RU2170998C1 - Method and device for building up inverse population in carbon dioxide gas-dynamic laser - Google Patents

Method and device for building up inverse population in carbon dioxide gas-dynamic laser Download PDF

Info

Publication number
RU2170998C1
RU2170998C1 RU99122527A RU99122527A RU2170998C1 RU 2170998 C1 RU2170998 C1 RU 2170998C1 RU 99122527 A RU99122527 A RU 99122527A RU 99122527 A RU99122527 A RU 99122527A RU 2170998 C1 RU2170998 C1 RU 2170998C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gas
nozzle
gases
laser
molecule
Prior art date
Application number
RU99122527A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Ю.П. Рассадкин
Original Assignee
Рассадкин Юрий Павлович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Рассадкин Юрий Павлович filed Critical Рассадкин Юрий Павлович
Priority to RU99122527A priority Critical patent/RU2170998C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2170998C1 publication Critical patent/RU2170998C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: laser engineering. SUBSTANCE: method includes organization of fluid mixing of components in subsonic section of nozzle so that gases were fully mixed up at monomolecular level in vicinity of critical section of nozzle. Parameters of gases being mixed up are chosen and maintained in the course of reactions within desired range so as to organize conditions in which vibratory energy of molecules newly produced as result of chemical reactions in gas is accumulated in gas at low static temperature of gases and imparted to molecules of reacting gases thereby enhancing their reaction rate. Enhanced reaction rate, in its turn, causes further accumulation of vibratory energy in molecules of gas mixture ; in the process, CO is first to burn up and H, to lower extent. As a result, amount of vibratory energy accumulated in gas mixture of proposed laser active medium is much greater and water vapor content is lower at lower static temperature as compared with commonly used gas-dynamic laser. Device implementing proposed method has injector unit of combustion chamber mounted upstream of nozzle unit with its holes admitting cold gas component. Injector unit holes are arranged at optimal distance (Lopt) from critical section of nozzles found from equation Lopt= ud2/Dt, where u is flow speed of gas mixture in subsonic section of nozzle; d is typical size of injector unit; Dt is turbulent diffusion factor. Nozzle blades have central cooling-water passages joined to delivery and drain pipelines; subsonic section is provided with ducts having injector holes to admit cold gas component to main gas flow. Height and elevation of constant critical section of nozzle (h) should meet equation h < τ 2 chim (u/ν)3D 2 m , where τchim - is reaction rate of gases; u is gas mixture flow speed in vicinity of critical section of nozzle; ν is kinematic viscosity of gas mixture; Dm is molecular diffusion factor of gases being mixed up. EFFECT: enhanced efficiency of gas-dynamic laser. 8 cl, 4 dwg, 3 ex

Description

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к устройствам газодинамических CO2-лазеров (ГДЛ).The invention relates to laser technology, in particular to devices for gas-dynamic CO 2 lasers (GDL).

Известен способ создания инверсной населенности активной среды в газодинамическом CO2-лазере за счет быстрого расширения в сверхзвуковом сопле нагретой до высоких температур смеси газов CO2, N2, H2O (He) [1]. К недостаткам этого способа относятся:
- Требуемая высокая температура газов до 2000 К и выше и, как следствие, большие трудности с охлаждением и низкий ресурс узлов лазера.
A known method of creating an inverse population of the active medium in a gas-dynamic CO 2 laser due to the rapid expansion in a supersonic nozzle of a gas mixture of CO 2 , N 2 , H 2 O (He) heated to high temperatures [1]. The disadvantages of this method include:
- The required high temperature of gases up to 2000 K and higher and, as a result, great difficulties with cooling and low resource of laser units.

- Низкий коэффициент усиления активной среды, низкая запасенная колебательная энергия на входе в резонатор, низкая эффективность оптического резонатора и низкий удельный энергосъем излучения с единицы расхода газа. - Low gain of the active medium, low stored vibrational energy at the entrance to the resonator, low efficiency of the optical resonator and low specific energy consumption of radiation per unit gas flow.

- Практически невозможно, основываясь на этом способе, создать экономически выгодный технологический лазер. - It is practically impossible, based on this method, to create a cost-effective technological laser.

Известен способ получения инверсной населенности в газодинамическом CO2-лазере получения инверсной населенности с селективным вдувом холодных компонент газа (CO2 и Не) через инжектор в районе критического сечения сверхзвукового сопла в поток нагретого до температуры 3000-4000 К азота [2]. К недостаткам этого способа относятся:
- Требуемая высокая температура газов от 3000 до 4000 К и, как следствие, очень большие трудности с охлаждением узлов лазера, их низкий ресурс.
A known method of producing an inverse population in a gas-dynamic CO 2 laser for producing an inverse population with selective injection of cold gas components (CO 2 and He) through an injector in the critical section of a supersonic nozzle into a stream of nitrogen heated to a temperature of 3000-4000 K [2]. The disadvantages of this method include:
- The required high temperature of the gases is from 3000 to 4000 K and, as a result, very great difficulties with cooling the laser units, their low life.

- Необходимость наличия чистых газов азота, гелия, что существенно удорожает стоимость эксплуатации лазера. - The need for the availability of pure nitrogen and helium gases, which significantly increases the cost of operating the laser.

- Практически невозможно, основываясь на этом способе, создать экономически выгодный технологический лазер. - It is practically impossible, based on this method, to create a cost-effective technological laser.

Одним из способов получения инверсной населенности в газодинамическом CO2-лазере является способ, показанный на основе устройства, но не запатентованный в патенте [3]. В этом способе углеводородное топливо сжигается в камере сгорания с недостатком окислителя, а в инжектор, размещенный в ресивере перед сопловым блоком, вдувается воздух и происходит догорание CO и Н2 в районе критического сечения сопел. По этой работе имеются следующие недостатки:
- Совершенно не описаны и не запатентованы характеристики устройств и параметров смешивающихся газов, при которых наблюдается эффект увеличения запасенной колебательной энергии в активной среде лазера.
One way to obtain an inverse population in a gas-dynamic CO 2 laser is a method shown on the basis of the device, but not patented in the patent [3]. In this method, hydrocarbon fuel is burned in the combustion chamber with a lack of oxidizer, and air is blown into the injector located in the receiver in front of the nozzle block and CO and H 2 are burned in the vicinity of the nozzle critical section. There are the following disadvantages to this work:
- The characteristics of devices and parameters of miscible gases, at which the effect of increasing the stored vibrational energy in the active medium of the laser is not completely described and patented.

- Не описаны физические явления, приводящие к появлению эффекта увеличения запасенной колебательной энергии в активной среде лазера. - The physical phenomena leading to the effect of an increase in the stored vibrational energy in the active medium of the laser are not described.

- Многочисленные экспериментальные исследования подобных устройств в CO2-лазерах показали, что не знание физики явления и не выполнение определенных характеристик устройств и параметров смешивающихся газов не приводит к улучшению характеристик активной среды лазера.- Numerous experimental studies of such devices in CO 2 lasers have shown that not knowing the physics of the phenomenon and not fulfilling certain characteristics of the devices and parameters of miscible gases does not improve the characteristics of the active medium of the laser.

Известно типичное устройство газодинамического CO2-лазера, работающее на продуктах сгорания CO и этилового спирта в кислороде с добавлением азота и состоящее из: камеры сгорания, блока смешения компонент, ресивера, соплового блока, проточной части резонатора, оптического резонатора, диффузора [4]. К типичным недостаткам подобного устройства газодинамического лазера следует отнести:
- Требуемая высокая температура газов до 1700 К и выше и, как следствие, большие трудности с охлаждением узлов лазера. Кроме того, высокая начальная температура газов приводит к большим степеням раскрытия сверхзвуковой части сопел и большого давления газов в ресивере для обеспечения запуска диффузора при выхлопе отработанных газов в атмосферу, что, в свою очередь, приводит к большим затратам энергии на сжатие газов.
A typical device is a gas-dynamic CO 2 laser operating on the products of combustion of CO and ethyl alcohol in oxygen with the addition of nitrogen and consisting of: a combustion chamber, a unit for mixing components, a receiver, a nozzle block, a flow part of a resonator, an optical resonator, and a diffuser [4]. Typical disadvantages of such a device of a gas-dynamic laser include:
- The required high temperature of gases up to 1700 K and higher and, as a result, great difficulties in cooling the laser units. In addition, the high initial temperature of the gases leads to large degrees of opening of the supersonic part of the nozzles and the high pressure of the gases in the receiver to ensure that the diffuser starts up when the exhaust gases are exhausted into the atmosphere, which, in turn, leads to high energy costs for gas compression.

