DE3021858C2

DE3021858C2 - Gasdynamischer CO↓2↓-Laser

Info

Publication number: DE3021858C2
Application number: DE3021858A
Authority: DE
Inventors: Konrad Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Altmann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1980-06-11
Filing date: 1980-06-11
Publication date: 1982-11-11
Also published as: FR2484722A1; DE3021858A1; GB2080013A; US4413344A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen gasdynamischen }₀ COrLa^er, bei dem das Lasermedium durch die Expansion in einer Lavaldüse gekühlt wird und dem Lasergasstrom in der Nähe des Düsenhalses der Lavaldüse über einen Injektor ein Kühlmittel zugeführt WU d.

Bei diesen konventionellen gasdynamischen Lasern (GDL) wird das Lasermedium durch eine Lavaldüse expandiert Dadurch wird die Translationstemperatur so rasch abgesenkt, daß die im N₂-Molekül gespeicherte Schwingungsenergie »einfriert«. Um diese Energie in einem Resonator als Strahlungsenergie auskoppeln zu können, ist es nötig, die Translationstemperatur auf mindestens Zimmertemperatur abzusenken. Dies ist bei einem Laser der eingangs genannten Art bei einer Stagnationstemperatur im Bereich von 1500—1800K mit einer Lavaldüse durchführbar.

Da jedoch die zur Auskopplung verfügbare Energie bezogen auf das den Massendurchsatz mit steigender Stagnationstemperalur erheblich und überproportional zunimmt, ist man bestrebt, diese Laser bei maximal hohen Stagnationstemperaturen zu betreiben. Um nun die Translationslemperatur auch bei hohen Stagnationstemperaturen genügend abzusenken, muß das Flächenverhältnis F/F* (F* = Düsenhaisfläche) der Düse vergrößert werden. Bei großen Flächenverhältnissen und den damit verbundenen hohen Machzahlen wird jedoch die Lavaldüse ineffektiv. Bezeichnet man mit 71(2) den Wert der Translationstemperatur und mit Fi_(!) ilen Wert der Querschniltsfläche an zwei verschiedenen Stellen des Strömungskanals, so nähert sich das Verhältnis von T_f/Ti bei großen Machzahlen dem Grenzwert:

wobei γ = der Adiabatenkoeffizient ist, für den bei GOi-N2-H₂O-Laser typischerweise gilt:y » 13-

Aus der DE-OS 23 36 341 ist ein gasdynamischer GO2-Laser bekanntgeworden, bei dem das Laserrriedium durch Expansion in einer Lavaldüse gekühlt wird und dem Lasergasstrom in der Nähe des Düsenhalses der Lavaldüse über einen Injektor ein Kühlmittel zugeführt wird. Dieses Kühlmittel setzt sich aus einem einatomigen Gas und einem Kohlenoxidgas zusammen. Durch diese Maßnahmen gelangen jedoch unerwünschte Fremdstoff^ in den Laser, die Rückstände bilden und den Laser beeinflussen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gasdynamischen Loser der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß er bei hohen Stagnationstemperaturen ohne die sonst erforderlichen Expansionsverhältnisse einen problemlosen Betrieb erlaubt

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale in überraschend zuverlässiger und optimaler Weise gelöst Besondere Ausführungsarten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß dem allgemeinen Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung wird das Prinzip der Lavaldüse, also die Absenkung der Temperatur durch Expansion bei kleinen Machzahlen beibehalten, während bei großen Machzahlen die erforderliche weitere Temperaturabsenkung durch Absenkung der aktuellen Stagnationstemperatur erreicht wird. Unter aktueller Stagnationstemperatur ist hierbei die Temperatur gemeint die das Medium bei isentroper Abbremsung erreichen würde. Im Falle der Lavaldüse ist dies die Temperatur im Plenum. Eine solche Absenkung der aktuellen Stagnationstemperatur wird gemäß dein erfindungsgemäßen Vorschlag durch die Verdampfung mikroskopisch kleiner Wassertröpfchen erreicht, die in der Strömung mitgeführt werden. Eine theoretische Abschätzung zeigt, daß das Ergebnis um so besser ist. je näher die Tröpfchen dem Geschwindigkeitswert des Mediums kommen, d. h. Medium und Wassertröpfchen sollen weitgehend dieselbe Geschwindigkeit haben.

