СОПЛОВОЙ БЛОК ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ЛАЗЕРА Российский патент 2000 года по МПК H01S3/953 H01S3/22 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании сопловых блоков газодинамических лазеров, а также элементов газодинамического тракта этих лазеров.

Известен сопловой блок газодинамического лазера [1], состоящий из набора попарно одинаковых лопаток, образующих сверхзвуковые сопла в блоке, которые помещены в сопловую коробку. Плоские стенки сопловой коробки образуют плоские поверхности каждого сопла либо сам блок, если он выполнен единым, имеет плоские верхние и нижние стенки каждого сопла.

Недостатком такой конструкции является то, что особенности развития пограничного слоя на плоской стенке в районе критики приводят к возникновению ударных волн, идущих из горла сопла, плоскость которых параллельна оптической оси резонатора. Это является причиной ухудшения оптической однородности потока и, следовательно, увеличения расходимости излучения лазера.

Наиболее близким, принятым за прототип, является сопловой блок газового газодинамического лазера [2], состоящий из набора одинаковых лопаток, помещаемых в сопловую коробку. Для того, чтобы снизить интенсивность ударных волн из горла каждого сопла, предлагалось отклонить под небольшим углом от направления потока сверхзвуковую плоскую часть стенки сопла. Это привело к некоторому снижению интенсивности ударных волн, но не устраняло их, так как причины, ведущие к образованию ударных волн в критическом сечении сопла, сохранились.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение расходимости излучения лазера за счет устранения ударных волн, идущих из горла каждого сопла.

Поставленная задача решается в сопловом блоке газодинамического лазера, который представляет собой ряд сопловых лопаток, образующих набор двумерных профилированных сопл, помещенных в сопловую коробку, стенки которой образуют верхнюю и нижнюю плоские поверхности сопл с дозвуковой и сверхзвуковой частями, сечение дозвукового канала каждого сопла уже сверхзвукового на величину 2h_y, а переход от дозвуковой к сверхзвуковой плоской части осуществляется через уступ высотой 0,2 < h_y/h_c < 1, при этом крайняя кромка уступа расположена в критическом сечении сопла и не выходит за его переднюю кромку, а непосредственно за ней, в области сверхзвукового течения, между профилированными стенками сопла выполнена каверна так, что ее передняя кромка совпадает с передней кромкой критического сечения сопла, при этом величина геометрических параметров каверны определяется условиями h_к> Δ_к и Δ_к≅ h_у/tgα,
где h_y - высота уступа;
h_с - критическое сечение сверхзвукового сопла;
h_к - глубина каверны;
Δ_к - длина каверны;
tgα - угол разворота слоя смешения, образованного пограничным слоем, сходящим с уступа.

На фиг. 1 изображен сопловой блок газодинамического лазера, помещенный в сопловую коробку, на фиг. 2 - вид сбоку отдельной лопатки и нижней стенки сопловой коробки в разрезе; на фиг. 3 - сопловая лопатка, вид сверху.

Сопловой блок газодинамического лазера состоит из набора одинаковых сопловых лопаток, имеющих дозвуковую 1, звуковую 2, сверхзвуковую профилированную 3 части. Две соседние лопатки образуют двумерное профилированное сопло - набор сопл и составляет сопловой блок. Сверхзвуковой профиль 3 выбирают из условия выполнения определенных требований газовой динамики по известным закономерностям. Лопатки вставляют в сопловую коробку, верхняя 4 и нижняя 5 стенки которой образуют плоские поверхности каждого сопла. Плоские поверхности перпендикулярны поверхностям лопатки и имеют дозвуковую 6 и сверхзвуковую 7 части. Переход от дозвуковой 6 к сверхзвуковой 7 части плоской поверхности каждого сопла осуществляется через уступ 8, расположенный в критическом сечении сопла, образованного звуковыми 2 частями соседних лопаток. За передней кромкой 9 критического сечения сопла на сверхзвуковой поверхности 7 выполнена каверна 10 поперек потока.