- Низкий коэффициент усиления активной среды, низкая запасенная колебательная энергия на входе в резонатор, низкая эффективность оптического резонатора и низкий удельный энергосъем излучения с единицы расхода газа. - Low gain of the active medium, low stored vibrational energy at the entrance to the resonator, low efficiency of the optical resonator and low specific energy consumption of radiation per unit gas flow.

- Требуемая малая высота критического сечения сверхзвукового сопла (0,3-0,4 мм), связанные с ней трудности охлаждения сопловых лопаток и ухудшение характеристик активной среды во время эксплуатации. Кроме того, при малой высоте критического сечения сопел даже для типичной степени раскрытия сверхзвуковой части сопла ~30 толщина сопловой лопатки в максимальном сечении не превышает 11-12 мм, что не обеспечивает ее заданную жесткость конструкции. Лопатки во время работы лазера подвержены вибрациям, они быстро деформируются, разрушаются и ухудшаются характеристики активной среды (мощность излучения уменьшается в 1,5-2 раза). - The required small height of the critical section of the supersonic nozzle (0.3-0.4 mm), the associated difficulties in cooling the nozzle blades and the deterioration of the characteristics of the active medium during operation. In addition, with a small height of the critical section of the nozzles, even for a typical degree of opening of the supersonic part of the nozzle ~ 30, the thickness of the nozzle blade in the maximum section does not exceed 11-12 mm, which does not provide its predetermined structural rigidity. During the operation of the laser, the blades are subject to vibrations, they quickly deform, collapse, and the characteristics of the active medium deteriorate (the radiation power decreases by a factor of 1.5–2).

- Большая требуемая длина проточной части резонатора по потоку газа, связанные с ней ухудшение характеристик активной среды, а также необходимость высокого давления газа перед сопловым блоком для обеспечения запуска диффузора при выхлопе отработанных газов в атмосферу. - The large required length of the flow path of the resonator along the gas flow, the associated deterioration of the characteristics of the active medium, and the need for a high gas pressure in front of the nozzle block to ensure that the diffuser starts up when the exhaust gases are exhausted into the atmosphere.

- Высокая себестоимость эксплуатации такого технологического лазера. - The high cost of operating such a technological laser.

Известно устройство электрогазодинамического CO-лазера, включающего в себя: разрядный блок, смесительный узел, сопловой блок, проточную часть резонатора, оптический резонатор, диффузор, энергоузел в виде турбокомпрессора и электрогенератор, работающий от вала турбокомпрессора [5, 8]. Рабочим телом в этом устройстве служат продукты сгорания от газогенераторов турбины, кроме того, за компрессором отбирается воздух и подается в смесительный узел лазера, а выхлопные газы из лазера через теплообменник подаются на вход турбокомпрессора. К недостаткам этого устройства следует отнести тот факт, что в продуктах сгорания типовых камер турбины присутствует много частиц сажи, которые существенно ухудшают работу разрядного блока, зеркал оптического резонатора, уменьшают выходную мощность излучения лазера и ресурс эксплуатации. Кроме того CO-лазер требует, чтобы статическая температура в зоне резонатора не превышала 100 К (при этом температура газов на входе соплового блока составляет не менее 1500 К), а это приводит к высокой степени раскрытия сверхзвуковой части сопел, необходимости низкого статического давления в зоне резонатора, большой степени эжекции газами турбокомпрессора и, как следствие, очень большой себестоимости эксплуатации подобного лазера. A device is known for an electro-gas-dynamic CO laser, which includes: a discharge unit, a mixing unit, a nozzle unit, a flow part of a resonator, an optical resonator, a diffuser, an energy unit in the form of a turbocompressor, and an electric generator operating from a turbocompressor shaft [5, 8]. The working fluid in this device is the products of combustion from turbine gas generators, in addition, air is taken from the compressor and supplied to the mixing unit of the laser, and the exhaust gases from the laser are fed to the turbocompressor inlet through the heat exchanger. The disadvantages of this device include the fact that in the combustion products of typical turbine chambers there are many soot particles that significantly impair the operation of the discharge block, mirrors of the optical resonator, and reduce the output power of the laser radiation and the service life. In addition, the CO laser requires that the static temperature in the cavity zone not exceed 100 K (in this case, the gas temperature at the inlet of the nozzle block is at least 1500 K), and this leads to a high degree of opening of the supersonic part of the nozzles, the need for low static pressure in the zone resonator, a large degree of gas ejection of a turbocompressor and, as a result, the very high cost of operating such a laser.

Известно устройство оптического резонатора мощного лазера [6], который выполнен 4-х проходным, 6-ти зеркальным с двумя уголковыми отражателями, обеспечивающим переворот пучка излучения по потоку газа в проточной зоне резонатора при каждом проходе излучения между зеркалами таким образом, что по одну сторону газового потока активной среды находится большой уголковый отражатель, а по другую сторону среды блок зеркал, включающий малый уголковый отражатель, выходное выпуклое и заднее вогнутое зеркала, при этом ребра уголковых отражателей размещают перпендикулярно друг другу. A device for an optical resonator of a high-power laser [6] is known, which is made of 4-pass, 6-mirror with two angular reflectors, which ensures that the radiation beam flips over the gas flow in the resonator flow zone at each radiation pass between the mirrors in such a way that on one side the gas flow of the active medium is a large corner reflector, and on the other side of the medium is a block of mirrors, including a small corner reflector, an output convex and rear concave mirrors, while the edges of the corner reflectors are times eschayut perpendicular to each other.

Наиболее близким к настоящему устройству по составу узлов и агрегатов, входящих в газодинамический CO2-лазер является устройство, описанное в работе [7] . Лазерное устройство включает в себя: емкости для хранения исходных компонент рабочей смеси газов или топлив; компрессоры и насосы подачи компонент; нагревательное устройство или камеры сгорания топлива; ресивер; сопловой блок, набираемый из плоских сопловых лопаток; проточную часть резонатора; оптический резонатор; диффузор; выхлопную систему отработанных газов; компрессор системы охлаждения; емкость хранения хладагента; теплообменник; газодинамическое окно для вывода лазерного излучения из резонатора.Closest to the present device in terms of the composition of the units and assemblies included in the gas-dynamic CO 2 laser is the device described in [7]. The laser device includes: containers for storing the initial components of the working mixture of gases or fuels; compressors and component feed pumps; heating device or fuel combustion chambers; receiver; a nozzle block recruited from flat nozzle vanes; flow part of the resonator; optical resonator; diffuser; exhaust system; cooling system compressor; refrigerant storage capacity; heat exchanger; gas-dynamic window for outputting laser radiation from the cavity.

К недостаткам этого прототипа следует отнести все недостатки, описанные выше для аналога по работе [4]. Кроме того, при создании технологических лазеров на основе ГДЛ подобного типа возникают следующие трудности:
- Высокая температура рабочей смеси газов приводит к дополнительным затратам энергии на охлаждение узлов и низкому их ресурсу эксплуатации.
The disadvantages of this prototype should include all the disadvantages described above for the analogue of [4]. In addition, when creating technological lasers based on GDL of this type, the following difficulties arise:
- The high temperature of the working gas mixture leads to additional energy costs for cooling the nodes and their low service life.

- Большие акустические и динамические воздействия на зеркала резонатора и окружающую среду. - Large acoustic and dynamic effects on the resonator mirrors and the environment.

- Большим расходам компонент топлива и высокой себестоимости эксплуатации устройства. - High fuel component costs and high cost of operation of the device.

Целью изобретения нового способа создания инверсии активной среды газодинамического CO2-лазера являются:
- Существенное улучшение характеристик активной среды CO2-лазера: увеличение коэффициента усиления, запасенной колебательной энергии, эффективности оптического резонатора и выходной мощности излучения (не менее чем в два раза).
The aim of the invention of a new method for creating an inversion of the active medium of a gas-dynamic CO 2 laser is:
- A significant improvement in the characteristics of the active medium of a CO 2 laser: an increase in the gain, the stored vibrational energy, the efficiency of the optical resonator, and the output radiation power (not less than two times).

- Значительное снижение начальной температуры смешивающихся газов и, следовательно, улучшение всех технических характеристик устройств, использующих этот способ. - A significant reduction in the initial temperature of the mixing gases and, therefore, an improvement in all the technical characteristics of devices using this method.

- Возможность создания экономически выгодного технологического CO2 - ГДЛ.- The ability to create cost-effective technological CO 2 - GDL.

Предлагаемый способ создания инверсной населенности в газодинамическом CO2-лазере при низких температурах основан на том факте, что в общем случае скорость химической реакции образования молекул CO2 зависит не только от статической температуры смеси газов, но и от колебательных температур (внутренней энергии) вступающих между собой в реакцию молекул газов.The proposed method for creating an inverse population in a gas-dynamic CO 2 laser at low temperatures is based on the fact that, in the general case, the rate of the chemical reaction of the formation of CO 2 molecules depends not only on the static temperature of the gas mixture, but also on the vibrational temperatures (internal energy) entering between themselves into the reaction of gas molecules.

