, Vol. 22, No. On June 12, 15,1973, the problems are on pages 661-663 demonstrated by CO2 lasers that work in supersonic mixed operation. In this pre-release it is emphasized that the situation - probably meant the laser efficiency - could be greatly improved if hot N2 are generated and relaxed could before it is mixed with cold C02 and He or H20. To generate hot N2, an electric arc is used here as an aid Has an output of 2 MW.

Der DT-OS 23 36 341 liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß die Durchmischung seiner Gasströme verbessert und seine Leistungsfähigkeit und sein Wirkungsgrad gesteigert werden. Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß der Injektor für C02 + He im Inneren der Düse angeordnet ist. Außerdem ist in dieser Vorveröffentlichung angegeben, daß innerhalb der Brennkammer durch die chemische Reaktion 2C2N2 + 2N02 9 4CO + 3N2 + 135 kcal eine Gastemperatur von etwa 4000 K erzeugt werden kann.The DT-OS 23 36 341 is based on the task of a laser of the initially to train said type in such a way that the mixing of its gas streams improves and its performance and efficiency are increased. this will essentially achieved by having the injector for C02 + He inside the nozzle is arranged. It is also stated in this prior publication that within the combustion chamber through the chemical reaction 2C2N2 + 2N02 9 4CO + 3N2 + 135 kcal a gas temperature of about 4000 K can be generated.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß ein Laser der eingangs genannten Art noch leistungsoptimaler arbeitet, wenn heißes N2 gemeinsam mit CO im Molverhältnis von etwa 3 : 2 durch Reaktion von C2N2 + N2O bei Temperaturen um 4200 K erzeugt und nach der Expansion in einer Lavaldüsenanordnung mit C02 und evtl.Surprisingly, it has now been found that a laser of the initially mentioned type works even better when hot N2 is combined with CO in a molar ratio of about 3: 2 by reaction of C2N2 + N2O at temperatures around 4200 K is generated and after expansion in a Laval nozzle arrangement with C02 and possibly

weiteren Gasen wie H20 gemischt wird, wobei die in N2 und CO gespeicherte Vibrationsenergie auf das C02 übertragen wird und dort Inversion erzeugt.other gases such as H20 are mixed, with those stored in N2 and CO Vibration energy is transferred to the C02 and creates inversion there.

Im Rahmen der Erfindung werden also N2 und CO chemisch erzeugt.In the context of the invention, N2 and CO are thus generated chemically.

C2N2 und N20 sind als Flüssigkeiten gut speicherbar. Der Dissoziationsgrad von N2 und CO ist geringer als 1 °/oo, womit ein sogenanntes Einfrieren der im N2 und CO gespeicherten Vibrationsenergie möglich ist.C2N2 and N20 can be stored well as liquids. The degree of dissociation of N2 and CO is less than 1%, which means a so-called freezing of the N2 and CO stored vibration energy is possible.

Die Erfindung hat gegenüber dem bekannten Stand der Technik erhebliche Vorteile. Es wird durch das erfindungsgemaße Verfahren auf relativ einfache Weise eine relativ hohe Reservoirtemperatur erzielt. Mit der Reservoirtemperatur nimmt vorteilhafterweise die massenspezifische Laserenergie zu, die bei einer Reservoirtemperatur T0 = 4000 K etwa 300 J/g [m] beträgt. Bei den meisten bekannten gas dynamischen Lasern liegt die obere Grenze für T0 bei etwa 2500 K, wenn als Energieträger N2 verwendet wird, der mit C02 vorgemischt wird. Die relativ niedrige Reservoirtemperatur ist durch thermische Dissoziation von C02 begründet.The invention has considerable over the known prior art Advantages. It is made in a relatively simple manner by the method according to the invention achieved a relatively high reservoir temperature. With the reservoir temperature increases advantageously the mass-specific laser energy that is generated at a reservoir temperature T0 = 4000 K is about 300 J / g [m]. Most known gas dynamic Lasers, the upper limit for T0 is around 2500 K, if the energy carrier is N2 is used, which is premixed with C02. The relatively low reservoir temperature is due to thermal dissociation of CO2.

N2 und CO dissoziieren kaum bei Reservoirtemperaturen von T0 r 4000 K; N2 kann jedoch chemisch ohne Hilfsenergie nicht erzeugt werden. Letztere kann z.B. über Lichtbogen zugeführt werden. Das Zumischen von C02 und H20 (H2, He) erfolgt erfindungsgemäß am Düsenende nach der eigentlichen Expansion. Dies erlaubt es, die für die Invers ion günstige Temperatur von circa 300 K im Resonator durch Lavaldüsen zu erreichen, deren Flächenverhältnis relativ gering ist. Wegen der damit verbundenen geringeren Druckabsenkung gelingt es auch leichter, das Gas mit Hilfe eines Diffusors wieder auf Atmosphärendruck rückzuverdichten und somit ohne Pumpe in die Atmosphäre aus zustoßen.N2 and CO hardly dissociate at reservoir temperatures of T0 r 4000 K; However, N2 cannot be generated chemically without auxiliary energy. The latter can e.g. be fed in via an electric arc. The admixing of C02 and H20 (H2, He) takes place according to the invention at the nozzle end after the actual expansion. This allows the A favorable temperature for the inverse ion of approx. 300 K in the resonator through Laval nozzles to achieve whose area ratio is relatively low. Because of the associated If the pressure is lower, it is also easier to divert the gas with the help of a diffuser recompress to atmospheric pressure and thus into the atmosphere without a pump to happen.

