脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，包括脉冲爆震火箭燃烧装置、过渡段、CO

Premixed carbon dioxide pneumatic laser driven by pulse detonation rocket combustion

【技术实现步骤摘要】
脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器
本专利技术涉及CO2气动激光器领域，特别是一种脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器。
技术介绍
气体激光器是激光器大家族中种类最多、波长分布区域最宽、应用最广的一类激光器。其突出的优点是：它所发射的谱线的波长分布区域宽、光束质量高和输出功率大。与其他激光器相比，气体激光器还具有转换效率高，结构简单，造价低廉等优点，从而得到了广泛的应用。气体激光器的基本工作原理：通过泵浦源释放能量，使气体粒子有选择性的被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数翻转，产生激活介质，然后通过光腔谐振产出激光输出，将泵浦源的能量转化为光能。气动激光器可以将热能直接转化为相干辐射能，而对于采用何种热源形式（如燃烧、化学反应、电弧加热、核反应等）则无限制。其中，自带燃料和氧化剂的火箭式燃烧驱动气动激光器利用燃料燃烧作为泵浦源，不需要外界提供额外的能量，虽然其能量转化率（约1%-2%）在激光器中不占优势，但其具有性能稳定、结构简单、体积小、经济实用并能输出大功率（可达兆瓦）连续激光等优点，尤其是相比较化学激光器来说，不需要体积庞大的用于压力恢复系统（比如引射器）。这些突出优点使火箭式燃烧驱动气动激光器很容易成为实用的强激光光源。火箭式燃烧驱动CO2气动激光器，可以用一般的碳氢燃料通过与氧化剂（如氧气、空气）燃烧的办法来驱动，消耗小，其燃料可以是液态的甲苯、苯、煤油，或者气态的乙炔、甲烷碳氢燃料，燃料选取原则为含碳较多含氢较少且易燃易爆，通过控制燃料配比控制产物中水的含量。由于其不仅可以输出连续波高功率激光，用于激光推进等需要连续高功率激光的用途，而且波长适于对远红外探测器的破坏（用于激光毁伤）。因此火箭式燃烧驱动CO2气动激光器的发展受到人们极大的关注。然而，现有的传统火箭式燃烧驱动的CO2激光器还存在着如下不足，有待改进：1.传统火箭式燃烧驱动的CO2激光器通过等压燃烧（目前几乎所有动力装置中采用的燃烧组织形式）将燃料的化学能转化为热能，热能最终转变为相关辐射能（激光器的光能）。然而，等压燃烧是以爆燃形式组织燃烧，火焰传播速度慢，热力循环效率低，因此热能转换为激光的效率较低，目前通过传统火箭式燃烧产出激光的能量转化效率通常约1%-2%。从燃烧热力循环角度来看，相比较爆燃仅约27%的热力循环效率，相同条件下爆震燃烧则可达到49%，如果用于火箭式燃烧驱动的CO2激光器，则可以大幅提升激光转换效率。2.由于传统火箭式燃烧驱动的CO2激光器产出的激光效率低，故而，在产出一个设定输出量的激光时，所需的燃料量大，能效比低。而且由于出光率低且未经过专门设计，较大的设备体积使其仅用于地面出光实验。3.传统的火箭式燃烧驱动的CO2激光器为连续出光的工作模式，在输出脉冲激光上需要额外增加系统复杂性。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，该脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器采用脉冲爆震火箭燃烧装置作为泵浦源，充分利用了爆震燃烧释热速率快、热力循环效率高的优势，故而高温高压的燃气作为泵浦源产出的激光效率高，节省能源。当脉冲爆震发动机作为动力在火箭或火箭助推的飞行器上使用时，能够经过合理设计实现核心机的一机多用，即采用同一套脉冲爆震火箭燃烧装置，既能产出激光，又能产生推力，这个过程可以同一套排气装置上实现，也可以连接不同的排气装置实现。在地面使用时，能够用于产生大功率脉冲激光。因为脉冲爆震装置爆震频率可调（通常在200Hz内），所以非常适合部分需要脉冲激光的应用。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，包括脉冲爆震火箭燃烧装置、过渡段、CO2气动激光产生装置和排气段。脉冲爆震火箭燃烧装置包括圆筒形壳体、氧化剂喷注面板、燃料喷注面板和扰流螺旋。圆筒形壳体的圆筒形内腔构成脉冲爆震燃烧室。氧化剂喷注面板沿周向设置有若干个氧化剂喷注通道。圆筒形壳体的前端沿周向设置有与氧化剂喷注对应的燃料喷注通道。每个氧化剂喷注通道和每个燃料喷注通道均通过电磁阀实现喷注的通断。扰流螺旋同轴设置在脉冲爆震燃烧室内。CO2气动激光产生装置通过过渡段与脉冲爆震火箭燃烧装置相连接。CO2气动激光产生装置包括矩形壳体、内置在矩形壳体中的阵列喷管和光腔，与光腔对应的矩形壳体上设置激光出口。位于燃料喷注通道下游的圆筒形壳体上还设置有点火装置，该点火装置能实现脉冲点火。当所有电磁阀均打开时，从氧化剂喷注通道喷出的氧化剂与从燃料喷注通道喷出的燃料在脉冲爆震燃烧室内相撞击并混匀。点火装置启动，将混匀的氧化剂和燃料点燃，在扰流螺旋的作用下，脉冲爆震燃烧室内发生脉冲爆震燃烧。燃烧后气体经CO2气动激光产生装置后产生脉冲激光。圆筒形壳体的内径D和圆筒形壳体的长度L需满足L/D≥20。扰流螺旋长度在2D-10D之间，螺距在1/2D-1D之间。扰流螺旋的堵塞比为30%-50%，优选为约38%。圆筒形壳体内设置有壳体冷却通道。氧化剂为氧气或空气。过渡段为圆转矩结构。排气段设置在CO2气动激光产生装置的尾端，其构型依据激光器的工作模式而定，仅用于产出激光用途时，呈减缩构型。当同时用于产出激光和产生推力时，呈缩放构型。点火装置为火花塞和热射流中一种或两种。本专利技术具有如下有益效果：1.采用脉冲爆震火箭燃烧装置作为泵浦源，将燃料的化学能转化为燃气的热能，然后经由阵列喷管使燃气加速，再通过光腔的作用，产出激光，实现燃烧产光的目的，同时剩余燃气从尾部排气段排出。由于采用了脉冲爆震燃烧技术，脉冲爆震是爆震燃烧的一种实现形式，除了具备爆震燃烧的特点外，还具有可调脉冲工作输出频率的特点。在自身携带氧化剂和燃料时其工作模式为脉冲爆震火箭燃烧模式。爆震燃烧以激波与燃烧波耦合的方式消耗未燃混合物，传播速度可以达到几千米每秒，能够产生极高的燃气压力(大于15-55atm)和燃气温度（大于2800K）。由于爆震波传速度极快，其后的脉冲爆震燃烧过程可视为等容燃烧过程，因而其热力循环效率很高，故而产出的激光效率高，能将产出效率几乎翻倍（现有火箭式燃烧驱动CO2气动激光器水平约1%-2%）。2.由于产出的激光效率大幅提高，故而，在产出相同输出量的激光时，所需的燃料量小，能效比高，相比较传统的火箭式燃烧驱动激光器，同样燃料可产出更多激光或工作更长时间。当在地面使用时，是一种优选的在较小空间内（省略压力恢复系统）产生大功率脉冲激光的方案。3.对于以火箭式脉冲爆震发动机为动力的飞行器，因为爆震燃烧产物的热能转换为激光的比例理论上为1.8%-3.6%，仍有大部分热能被转化为燃气动能而排出，故而采用同一套脉冲爆震火箭燃烧装置，既能产出激光，又可产生推力，从而拓展了飞行器的能量利用途径。4.对于以火箭式脉冲爆震发动机为动力的飞行器，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，其特征在于：包括脉冲爆震火箭燃烧装置、过渡段、CO