В смеси реагирующих газов, содержащих буферный, нейтральный газ, при оптимальных параметрах и определенных условиях возможна следующая схема протекания физико-химических процессов. Вновь образующиеся молекулы газа, являющегося продуктом реакции реагирующих компонент, передают часть колебательной энергии, запасенной в них в процессе химической реакции, при столкновении молекулам буферного, нейтрального газа, в которых эта энергия накапливается. Далее при столкновении молекул буферного газа с молекулами одного или нескольких реагирующих газов им передается часть запасенной колебательной энергии, переводя их в возбужденное состояние и увеличивая колебательную температуру молекул. При этом скорость химических реакций резко возрастает, нарабатывается большее количество молекул газа, являющегося продуктом реакции, увеличивается количество запасенной колебательной энергии, которая в большем объеме передается молекулам реагирующих газов. Таким образом, происходит лавинообразный процесс ускорения реакций при низких статических температурах, приводящий к взрывному горению. In a mixture of reacting gases containing a buffer, neutral gas, under optimal parameters and certain conditions, the following flow diagram of physicochemical processes is possible. The newly formed gas molecules, which are the product of the reaction of the reacting components, transfer part of the vibrational energy stored in them during the chemical reaction when they collide with the buffer, neutral gas molecules in which this energy accumulates. Then, when the buffer gas molecules collide with the molecules of one or more reacting gases, they transfer part of the stored vibrational energy, transferring them to an excited state and increasing the vibrational temperature of the molecules. In this case, the rate of chemical reactions increases sharply, a greater number of gas molecules are produced, which is a reaction product, the amount of stored vibrational energy increases, which is transferred to molecules of reacting gases in a larger volume. Thus, an avalanche-like process of accelerating reactions at low static temperatures occurs, leading to explosive combustion.

В качестве буферного накопителя колебательной энергии может использоваться при определенных условиях и один из реагирующих газов, но в этом случае начальная концентрация его должна быть велика, а по мере расходования этого газа в процессе реакций эффект лавинообразного ускорения реакций прекращается и полного выгорания реагирующих газов не происходит. Для того чтобы протекала подобная реакция необходимо подобрать подходящий буферный, нейтральный газ и подавать реагирующие и буферный газы в смесительное устройство с заданными оптимальными параметрами, а в зоне мономолекулярного смешения газов создать определенные условия, описанные ниже. Under certain conditions, one of the reacting gases can also be used as a buffer storage of vibrational energy, but in this case, its initial concentration should be high, and as this gas is consumed during reactions, the effect of an avalanche-like acceleration of reactions stops and the reaction gases do not burn out completely. In order for such a reaction to occur, it is necessary to select a suitable buffer, neutral gas and supply reacting and buffer gases to the mixing device with the specified optimal parameters, and create certain conditions in the monomolecular gas mixing zone described below.

Рассмотрим это на примере брутто реакции 2CO+O2+N2 = 2CO2 + N2 в присутствии водорода или паров воды. Добавляемый в смесь реагирующих газов CO и O2 буферный газ N2, имеет характеристическую температуру нижнего колебательного уровня 3354 К, который близко расположен к нижнему колебательному уровню антисимметричной моды (001) молекулы углекислого газа CO2 (3380 К), являющегося продуктом реакции газов CO и O2. В то же время нижний колебательный уровень молекулы N2 достаточно близок и к нижнему колебательному уровню молекулы горючего CO (3084 К).Consider this as an example of the gross reaction 2CO + O 2 + N 2 = 2CO 2 + N 2 in the presence of hydrogen or water vapor. The buffer gas N 2 added to the mixture of reacting gases CO and O 2 has a characteristic temperature of the lower vibrational level of 3354 K, which is close to the lower vibrational level of the antisymmetric mode (001) of the carbon dioxide molecule CO 2 (3380 K), which is the product of the reaction of CO gases and O 2 . At the same time, the lower vibrational level of the N 2 molecule is also quite close to the lower vibrational level of the combustible CO molecule (3084 K).

Такое близкое расположение колебательных уровней молекул этих газов позволяет принципиально накопить колебательную энергию от вновь образующихся молекул CO2 в азоте и передать ее молекулам горючего CO за времена меньшие времен релаксации колебательной энергии с молекул CO2, CO, N2. Кроме того, при больших концентрациях газом-накопителем колебательной энергии для этой реакции может служить и CO.Such a close arrangement of the vibrational levels of the molecules of these gases allows one to fundamentally accumulate vibrational energy from newly formed CO 2 molecules in nitrogen and transfer it to combustible CO molecules for times shorter than the relaxation times of vibrational energy from CO 2 , CO, N 2 molecules. In addition, at high concentrations, CO can also serve as a storage gas of vibrational energy.

Поставленная цель достигается:
1. В дозвуковой части сопла организуют струйное перемешивание всех компонент таким образом, чтобы полное перемешивание газов на мономолекулярном уровне произошло в районе критического сечения сопла.
The goal is achieved:
1. In the subsonic part of the nozzle, jet mixing of all components is organized so that complete mixing of the gases at the monomolecular level occurs in the region of the critical section of the nozzle.

Здесь выдвигается требование очень быстрого, интенсивного перемешивания турбулентных молей компонентов газов в дозвуковой части сопла на оптимальной минимальной длине, чтобы конечное смешение газов на мономолекулярном уровне в турбулентных молях произошло в районе критического сечения сопла. Это позволит создать условия для образования плоского фронта пламени (зоны горения) в районе критического сечения сопла, при этом выдвигаются определенные требования к характеристикам потока смешивающихся газов, инжекторного устройства и критического сечения сопла. Если не создать требуемые условия, то частично реакция окисления CO может происходить на поверхностях турбулентных молей газа в дозвуковой части сопла, колебательная энергия вновь образующихся молекул CO2 релаксирует в тепло, накопление ее в азоте не происходит и не возникнет самоускоряющейся реакции.Here the requirement is put forward for very fast, intensive mixing of turbulent moles of gas components in the subsonic part of the nozzle at the optimal minimum length, so that the final mixing of gases at the monomolecular level in turbulent moles occurs in the region of the nozzle critical section. This will create the conditions for the formation of a flat flame front (combustion zone) in the region of the critical section of the nozzle, while certain requirements are put forward for the characteristics of the flow of miscible gases, the injection device and the critical section of the nozzle. If the required conditions are not created, then partially the CO oxidation reaction can occur on the surfaces of turbulent moles of gas in the subsonic part of the nozzle, the vibrational energy of the newly formed CO 2 molecules relaxes in heat, its accumulation in nitrogen does not occur, and a self-accelerating reaction does not occur.

2. Параметры смешивающихся газов подбирают и поддерживают в процессе протекания реакции в заданном диапазоне, исходя из условий, чтобы в зоне перемешивания компонент на мономолекулярном уровне в районе критического сечения сопла выполнялись условия. 2. The parameters of the miscible gases are selected and maintained during the course of the reaction in a given range, based on the conditions that the conditions are met in the mixing zone of the components at the monomolecular level in the region of the nozzle critical section.

а) Время перемешивания компонент на мономолекулярном уровне было не более времени химических реакций между молекулами реагирующих компонент. a) The mixing time of the components at the monomolecular level was no more than the time of chemical reactions between the molecules of the reacting components.

В данном случае выдвигается естественное требование, чтобы перемешивание газов на мономолекулярном уровне было быстрее, чем скорости химических реакций. В противном случае запасенная колебательная энергия в молекулах за счет химических реакций будет успевать релаксировать и самоускоряющаяся реакция не пойдет. In this case, a natural requirement is put forward that gas mixing at the monomolecular level is faster than the rates of chemical reactions. Otherwise, the stored vibrational energy in the molecules due to chemical reactions will have time to relax and a self-accelerating reaction will not work.

б) Время химических реакций образования молекулы CO2 было не более времени релаксации колебательной энергии молекулы CO2.b) The time of chemical reactions of the formation of a CO 2 molecule was no more than the relaxation time of the vibrational energy of the CO 2 molecule.

Это условие означает, например, что скорость образования молекул CO2 в реакции должна быть больше скорости релаксации колебательной энергии этой же молекулы после ее образования и обеспечивало возможность накопления колебательной энергии.This condition means, for example, that the rate of formation of CO 2 molecules in the reaction should be greater than the rate of relaxation of the vibrational energy of the same molecule after its formation and should allow the accumulation of vibrational energy.