Устройство работает следующим образом.

При работе газодинамического лазера активная среда поступает в дозвуковую 1 сужающуюся часть сопл, ускоряется в области критического сечения, где скорость течения становится звуковой, а в расширяющейся части - сверхзуковой. При течении газа на всех стенках блока нарастает пограничный слой. Наличие уступа 8 в критическом сечении сопла и каверны 10 на сверхзвуковой поверхности 7 приводит к следующему. Пограничный слой, сорвавшись с уступа 8, образует слой смешения, который распространяется в сверхзвуковую область. Возмущения потока, формирующиеся при одновременном обтекании каверны 10, - определенного размера и места расположения - подпирают слой смешения, искривляя его так, что он встречает сверхзвуковую поверхность 7 под нулевым углом атаки. Ударная волна при этом не образуется, т.е. возникает жидкий безударный контур. Воздействие волн разрежения от передней кромки 9 критического сечения в данном случае приводит лишь к утолщению слоя смешения, но общей картины течения не нарушает. Отсутствие ударных волн в плоскости оси резонатора улучшает оптическую однородность потока.

Высоту уступа h_y выбирают из условия h_y > 5 - 7δ, где δ - толщина пограничного слоя, образующегося в горле сопла и рассчитываемая в соответствии с параметрами газа. Длина каверны Δ_к= h_у/tgα, где α - угол, на который отклоняется слой смешения от направления течения газа, также может быть определена из соответствующих газодинамических расчетов по известным методикам [3].

Применение предлагаемого соплового блока газодинамического лазера позволяет улучшить оптическую однородность сверхзвукового потока активной среды и тем самым уменьшить расходимость излучения лазера.

Источники информации
1. Лосев С.А. Газодинамические лазеры. - М.: Наука, 1977.

2. Director M.N. Aerodynamic parameters affecting practical gas dynamic laser design. AIAA Paper, N 73 - 626, 1973 - прототип.

3. Чжен П. Отрывные течения. - М.: Мир, 1973.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании сопловых блоков газодинамических лазеров. Сопловой блок газодинамического лазера представляет собой ряд сопловых лопаток, образующих набор двумерных профилированных сопл, помещенных в сопловую коробку. Стенки коробки образуют верхнюю и нижнюю плоские поверхности сопл с дозвуковой и сверхзвуковой частями, сечение дозвукового канала каждого сопла уже сверхзвукового. Переход от дозвуковой к сверхзвуковой плоской части осуществляется через уступ. Крайняя кромка уступа расположена в критическом сечении сопла и не выходит за его переднюю кромку. В области сверхзвукового течения между профилированными стенками сопла выполнена каверна. Ее передняя кромка совпадает с передней кромкой критического сечения сопла. Технический результат изобретения - уменьшение расходимости излучения лазера. 3 ил.

Сопловой блок газодинамического лазера, состоящий из ряда сопловых лопаток, образующих набор двумерных профилированных сопл, помещенных в сопловую коробку, стенки которой образуют верхнюю и нижнюю поверхности сопл с дозвуковой и сверхзвуковой частями, отличающийся тем, что сечение дозвукового канала каждого сопла уже сверхзвукового на величину 2h_y, а переход от дозвуковой к сверхзвуковой плоской части осуществляется через уступ высотой 0,2<h_y/h_c<1, при этом крайняя кромка уступа расположена в критическом сечении сопла и не выходит за его переднюю кромку, непосредственно за ней в области сверхзвукового течения между профилированными стенками сопла выполнена каверна так, что ее передняя кромка совпадает с передней кромкой критического сечения сопла, при этом величины геометрических параметров каверны определяются условиями
h_k > Δ_k и Δ_k ≅ h_у/tgα,
где h_y - высота уступа;
h_c - критическое сечение сверхзвукового сопла;
h_k - глубина каверны;
Δ_k - длина каверны;
tgα - угол разворота слоя смешения, образованного пограничным слоем, сходящим с уступа.