Das Verhältnis cp/cv der spezifischen Wärmen bei konstantem Druck pv und konstantem Volumen ist bei der Expansion im Rahmen der Erfindung relativ hoch (1,4), so daß zur Abkühlung des Gases auf die erforderlichen Temperaturen (' 300 K) ein Flächenverhältnis der Expansionsdüsenanordnung von einigen Hundert ausreicht. Als Folge hiervon ergeben sich am Düsenausgang kleine Mischstrecken ( « lmm).The ratio cp / cv of the specific heats at constant pressure pv and constant volume is relative in the expansion within the scope of the invention high (1.4), so that to cool the gas to the required temperatures (' 300 K) an area ratio of the expansion nozzle arrangement of a few hundred is sufficient. As a result, there are small mixing sections («1 mm) at the nozzle outlet.

Die Druckabsenkung der Gase ist relativ gering, so daß wiederum eine Kompression der Gase auf Atmosphärendruck per Diffusor möglich ist, mit anschließendem Gasausstoß in die Atmosphäre.The pressure reduction of the gases is relatively small, so that again a Compression of the gases to atmospheric pressure by diffuser is possible, with subsequent Gas emissions into the atmosphere.

Da die Vibrationszustände von CO mit den Vibrationsniveaus von CO und N2 im Resonanzverhältnis stehen, kann nicht nur die in N2, sondern auch die in CO gespeicherte Vibrationsenergie in Laserenergie verwandelt werden.Since the vibration states of CO correspond with the vibration levels of CO and N2 are in the resonance relationship, not only the one in N2, but also the Vibration energy stored in CO can be converted into laser energy.

Bekannt ist schließlich auch noch, daß durch die erforderliche Beimischung von CO die Verstärkung im Resonatorteil erheblich vermindert wird, so daß der Wirkungsgrad des Lasers dadurch sinkt. Im vorliegenden Fall ist die CO-Konzentration erheblich günstiger als bei dem Verfahren gemäß DT-OS 23 36 341, so daß erfindungsgemäß auch ein entsprechend günstigerer Wirkungsgrad erreicht wird.Finally, it is also known that due to the necessary admixture the gain in the resonator part is considerably reduced by CO, so that the efficiency of the laser decreases. In the present case, the CO concentration is considerable cheaper than with the method according to DT-OS 23 36 341, so that according to the invention too a correspondingly more favorable efficiency is achieved.

In den Patentansprüchen 2 bis 8 sind konkrete Maßnahmen zur weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthalten.In claims 2 to 8 specific measures for further Contains embodiment of the method according to the invention.

Claims

Method for chemical supply and excitation of a gas-dynamic C02 laser in supersonic mixed operation, its combustion chamber over Laval nozzles are connected to a resonator, which optionally has a diffuser then it is indicated that hot N2 together with CO in a molar ratio of about 3: 2 by reaction of C2N2 and N20 at temperatures around 4200 K, and after expansion in a Laval nozzle arrangement with C02 and possibly mixed with other gases such as H20, the stored in N2 and Co Vibration energy is transferred to the C02 and creates inversion there.

2. The method according to claim 1, characterized in that g e k e n n z e i c h -n e t that the Laval nozzles used are three-dimensionally flat (not rotationally symmetrical, but e.g. elliptical or rectangular), which means that in the supersonic part only short transverse dimensions have to be overcome when mixing.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized g e k e n nz e i c h e t that the connections C2N2 and N20 are entered in the liquid state.

4. The method according to claims 1 to 3, characterized g e k e n nz e i c h n e t that the compounds C02 and H20 (instead of H20 also H2) are known per se Generated by burning liquid substances.

5. The method according to claims 1 to 4, characterized g e k e n n -z e i c h n e t that the expansion nozzle arrangement for N2 + CO has an area ratio of 100 - 1000 and the temperature of the N2 - CO mixture after expansion Is <300 K.

6. The method according to claims 1 to 5, characterized g e k e n n -z e i c h n e t that the pressure (pO) before the nozzle inlet for N2 + CO is ~ 100 bar and the throat of the expansion nozzle is approximately 0.1 mm in diameter.

7. The method according to claims 1 to 6, characterized in that g e k e n n -z e i c n n e t that instead of C2N2 other C-N compounds, e.g. C or mixtures of these are used, which give N2 + C0.

8. The method according to claims 1 to 7, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the compound NO or 0 is used instead of N20.