в) Время передачи колебательной энергии от нижнего колебательного уровня 001 молекулы CO2 на нижний колебательный уровень молекулы N2 должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекулы CO2.c) The time of transfer of vibrational energy from the lower vibrational level 001 of the CO 2 molecule to the lower vibrational level of the N 2 molecule should be no more than the relaxation time of the vibrational energy of the CO 2 molecule.

Это требование подразумевает, что при столкновении вновь образовавшейся колебательно возбужденной молекулы CO2 с молекулами азота за счет Ферми-резонанса и подобранных начальных параметров смеси создаются условия, когда большая доля колебательной энергии передается азоту. В случае, когда в качестве накопителя колебательной энергии используется реагирующий компонент (CO), то к нему выдвигается вышеприведенное требование.This requirement implies that when a newly formed vibrationally excited CO 2 molecule collides with nitrogen molecules due to the Fermi resonance and the selected initial parameters of the mixture, conditions are created when a large fraction of the vibrational energy is transferred to nitrogen. In the case when a reactive component (CO) is used as a storage of vibrational energy, the above requirement is advanced to it.

г) Время релаксации колебательной энергии молекулы N2 и(или) CO должно быть не менее времени релаксации колебательной энергии молекулы CO2.d) The relaxation time of the vibrational energy of the molecule N 2 and (or) CO must be not less than the relaxation time of the vibrational energy of the molecule CO 2 .

Это условие соответствует тому факту, что за счет подобранных параметров газов создаются условия передачи колебательной энергии от вновь образующихся молекул CO2 к азоту или к CO и накопления ее в них.This condition corresponds to the fact that due to the selected gas parameters, conditions are created for the transfer of vibrational energy from newly formed CO 2 molecules to nitrogen or to CO and its accumulation in them.

д) Время передачи колебательной энергии с нижнего колебательного уровня молекулы N2 и(или) с CO2 на нижний колебательный уровень молекулы CO должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекул N2 и CO.d) The time of transfer of vibrational energy from the lower vibrational level of the N 2 molecule and (or) from CO 2 to the lower vibrational level of the CO molecule should be no more than the relaxation time of the vibrational energy of the N 2 and CO molecules.

Это условие означает, что при столкновении молекул горючего CO с молекулами азота значительная доля запасенной колебательной энергии в N2 должна передаваться молекулам CO, либо в случае отсутствия буферного газа колебательная энергия сразу от молекул CO2 передается молекулам CO.This condition means that in the collision of molecules of combustible CO with nitrogen molecules, a significant fraction of the stored vibrational energy in N 2 must be transferred to CO molecules, or in the absence of a buffer gas, vibrational energy is transferred directly from CO 2 molecules to CO molecules.

е) Время релаксации колебательной энергии молекулы CO должно быть не менее времени протекания всей цепочки химических реакций образования молекулы CO2.f) The relaxation time of the vibrational energy of the CO molecule must be not less than the duration of the entire chain of chemical reactions of the formation of the CO 2 molecule.

Это требование необходимо, чтобы после передачи колебательной энергии от азота к CO колебательно возбужденные молекулы CO должны присутствовать во всей цепочке и во все время протекания реакций образования CO2.This requirement is necessary so that after the transfer of vibrational energy from nitrogen to CO, vibrationally excited CO molecules must be present in the entire chain and during the entire course of the reactions of formation of CO 2 .

ж) Время релаксации колебательной энергии молекулы N2 и(или) CO должно быть не менее пролетного времени смеси газов зоны индукции и зоны реакции.g) The relaxation time of the vibrational energy of the molecule N 2 and (or) CO must be at least the flight time of the gas mixture of the induction zone and the reaction zone.

Данное естественное требование нужно, чтобы на протяжении всей зоны индукции и зоны реакции молекулы CO подпитывались колебательной энергией от молекул азота. This natural requirement requires that throughout the induction zone and the reaction zone, CO molecules be fed vibrational energy from nitrogen molecules.

Осуществление способа. The implementation of the method.

В случае выполнения в совокупности всех вышеперечисленных требований создаются условия, когда колебательная энергия вновь образующихся молекул CO2, передается молекулам азота и "замораживается" в нем на некоторое время. Далее эта колебательная энергия передается молекулам CO, переводя их в возбужденное состояние. Для колебательно возбужденных молекул CO, в связи с присутствием колебательной температуры в экспоненциальном множителе коэффициента скорости реакции резко увеличивается количество молекул CO2. Это, в свою очередь, приводит к возрастанию запасенной колебательной энергии газов и увеличению "накачки" молекул CO. Возникает лавинообразный процесс увеличения скорости реакции и выгорание данного вида горючего осуществляется взрывным способом.If all of the above requirements are fulfilled, the conditions are created when the vibrational energy of the newly formed CO 2 molecules is transferred to nitrogen molecules and is "frozen" in it for some time. Further, this vibrational energy is transferred to CO molecules, transferring them to an excited state. For vibrationally excited CO molecules, due to the presence of vibrational temperature in the exponential factor of the reaction rate coefficient, the number of CO 2 molecules increases sharply. This, in turn, leads to an increase in the stored vibrational energy of gases and an increase in the "pumping" of CO molecules. There is an avalanche-like process of increasing the reaction rate and the burnout of this type of fuel is carried out in an explosive way.

Целью изобретения устройства газодинамического CO2-лазера для осуществления способа создания инверсной населенности являются:
- существенное улучшение характеристик активной среды лазера и увеличение удельного энергосъема с единицы расхода газов;
- снижение начальной температуры смешивающихся газов, уменьшение давления газов в ресивере и энергетических затрат на сжатие газов;
- увеличение высоты критического сечения сопел до 1 - 1,2 мм, исключение вибраций сопловых лопаток и увеличение их ресурса эксплуатации;
- значительного уменьшения расходимости лазерного излучения, за счет уменьшения влияния на нее вибраций зеркал оптического резонатора;
- создание экономически выгодного в эксплуатации технологического лазера, в том числе и для автономного перевозимого варианта.
The aim of the invention is the device gas-dynamic CO 2 laser for implementing the method of creating an inverse population are:
- a significant improvement in the characteristics of the active medium of the laser and an increase in the specific energy consumption per unit gas flow rate;
- reducing the initial temperature of the mixing gases, reducing the gas pressure in the receiver and energy costs for gas compression;
- increasing the height of the critical section of the nozzles to 1 - 1.2 mm, eliminating the vibration of the nozzle blades and increasing their service life;
- a significant reduction in the divergence of laser radiation, by reducing the effect of vibration of the mirrors of the optical resonator on it;
- creation of a cost-effective technological laser in operation, including for an autonomous transported option.

Поставленная цель достигается конструкциями узлов и схемными решениями устройства, показанными на фиг. 1 - 4. The goal is achieved by the designs of nodes and circuit solutions of the device shown in FIG. 14.

Устройство газодинамического CO2-лазера (ГДЛ) включает в себя: камеры сгорания в качестве генераторов смеси компонент нагретого газа 1; ресивер, необходимый для равномерной подачи смеси газов в сопловой блок 2; сверхзвуковой сопловой блок 3, набираемый из плоских сопловых лопаток 4; инжекторное устройство для подачи второго из компонент холодного газа (смеси газов окислителя с азотом либо горючего), размещаемое в дозвуковой части соплового блока 5; проточную часть резонатора 6; оптический резонатор 7; сверхзвуковой и дозвуковой диффузоры лазера 8; газодинамическое окно для вывода лазерного излучения из резонатора 9; турбокомпрессор для подачи сжатого воздуха 10; выхлопную систему отработанных газов с эжектором 11; системы охлаждения узлов и агрегатов устройства.The device of a gas-dynamic CO 2 laser (GDL) includes: combustion chambers as generators of the mixture of components of the heated gas 1; a receiver necessary for uniform supply of a mixture of gases in the nozzle block 2; a supersonic nozzle block 3 recruited from flat nozzle blades 4; an injection device for supplying the second of the components of the cold gas (a mixture of oxidizer gases with nitrogen or fuel), placed in the subsonic part of the nozzle block 5; the flow part of the resonator 6; optical resonator 7; supersonic and subsonic laser diffusers 8; a gasdynamic window for outputting laser radiation from the resonator 9; turbocharger for supplying compressed air 10; exhaust system with an ejector 11; cooling systems of units and assemblies of the device.