In diesem Fall gilt bei großen Machzahlen Wund bei Stagnationstemperaturen im Plenum zwischen 2500 und 3500 K näherungsweise

c/r/7« -(I - M²Il)OwAv

Hier ist dT/Tdie relative Änderung der Translationstemperatur und dw/w die relative Änderung des Massendurchsatzes des gasförmigen Anteils der Strömung infolge des Verdunstens der Wassertröpfchen. Man sieht, daß die Temperaturabsenkung infolge Verdampfung gerade bei größeren Machzahlen effektiver wird. Das Verfahren ist deshalb eine ideale Ergänzung zum Prinzip der Expansion, wie es in der Lavaldüse benutzt wird.

Die zur Abkühlung erforderliche Wassermenge ist typischerweise kleiner als 15 bis 20 Molprozente.

Technisch läßt sich die vorgeschlagene Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen erläutern:

Im ersten Fall wird das Wasser durch geeignete Injektoren in Halsnähe in die Strömung eingebracht, beispielsweise in Form feiner Strahlen. Diese werden dann infolge der großen Gasstromgeschwindigkeit rasch zerstäubt und gleichzeitig beschleunigt Bei Injektion vor dem Düscnhals wird die Zerstäubung noch durch¹ die stärke Beschleunigung der Strömung am Düsenhals gefördert Da die Flugzeit durch den Halsbereich dei Düsen mit einer Halsweite Von etwa 0,1 mm lypischerweise in der Größenänordnung von weniger als 1 μβ liegt, können die Tröpfchen im Halsbereich nicht erhitzt Werden. Die Verdampfung

erfolgt daher erst sitromabwärts. Zu einem Kochen der Tröpfchen und daher zu einem sehr rasclhen Verdampfen kommt es, wenn der Druck des Gases infolge der Expansion den von der Tröpfchentempeiratur abhängigen Dampfdruck der Tröpfchen unterschreitet Auf diese Weise wird gerade bei hohen Machzahlen eine effektive Abkühlung des Mediums erreicht

Im zweiten Fall ist vorgesehen, daß die Wassertröpfchen bereits vor der Injektion in einem unterkühlten Gas-Dampf-Gemisch als feiner Nebel verteilt sind und in dieser Form in der Nähe des Düsenhalses durch geeignete Injektoren — beispielsweise wie in Patentanmeldung P 30 08 425.4 vorgeschlagen — in die heiße Strömung eingebracht werden.

Die Erfindung erbringt aber noch einen weiteren

Vorteil:

Infolge der Absenkung der aktuellen Stagnationstemperatur nimmt der aktuelle Stagnationsdruck erheblich zu. Dies ist bei einem Laser mit offenen Kreislauf von besonderer Bedeutung; denn dadurch wird es wesentlich erleichtert, das Lasergas nach Passieren des Resonators mit Hilfe eines Diffusors auf Atmosphärendruck zu verdichten.

Die hier vorgeschlagene Verwendung von Wasser beruht auf der Tatsache, daß diese Flüssigkeit eine sehr große Verdampfungswärme besitzt (»2500 J/g) und deshalb bereits geringe Mengen eine effektive Kühlung bewirken. Hinzu kommt noch, das Wasser im CO₂-N₂-Laser kein Fremdstoff ist, da es ohnehin als Katalysator zur Entleerung des unteren Laserniveaus benutzt wird.

Claims

1. Gasdynamischer COrLaser, bei dem das Lasergas durch Expansion in einer Lavaldüse gekühlt wird und dem Lasergasstrom in der Nähe des Düsenhalses der Lavaldüse über einen Injektor ein Kühlmittel zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,

daß das Kühlmittel Flüssigkeitströpfchen sind, die durch Verdampfung dem Lasergas Wärme entziehen und die zum Lasergas kein Fremdstoff sind, und daß die Düsengeometrie der Lavaldüse so gewählt ist, daß die Tröpfchen vor ihrer Verdampfung annähernd auf die Strömungsgeschwindigkeit des Lasergases beschleunigt werden.

2. Gasdynamischer CO^Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verdampfenden Flüssigkeitströpfchen aus Wasser bestehen und im Größenbereich von 1 bis 10 μπι liegen.

3. Gasdynamischer CC>2-Laser nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitströpfchen in einem unterkühlten Gas-Dampfgemisch als feiner Nebel verteilt sind und in dieser Form in die heiße Strömung nahe dem Düsenhaisbereich injiziert werden.