[发明专利]一种用于HF/DF化学激光的高马赫数低温喷管

说明书

一种用于HF/DF化学激光的高马赫数低温喷管。本发明涉及HF/DF化学激光喷管设计领域，采用了俄罗斯最新HF/DF化学激光喷管的单元化分割方案，同时引入了传统高马赫数低温喷管的超音速‑超音速混合概念和RAMP喷管与DEFLECTOR喷管的流向漩涡技术。本发明的优点是：可以在较大的喷管喉道上实现高马赫数，加工简单，大幅度降低了运行过程中热变形对喷管喉道的影响，延长了喷管的使用寿命；极大地缩短了H2气流向主喷管注入所需的穿透长度，混合效率更高；光腔温度和压力更低，可以大幅度提高光腔的增益和燃烧室的工作压力，从而提高HF/DF化学激光体积效率、能流密度和比功率。

技术领域

本发明属于HF/DF化学激光喷管设计领域，用于HF/DF化学激光的喷管设计。

背景技术

HF/DF化学激光是目前最成功的两大化学激光之一。HF/DF化学激光的受激辐射发生在HF/DF分子的振-转激发态上,主流的燃烧驱动HF/DF化学激光采用燃烧法热解产生F原子，生成的F原子经超音速喷管降温和加速后与H2/D2反应生成振动激发态的HF/DF分子并在转动能级上产生粒子数反转。选择适当的耦合输出腔镜，即可实现多谱线HF/DF激光输出。

HF/DF化学激光器的关键部件是超音速喷管。在四十多年的发展历程中，随着HF/DF化学激光喷管技术的不断发展，HF/DF化学激光的功率得到不断提高。虽然HF/DF化学激光的出光功率已经达到MW级，但其体积效率(喷管单位体积上的出光功率)、能流密度(喷管出口单位面积的出光功率)和比功率(单位物料重量的出光功率)在理论上仍有很大的提升空间，新型喷管的设计是实现效率提升最直接和最有效的途径。HF/DF化学激光喷管经历了亚音速、超音速和高超音速的发展历程，早期采用亚音速喷管，超音速喷管的典型代表是2SLOT、3SLOT、TRIP、RAMP、DEFLECTOR和三维对称喷管，高超音速喷管的典型代表是HYWN和HYLTE喷管，上述喷管中大部分喷管的放大策略如下：主喷管为单狭缝喷管，加H2位置处于单狭缝主喷管出口沿扩张方向(即喇叭口)的两个边缘外侧，整个喷管由一系列的单狭缝主喷管单元平行排列组成。目前使用较多的HYLTE喷管仍然采用这样的放大策略，对于马赫数要求不高的喷管，该放大策略没有问题。但对于高马赫数喷管来讲，这种放大策略出现了一些问题，主要是为了获得高马赫数，必须有大的出口面积/喉道面积比，而HF/DF化学激光器本身的一些固有特征不允许主喷管出口在扩张方向上长度做得太大，所以主喷管的喉道高度非常小，大约在0.2mm左右，造成加工困难、费用高，运行成本高和寿命短等特点。

俄罗斯的最新喷管采用了一种新的单元化分割方案，其基本思想还是基于单狭缝喷管的概念，只是对单狭缝喷管沿喷管的收缩-扩张平面做切片处理，进行单元化分割，在两个切片单元之间加入H2喷注器。

这种单元化分割方案可以实现在高马赫数下仍然有较大的喷管喉道高度，同时获得很小的H2气流向主喷管注入的穿透长度，混合效率更高。但俄罗斯新型喷管的H2注入策略仍然采用的是自由射流斜向加入方式，这种加入方式有极高的混合效率，但会造成主喷管很大的动能损失，导致光腔压力较高，温度较高，不利于出光介质增益和燃烧室工作压力的提升。

本发明采用俄罗斯最新喷管的单元化分割方案，同时采用高马赫数低温喷管的主-副喷管的超音速-超音速混合方案，设计出一种新型喷管。为了获得较低的腔温和较高的燃烧室工作压力，对主喷管和副喷管的马赫数做了要求。同时，为了解决超音速-超音速混合固有的混合效率较低的问题，引入了RAMP喷管和DEFLECTOR喷管的流向漩涡技术。

发明内容

本发明的目的是为了提高HF/DF化学激光体积效率、能流密度和比功率，提出的一种用于HF/DF化学激光的高马赫数低温喷管。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。