Работа лазерного комплекса осуществляется следующим образом: поступающий атмосферный воздух 12 сжимается в турбокомпрессоре и далее воздух высокого давления 13 подается вначале между стенками ресивера 2, осуществляя регенерацию тепла, выделяемого в камерах сгорания 1, потом непосредственно в сами камеры сгорания 1, а также в инжекторный узел 5 через коллектор 14. Воздух низкого давления 15 из турбокомпрессора 10 поступает в газодинамическое окно 9 и на охлаждение узлов лазера 16. Камеры сгорания 1 размещены по боковой и торцевым поверхностям ресивера 2, что обеспечивает равномерное распределение параметров газа на входе в сопловой блок, минимальные газодинамические и тепловые потери. The operation of the laser complex is as follows: the incoming atmospheric air 12 is compressed in a turbocompressor and then the high pressure air 13 is first supplied between the walls of the receiver 2, regenerating the heat released in the combustion chambers 1, then directly into the combustion chambers 1, as well as into the injection unit 5 through the manifold 14. Low pressure air 15 from the turbocharger 10 enters the gasdynamic window 9 and to cool the laser assemblies 16. Combustion chambers 1 are located on the side and end surfaces of the Iver 2, which provides uniform distribution of the gas parameters at the inlet of the nozzle block, the minimum gas dynamic and heat losses.

Горячий компонент газов 17, поступающий из камер сгорания 1, подается в ресивере 2 на вход соплового блока 3, смешивается с холодным компонентом, поступающим через инжекторное устройство 5, и создается зона горения CO в районе критического сечения сопел 18. При этом в зависимости от параметров потоков газов горячего и холодных компонент отверстия инжекторного узла 5 размещены на оптимальном расстоянии (Lopt) от района критического сечения сопел, определяемого из соотношения: Lopt = ud2/Dt, где u - скорость смеси газов в дозвуковой части сопла, d - характерный размер инжекторного устройства, Dt - коэффициент турбулентной диффузии. Это условие означает, что перемешивание турбулентных молей компонент газов должно завершиться в районе критического сечения сопел 18.The hot component of the gases 17 coming from the combustion chambers 1 is fed into the receiver 2 to the input of the nozzle block 3, mixed with the cold component coming in through the injector device 5, and a combustion zone of CO is created in the vicinity of the critical section of the nozzles 18. Moreover, depending on the parameters the gas flows of the hot and cold components of the hole of the injection unit 5 are placed at an optimal distance (L opt ) from the critical nozzle section, determined from the relation: L opt = ud 2 / D t , where u is the velocity of the gas mixture in the subsonic part of the nozzle, d - hara characteristic size of the injection device, D t - turbulent diffusivity. This condition means that the mixing of the turbulent moles of the gas component should be completed in the region of the critical section of the nozzles 18.

Сопловые лопатки 4 имеют центральные каналы для охлаждения водой 19, которые стыкуются с подающим 20 и сливным 21 трубопроводами, а в дозвуковой части каналы 5 с отверстиями инжектора для подачи холодного газового компонента в основной поток газа. Кроме того, в районе критического сечения сопел 18 должны выполняться требования, чтобы время перемешивания газов на мономолекулярном уровне τсм было не более времени химических реакций между молекулами реагирующих газов τхим, то есть τсм< τхим. Время смешения на мономолекулярном уровне можно определить τсм~ L2/Dм, где L - тепловой масштаб турбулентности потока газа, a DM - коэффициент молекулярной диффузии. Тепловой масштаб турбулентности согласно теории А.Н. Колмогорова можно оценить из формулы L~ h/Re3/4, где h - характерный размер высоты и ширины площадки постоянного критического сечения сопел 18, a Re - число Рейнольдса, определенное по характерному размеру h и параметрам газового потока. Тогда условие для выбора характерного размера h определяется следующим образом: h < τ 2 хим (u/ν)3D 2 м , где u - скорость газа, a ν - кинематическая вязкость газа.The nozzle vanes 4 have central channels for cooling with water 19, which are joined with the supply 20 and drain 21 pipelines, and in the subsonic part the channels 5 with the injector openings for supplying a cold gas component to the main gas stream. In addition, in the region of the critical cross section of the nozzles 18, the requirements must be satisfied that the mixing time of the gases at the monomolecular level τ cm is no more than the time of chemical reactions between the molecules of the reacting gases τ chemical , i.e. τ cmchemical . The mixing time at the monomolecular level can be determined τ cm ~ L 2 / D m , where L is the thermal scale of the gas flow turbulence, and D M is the molecular diffusion coefficient. The thermal scale of turbulence according to the theory of A.N. Kolmogorov can be estimated from the formula L ~ h / Re 3/4 , where h is the characteristic size of the height and width of the platform of the constant critical section of the nozzles 18, and Re is the Reynolds number determined by the characteristic size h and parameters of the gas flow. Then the condition for choosing the characteristic size h is defined as follows: h <τ 2 chem (u / ν) 3 D 2 m , where u is the gas velocity, and ν is the kinematic viscosity of the gas.

Ресивер 2 выполнен в виде сегмента тонкостенной трубы с двойными стенками и с помощью фланцев пристыковывается к фланцам корпуса соплового блока 22. Такая конструкция в рабочем режиме под давлением газов внутри позволяет улучшить уплотнения между корпусом соплового блока 22 и сопловыми лопатками 4, а, кроме того, растягивая их, уменьшает вибрации лопаток. The receiver 2 is made in the form of a segment of a thin-walled pipe with double walls and, with the help of flanges, joins the flanges of the nozzle block body 22. Such a design in operating mode under gas pressure inside allows improving sealing between the nozzle block body 22 and nozzle blades 4, and, in addition stretching them reduces the vibration of the shoulder blades.

Оптический резонатор выполнен 4-х проходным, 6-ти зеркальным с двумя уголковыми отражателями 23, 24, обеспечивающим переворот пучка излучения по потоку газа в проточной зоне резонатора при каждом проходе излучения между зеркалами. При этом по одну сторону газового потока активной среды находится большой уголковый отражатель 23, а по другую сторону среды - блок зеркал, включающий малый уголковый отражатель 24, выходное выпуклое 25 и заднее вогнутое 26 зеркала, кроме того, ребра уголковых отражателей размещают перпендикулярно друг другу. Выходное пятно излучения имеет форму прямоугольника с вырезанным углом. Данная оптическая схема резонатора перед другими имеет следующие преимущества:
- переворот пучка излучения позволяет получить распределение интенсивности излучения в выходном пучке близко к равномерному;
- уменьшить влияние активной среды на расходимость излучения;
- существенно уменьшает чувствительность резонатора к разъюстировкам зеркал под действием динамических и акустических нагрузок во время работы газодинамического тракта лазера и турбокомпрессора, а следовательно, уменьшить интегральную расходимость излучения.
The optical resonator is made of 4-pass, 6-mirror with two angular reflectors 23, 24, providing a flip of the radiation beam along the gas flow in the resonator flow zone at each radiation pass between the mirrors. At the same time, on one side of the gas flow of the active medium there is a large angular reflector 23, and on the other side of the medium there is a block of mirrors, including a small angular reflector 24, an output convex 25 and a rear concave 26 mirror, in addition, the edges of the corner reflectors are placed perpendicular to each other. The output radiation spot has the shape of a rectangle with a cut out corner. This optical resonator circuit has the following advantages over others:
- flipping the radiation beam allows you to get the distribution of the radiation intensity in the output beam close to uniform;
- reduce the influence of the active medium on the divergence of radiation;
- significantly reduces the sensitivity of the resonator to the alignment of the mirrors under the action of dynamic and acoustic loads during operation of the gas-dynamic path of the laser and the turbocharger, and therefore reduce the integral divergence of radiation.

Диффузор, предназначенный для торможения газа и восстановления статического давления 8, состоит из сверхзвуковой части, в которую входит суживающий канал, обеспечивающий плавный переход от прямоугольного сечения в круглое 27 и трубы постоянного сечения 28, а дозвуковая часть из усеченного расширяющегося конуса 29 и трубы постоянного сечения 30. При этом трубы конечной дозвуковой части диффузора 30 являются составным узлом эжектора 11 выхлопного устройства. The diffuser, designed to inhibit gas and restore static pressure 8, consists of a supersonic part, which includes a narrowing channel, providing a smooth transition from a rectangular section to a round 27 and a pipe of constant cross section 28, and a subsonic part from a truncated expanding cone 29 and a pipe of constant cross section 30. In this case, the pipes of the final subsonic part of the diffuser 30 are an integral part of the ejector 11 of the exhaust device.

Лазерное устройство снабжено эжектором 11, в котором отходящие газы 31 из турбокомпрессора 10 используются для эжектирования выхлопных газов из газодинамического тракта непосредственно лазера 32. Это позволяет создать дополнительное разряжение на выходе диффузора лазера и уменьшить требуемое давление газов в ресивере 2, необходимое для запуска диффузора, что, в свою очередь, уменьшает требования к турбокомпрессору и удешевляет эксплуатацию комплекса. На выхлопе эжектора устанавливается шумоглушащее устройство 33, обеспечивающее уменьшение акустических воздействий от выхлопной струи газов 34 на оборудование и обслуживающий персонал. The laser device is equipped with an ejector 11, in which the exhaust gases 31 from the turbocharger 10 are used to eject the exhaust gases from the gas-dynamic path of the laser directly 32. This allows you to create additional vacuum at the output of the laser diffuser and reduce the required gas pressure in the receiver 2, necessary to start the diffuser, which , in turn, reduces the requirements for a turbocharger and reduces the cost of operation of the complex. A noise suppressing device 33 is installed at the ejector exhaust to reduce the acoustic effects of the exhaust gas stream 34 on equipment and maintenance personnel.