【技术特征摘要】
1.一种脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，其特征在于：包括脉冲爆震火箭燃烧装置、过渡段、CO2气动激光产生装置和排气段；
脉冲爆震火箭燃烧装置包括圆筒形壳体、氧化剂喷注面板、燃料喷注面板和扰流螺旋；
圆筒形壳体的圆筒形内腔构成脉冲爆震燃烧室；
氧化剂喷注面板沿周向设置有若干个氧化剂喷注通道；
圆筒形壳体的前端沿周向设置有与氧化剂喷注对应的燃料喷注通道；
每个氧化剂喷注通道和每个燃料喷注通道均通过电磁阀实现喷注的通断；
扰流螺旋同轴设置在脉冲爆震燃烧室内；
CO2气动激光产生装置通过过渡段与脉冲爆震火箭燃烧装置相连接；CO2气动激光产生装置包括矩形壳体、内置在矩形壳体中的阵列喷管和光腔，与光腔对应的矩形壳体上设置激光出口；
位于燃料喷注通道下游的圆筒形壳体上还设置有点火装置，该点火装置能实现脉冲点火；
当所有电磁阀均打开时，从氧化剂喷注通道喷出的氧化剂与从燃料喷注通道喷出的燃料在脉冲爆震燃烧室内相撞击并混匀；点火装置启动，将混匀的氧化剂和燃料点燃，在扰流螺旋的作用下，脉冲爆震燃烧室内发生脉冲爆震燃烧；燃烧后气体经CO2气动激光产生装置后产生脉冲激光。


2.根据权利要求1所述的脉冲爆震火箭燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，其特征在于：圆筒形壳体的内径D...

【专利技术属性】
技术研发人员：林伟，仝毅恒，聂万胜，苏凌宇，包恒，钟战，王辉，石天一，庄逢辰，郭康康，陈朋，任永杰，史强，罗修棋，赵家丰，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：北京;11