Топливо для турбокомпрессора 10 и газогенераторов 1 подается с помощью насоса 35 из емкости 36 через систему трубопроводов 37 вначале в теплообменник 38, в котором хладагент, прокачиваемый с помощью насоса 39, через систему охлаждения 40 зеркал оптического резонатора 7 отдает тепло этому топливу. Кроме того, в лазерном устройстве используется электрогенератор 41, приводимый во вращение от вала турбокомпрессора. Такое техническое решение позволяет создать технологический лазер полностью автономный от внешних систем охлаждения и электропитания. Fuel for the turbocharger 10 and gas generators 1 is supplied by pump 35 from the tank 36 through a piping system 37, first to a heat exchanger 38, in which the refrigerant pumped through pump 39 through the cooling system 40 of the mirrors of the optical resonator 7 transfers heat to this fuel. In addition, the laser device uses an electric generator 41, driven in rotation from the shaft of the turbocharger. This technical solution allows you to create a technological laser completely autonomous from external cooling and power systems.

Использование способа и устройства для его реализации позволит улучшить следующие характеристики газодинамического CO2-лазера:
- значительно повысить коэффициент усиления и запасенную колебательную энергию активной среды, эффективность резонатора и выходную мощность излучения не менее чем в два раза по сравнению с равновесным режимом ГДЛ;
- уменьшить начальную температуру смешивающихся газов до 1000 К и менее;
- увеличить высоту критического сечения сопел, увеличить толщину сопловых лопаток, снять проблемы охлаждения их и значительно увеличить ресурс работы;
- получить минимальную расходимость излучения (не более 1,5 мрад по уровню энергии 0,9) при большой мощности;
- создать экономически выгодный технологический CO2-лазер большой мощности.
Using the method and device for its implementation will improve the following characteristics of a gas-dynamic CO 2 laser:
- significantly increase the gain and the stored vibrational energy of the active medium, the resonator efficiency and the output radiation power of not less than two times in comparison with the equilibrium mode of the GDF;
- reduce the initial temperature of the mixing gases to 1000 K or less;
- increase the height of the critical section of the nozzles, increase the thickness of the nozzle blades, remove the problems of cooling them and significantly increase the service life;
- to obtain the minimum divergence of radiation (not more than 1.5 mrad in energy level 0.9) at high power;
- create a cost-effective technological CO 2 laser of high power.

Пример 1. Данный способ создания инверсной населенности был проверен на модельной газодинамической установке, которая включала в себя газогенератор, работающий на твердом топливе, ресивер, единичное щелевое сопло, систему подачи холодного воздуха через ряд отверстий инжектора в дозвуковой части сопла, вакуумную емкость и систему измерения коэффициента усиления. Высота критического сечения сопла была 0,3 мм, степень раскрытия сверхзвуковой части 40, а давление газов в ресивере изменялось в диапазоне 30 - 50 ат. Состав продуктов сгорания на выходе газогенератора включал в себя CO, H2, N2 и при дожигании его в воздухе (в газогенераторе) в обычном равновесном режиме ГДЛ при температуре 1800 К коэффициент усиления активной среды составлял 0,3 - 0,5 1/м, а запасенная колебательная энергия до 16 кДж/кг. В случае неравновесного режима дожигания смеси в воздухе в районе критического сечения сопла при температуре 1000 К и ниже, коэффициент усиления активной среды имел максимальную величину до 1 1/м, а запасенная колебательная энергия возросла до 25 кДж/кг. При этом темп релаксации колебательной энергии по потоку активной среды был значительно ниже, чем для равновесного режима ГДЛ.Example 1. This method of creating an inverse population was tested on a model gas-dynamic installation, which included a solid fuel gas generator, a receiver, a single slotted nozzle, a cold air supply system through a series of injector openings in the subsonic part of the nozzle, a vacuum container, and a measurement system gain factor. The height of the critical section of the nozzle was 0.3 mm, the degree of opening of the supersonic part was 40, and the gas pressure in the receiver varied in the range 30–50 at. The composition of the combustion products at the outlet of the gas generator included CO, H 2 , N 2 and when it was burned in air (in the gas generator) in the usual equilibrium GDL mode at a temperature of 1800 K, the gain of the active medium was 0.3 - 0.5 1 / m and the stored vibrational energy is up to 16 kJ / kg. In the case of a nonequilibrium regime of afterburning the mixture in air in the region of the nozzle critical section at a temperature of 1000 K and lower, the gain of the active medium had a maximum value of 1 1 / m, and the stored vibrational energy increased to 25 kJ / kg. In this case, the rate of relaxation of vibrational energy along the flow of the active medium was significantly lower than for the equilibrium GDL regime.

Пример 2. Испытывалось устройство CO2 - ГДЛ, включающее в себя камеру сгорания, работающую на продуктах сгорания керосина в воздухе, ресивер, сопловой блок, набранный из плоских сопловых лопаток, инжектор холодного воздуха представляющий собой гребенку из тонких трубок с отверстиями, которая имела возможность линейной подвижки относительно критического сечения сопловых лопаток, проточную часть резонатора, устойчивый и неустойчивый оптический резонаторы, диффузор, выхлопную систему, а в качестве источника сжатого воздуха - турбокомпрессор. Высота критического сечения сопел составляла 0,5 мм, степень раскрытия сверхзвуковой части сопла - 30, давление газов в ресивере 3 - 5 ат, при этом для неравновесного режима ГДЛ в камере сгорания керосин в воздухе сжигался с недостатком окислителя таким образом, что нарабатывалось определенное количество CO, которое дожигалось в районе критического сечения сопел при вдуве холодного воздуха в инжектор. Для равновесного режима ГДЛ полное сжигание топлива осуществлялось в камере сгорания, а в инжектор воздух не вдувался. Результаты экспериментов показали, что, если для равновесного режима ГДЛ при температуре продуктов сгорания 1700 К типичный максимальный коэффициент усиления активной среды составлял 0,4 - 0,5 1/м, запасенная колебательная энергия 12 кДж/кг, выходная мощность излучения из неустойчивого резонатора 4,5 кДж/кг, то для неравновесного режима ГДЛ и температуры подходящих газов менее 1000 К соответствующие величины коэффициента усиления, запасенной колебательной энергии и выходной мощности были 0,81 1/м, 23 кДж/кг и 8 кДж/кг. При этом неравновесный режим ГДЛ удавалось получить только при определенных параметрах смешивающихся газов и заданном оптимальном положении гребенки инжекторов относительно критического сечения сопел. Кроме того в неравновесном режиме ГДЛ наблюдался эффект полного выгорания в районе критического сечения сопел сажи, которая образовывалась в камере сгорания при сжигании в них керосина с недостатком окислителя.Example 2. We tested a device CO 2 - GDL, including a combustion chamber operating on the products of combustion of kerosene in air, a receiver, a nozzle block drawn from flat nozzle blades, a cold air injector representing a comb of thin tubes with holes, which had the ability linear displacement relative to the critical section of nozzle blades, the flow passage of the resonator, stable and unstable optical resonators, a diffuser, an exhaust system, and a turbocompresso as a source of compressed air R. The height of the critical section of the nozzles was 0.5 mm, the degree of opening of the supersonic part of the nozzle was 30, the pressure of the gases in the receiver was 3–5 atm, and for the nonequilibrium GDL regime in the combustion chamber, kerosene in the air was burned with a deficiency of oxidizer in such a way that a certain amount was produced CO, which was burned in the vicinity of the critical section of the nozzles by blowing cold air into the injector. For the equilibrium GDL regime, complete combustion of the fuel was carried out in the combustion chamber, but air was not blown into the injector. The experimental results showed that, if for the equilibrium GDL regime at a temperature of combustion products of 1700 K the typical maximum gain of the active medium was 0.4 - 0.5 1 / m, the stored vibrational energy was 12 kJ / kg, and the output radiation power from the unstable resonator 4 5 kJ / kg, then for the nonequilibrium GDL regime and the temperature of suitable gases less than 1000 K, the corresponding values of the gain, stored vibrational energy, and output power were 0.81 1 / m, 23 kJ / kg and 8 kJ / kg. In this case, the nonequilibrium GDL regime was obtained only with certain parameters of the mixing gases and a given optimal position of the injector comb relative to the critical nozzle section. In addition, in the nonequilibrium GDL regime, the effect of complete burnout in the vicinity of the critical section of the soot nozzles was observed, which was formed in the combustion chamber when kerosene was burned with an oxidizer deficiency in them.

Пример 3. Модельная установка ГДЛ испытывалась авторами работы [8], которая включала в себя: плазмотрон для нагрева воздуха, ресивер, сопловой блок, набранный из плоских лопаток, инжектор из гребенки трубок, устанавливаемый перед сопловым блоком и имеющий возможность линейной подвижки относительно его, выхлопную емкость и системы подачи компонент. Воздух плазмотроном нагревался до 1000 - 1100 К, а в инжектор вдувалось газообразное горючее - пропан, при этом высота критического сечения сопел была 1,2 мм, степень раскрытия сверхзвуковой части сопла - 25, а давление газов в ресивере 9 ат. Измерения коэффициента усиления показали, что если для равновесного режима ГДЛ и температуре газов 1600 К он не превышал 0,5 1/м, то для неравновесного режима при оптимальном положении инжектора относительно критического сечения сопел и температуре газов 1000 К его величина достигала 0,7 1/м. Example 3. The GDL model installation was tested by the authors of [8], which included: a plasma torch for heating air, a receiver, a nozzle block drawn from flat blades, an injector from a tube comb installed in front of the nozzle block and having the possibility of linear movement relative to it, exhaust tank and component feed systems. Air was heated by a plasma torch to 1000 - 1100 K, and propane gas was injected into the injector; the nozzle critical section height was 1.2 mm, the supersonic part of the nozzle was disclosed at 25, and the gas pressure in the receiver was 9 atm. Measurements of the gain showed that if for the equilibrium GDF regime and a gas temperature of 1600 K it did not exceed 0.5 1 / m, then for a nonequilibrium mode with an optimal injector position relative to the critical nozzle cross-section and a gas temperature of 1000 K, its value reached 0.7 1 / m

Приведенные примеры экспериментально обосновывают и подтверждают новый способ осуществления инверсии активной среды в газодинамическом CO2-лазере при низкой температуре газов в широком диапазоне параметров и существенное улучшение технических характеристик устройства, реализующего этот способ.The above examples experimentally substantiate and confirm a new method of inverting the active medium in a gas-dynamic CO 2 laser at a low temperature of gases in a wide range of parameters and a significant improvement in the technical characteristics of a device that implements this method.

Источники информации
1. Андерсон Дж. "Газодинамические лазеры: введение". "Мир", 1979, с. 13-42.
Sources of information
1. Anderson J. "Gas-dynamic lasers: an introduction.""World", 1979, p. 13-42.

2. Патент Франции N 604514, кл. H 01 S 3/0953, 1978. 2. French patent N 604514, cl. H 01 S 3/0953, 1978.

3. Патент РФ N 2059333, кл. H 01 S 3/0953, 1996. 3. RF patent N 2059333, cl. H 01 S 3/0953, 1996.

4. Аблеков В. К. и др. "Справочник по газодинамическим лазерам" - М.: "Машиностроение", 1982, с. 19, 20. 4. Ablekov V. K. and others. "Guide to gas-dynamic lasers" - M.: "Engineering", 1982, p. 19, 20.

5. Патент РФ N 2065240, кл. H 01 S 3/0979, 1996. 5. RF patent N 2065240, cl. H 01 S 3/0979, 1996.

6. Патент РФ N 2029421, кл. H 01 S 3/08, 1995. 6. RF patent N 2029421, cl. H 01 S 3/08, 1995.

7. Аблеков В. К. и др. "Справочник по газодинамическим лазерам" - М.: "Машиностроение", 1982, с. 12. 7. Ablekov V. K. and others. "Guide to gas-dynamic lasers" - M .: "Engineering", 1982, p. 12.

8. Заклязминский Л.А. и др. "Влияние пропана на коэффициент усиления в сверхзвуковом потоке", ФГВ N 6, 1980. 8. Zaklyazminsky L.A. and others. "The effect of propane on the gain in a supersonic flow", FGV N 6, 1980.

Claims (8)

1. Способ создания инверсной населенности в газодинамическом CO2-лазере, отличающийся тем, что включает в себя использование реакций окисления окиси углерода (СО) в присутствии кислородсодержащего окислителя, азота (N2), водорода (Н2) или паров воды (H2O), предварительный нагрев одного из компонентов горючего в смеси с N2, Н22О) или окислителя в смеси с N2, Н22О) либо получение нагретых компонентов за счет сжигания углеводородных или твердых топлив, последующее смешение всех компонентов газов и создание зоны горения в районе критического сечения сверхзвукового сопла, при этом организуют струйное перемешивание компонент в дозвуковой части сопла таким образом, чтобы полное перемешивание газов на мономолекулярном уровне произошло в районе критического сечения сопла, а параметры смешивающихся газов подбирают и поддерживают в процессе протекания реакций в заданном диапазоне, исходя из условий, чтобы в зоне перемешивания компонент на мономолекулярном уровне в районе критического сечения сопла выполнялись условия: время перемешивания компонент на мономолекулярном уровне было не более времени химических реакций между молекулами реагирующих компонент; время химических реакций образования молекулы CO2 было не более времени релаксации колебательной энергии молекулы CO2; время передачи колебательной энергии от нижнего колебательного уровня 001 молекулы CO2 на нижний колебательный уровень молекулы N2 должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекулы CO2; время релаксации колебательной энергии молекулы N2 и (или) СО должно быть не менее времени релаксации колебательной энергии молекулы CO2; время передачи колебательной энергии с нижнего колебательного уровня молекулы и N2 и (или) с молекулы CO2 на нижний колебательный уровень молекулы СО должно быть не более времени релаксации колебательной энергии молекул N2 и СО; время релаксации колебательной энергии молекулы СО должно быть не менее времени протекания всей цепочки химических реакций образования молекулы CO2; время релаксации колебательной энергии молекулы N2 и (или) СО должно быть не менее пролетного времени смеси газов зоны индукции и зоны реакции.1. The method of creating an inverse population in a gas-dynamic CO 2 laser, characterized in that it involves the use of oxidation of carbon monoxide (CO) in the presence of an oxygen-containing oxidizing agent, nitrogen (N 2 ), hydrogen (H 2 ) or water vapor (H 2 O), pre-heating one of the components of the fuel mixed with N 2 , H 2 (H 2 O) or an oxidizing agent mixed with N 2 , H 2 (H 2 O) or obtaining heated components by burning hydrocarbon or solid fuels, followed by mixing all gas components and creating a combustion zone in the critical about the cross section of the supersonic nozzle, while organizing the jet mixing of the components in the subsonic part of the nozzle so that complete mixing of the gases at the monomolecular level occurs in the region of the critical section of the nozzle, and the parameters of the mixing gases are selected and maintained during the course of reactions in a given range, based on conditions so that in the mixing zone of the components at the monomolecular level in the region of the critical section of the nozzle the following conditions are satisfied: the mixing time of the components at the monomolecular level there was no more time for chemical reactions between the molecules of the reacting components; the time of the chemical reactions of the formation of the CO 2 molecule was no more than the relaxation time of the vibrational energy of the CO 2 molecule; the time of transfer of vibrational energy from the lower vibrational level 001 of the CO 2 molecule to the lower vibrational level of the N 2 molecule should be no more than the relaxation time of the vibrational energy of the CO 2 molecule; the relaxation time of the vibrational energy of the molecule N 2 and (or) WITH must be not less than the relaxation time of the vibrational energy of the molecule CO 2 ; the time of transfer of vibrational energy from the lower vibrational level of the molecule and N 2 and (or) from the CO 2 molecule to the lower vibrational level of the CO molecule should be no more than the relaxation time of the vibrational energy of the N 2 and CO molecules; the relaxation time of the vibrational energy of the CO molecule must be at least the time of the entire chain of chemical reactions of the formation of the CO 2 molecule; the relaxation time of the vibrational energy of the molecule N 2 and (or) WITH must be at least the flight time of the gas mixture of the induction zone and the reaction zone. 2. Устройство для осуществления инверсной населенности в газодинамическом СO2-лазере при низкой температуре, включающее в себя емкости для хранения исходных компонент рабочей смеси газов или топлив; компрессоры и насосы подачи компонент; нагревательное устройство или камеры сгорания топлива; ресивер; сопловой блок, набираемый из плоских сопловых лопаток; проточную часть резонатора; оптический резонатор; диффузор; выхлопную систему отработанных газов; компрессор системы охлаждения; емкость хранения хладагента; теплообменник; газодинамическое окно для вывода лазерного излучения из резонатора, отличающееся тем, что отверстия инжекторного узла камеры сгорания, установленного перед сопловым блоком, через которые осуществляется вдув холодного компонента газа, размещены на оптимальном расстоянии (Lopt) от района критического сечения сопел, определяемого из соотношения Lopt = ud2/Dt, где u - скорость смеси газов в дозвуковой части сопла; d - характерный размер инжекторного устройства; Dt - коэффициент турбулентной диффузии; при этом высота и площадка постоянного критического сечения сопел (h) должны удовлетворять соотношению: h < τ 2 xим (u/ν)3D 2 М , где τxим - скорость химической реакции реагирующих газов; u - скорость смеси газов в районе критического сечения сопла; ν - кинематическая вязкость смеси газов; DM - коэффициент молекулярной диффузии смешивающихся газов.2. Apparatus for carrying out the population inversion in the gas-dynamic CO 2 laser at low temperature, comprising a tank for storing raw component working gas mixture or Fuels; compressors and component feed pumps; heating device or fuel combustion chambers; receiver; a nozzle block recruited from flat nozzle vanes; flow part of the resonator; optical resonator; diffuser; exhaust system; cooling system compressor; refrigerant storage capacity; heat exchanger; gasdynamic window for outputting laser radiation from the resonator, characterized in that the holes of the injection unit of the combustion chamber installed in front of the nozzle block through which the cold component of gas is injected are placed at an optimal distance (L opt ) from the critical section of the nozzles, determined from the relation L opt = ud 2 / D t , where u is the velocity of the gas mixture in the subsonic part of the nozzle; d is the characteristic size of the injection device; D t is the coefficient of turbulent diffusion; the height and platform of the constant critical section of the nozzles (h) must satisfy the relation: h <τ 2 xim (u / ν) 3 D 2 M where τ xim is the chemical reaction rate of the reacting gases; u is the velocity of the gas mixture in the region of the critical section of the nozzle; ν is the kinematic viscosity of the gas mixture; D M is the molecular diffusion coefficient of miscible gases. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что ресивер сделан в виде сегмента трубы с двойными стенками, между которыми проходит один из компонентов холодного газа и он пристыкован с помощью фланцев к корпусу соплового блока; газогенераторы горячего компонента размещены в ресивере по боковой либо торцевым поверхностям трубы. 3. The device according to claim 2, characterized in that the receiver is made in the form of a pipe segment with double walls, between which one of the components of the cold gas passes and it is joined by flanges to the nozzle block body; gas generators of the hot component are placed in the receiver along the side or end surfaces of the pipe. 4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что сопловые лопатки имеют центральные каналы для охлаждения водой, которые стыкуются с подающим и сливным трубопроводами, а в дозвуковой части каналы с отверстиями инжектора для подачи холодного газового компонента в основной поток газа. 4. The device according to claim 2 or 3, characterized in that the nozzle vanes have central channels for cooling with water, which are joined to the supply and drain pipelines, and in the subsonic part there are channels with injector holes for supplying a cold gas component to the main gas stream. 5. Устройство по п. 2, или 3, или 4, отличающееся тем, что оптический резонатор выполнен 4-проходным, 6-зеркальным с двумя уголковыми отражателями, обеспечивающим переворот пучка излучения по потоку газа в проточной зоне резонатора при каждом проходе излучения между зеркалами таким образом, что по одну сторону газового потока активной среды находится большой уголковый отражатель, а по другую сторону среды блок зеркал, включающий малый уголковый отражатель, выходное выпуклое и заднее вогнутое зеркала, при этом ребра уголковых отражателей размещены перпендикулярно друг другу. 5. The device according to p. 2, or 3, or 4, characterized in that the optical resonator is made of 4-pass, 6-mirror with two angular reflectors, providing a revolution of the radiation beam through the gas stream in the flow zone of the resonator at each radiation pass between the mirrors so that on one side of the gas flow of the active medium there is a large angular reflector, and on the other side of the medium a block of mirrors, including a small angular reflector, an output convex and rear concave mirrors, while the edges of the corner reflectors are sized scheny perpendicular to each other. 6. Устройство по п. 2, или 3, или 4, или 5, отличающееся тем, что от компрессора воздух высокого и низкого давления соответственно подают в камеры сгорания, инжекторное устройство для вдува перед сопловым блоком, а также в газодинамическое окно и для охлаждения узлов лазера. 6. The device according to p. 2, or 3, or 4, or 5, characterized in that the high and low pressure air, respectively, is supplied to the combustion chambers, an injection device for blowing in front of the nozzle block, as well as in a gas-dynamic window and for cooling laser nodes. 7. Устройство по п.2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающееся тем, что система охлаждения зеркал оптического резонатора снабжена теплообменником, через который прокачивается топливо, поступающее в турбокомпрессор, камеры сгорания лазера и отбирающее тепло, поглощенное в зеркалах. 7. The device according to claim 2, or 3, or 4, or 5, or 6, characterized in that the cooling system of the mirrors of the optical resonator is equipped with a heat exchanger through which fuel is pumped into the turbocharger, the laser combustion chamber and removes heat absorbed in in the mirrors. 8. Устройство по п.2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающееся тем, что выхлопная система устройства снабжена эжектором, в котором выхлопные газы турбокомпрессора используются для эжектирования отработанных газов лазера, а также шумоглушащим узлом, при этом дозвуковая конечная часть диффузора лазера сделана в виде труб постоянного сечения, которые, в свою очередь, являются составной частью эжектора. 8. The device according to claim 2, or 3, or 4, or 5, or 6, or 7, characterized in that the exhaust system of the device is equipped with an ejector, in which the exhaust gases of the turbocompressor are used to eject the laser exhaust gases, as well as a noise suppressing unit, in this case, the subsonic final part of the laser diffuser is made in the form of tubes of constant cross section, which, in turn, are an integral part of the ejector.
RU99122527A 1999-10-26 1999-10-26 Method and device for building up inverse population in carbon dioxide gas-dynamic laser RU2170998C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99122527A RU2170998C1 (en) 1999-10-26 1999-10-26 Method and device for building up inverse population in carbon dioxide gas-dynamic laser

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99122527A RU2170998C1 (en) 1999-10-26 1999-10-26 Method and device for building up inverse population in carbon dioxide gas-dynamic laser

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2170998C1 true RU2170998C1 (en) 2001-07-20

Family

ID=20226242

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU99122527A RU2170998C1 (en) 1999-10-26 1999-10-26 Method and device for building up inverse population in carbon dioxide gas-dynamic laser

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2170998C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2516985C1 (en) * 2013-02-14 2014-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский национальный исследовательский университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Operation of aircraft gas turbine and device to this end

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
АБЛЕКОВ В.К. и др. Справочник по газодинамическим лазерам. - М.: Машиностроение, 1982, с. 12. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2516985C1 (en) * 2013-02-14 2014-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский национальный исследовательский университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Operation of aircraft gas turbine and device to this end

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4206429A (en) Gas dynamic mixing laser
US3899749A (en) Gas dynamic lasers
Endo et al. High-efficiency operation of chemical oxygen-iodine laser using nitrogen as buffer gas
US4100507A (en) Method for exciting a gas dynamic CO2 laser and apparatus for performing the method
Zagidullin et al. Highly efficient supersonic chemical oxygen—iodine laser with a chlorine flow rate of 10 mmol s-1
RU2170998C1 (en) Method and device for building up inverse population in carbon dioxide gas-dynamic laser
US3832650A (en) Supersonic chemical transfer laser
US4097820A (en) Lasers
US4013976A (en) Gas dynamic lasers
US3984784A (en) Expander open cycle gas dynamic laser
JPS637036B2 (en)
US7817699B2 (en) High-power, high-throughput microwave discharge singlet oxygen generator for advanced electrical oxygen-iodine lasers
Nikolaev et al. An efficient supersonic COIL with more than 200 torr of total pressure in the active medium
US4320358A (en) Gasdynamic lasers
US3882416A (en) Thermally pumped gasdynamic lasers
Wilson Deuterium fluoride CW chemical lasers
Zagidullin et al. Efficient chemical oxygen—iodine laser with a high total pressure of the active medium
CN110739602B (en) Pre-mixing type carbon dioxide pneumatic laser driven by pulse detonation rocket combustion
Zagidullin et al. Sub-and supersonic COILs driven by a jet-type singlet oxygen generator
US9862498B2 (en) Laser-charged high-speed propulsion system and method for production of high-powered laser
US3671882A (en) Apparatus for mixing gas in a fluid mixing laser
RU2012114C1 (en) Method of generation of high-power radiation laser in flow co2 laser
US4031485A (en) Method for achieving gas dynamic lasing
US4236123A (en) High-power CO laser
US4042892A (en) Hypersonic gas laser

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20091027