[发明专利]吸气式脉冲爆震燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器

说明书

本发明公开了一种吸气式脉冲爆震燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器，包括吸气式脉冲爆震燃烧装置、过渡段、CO₂气动激光产生装置和排气段。吸气式脉冲爆震燃烧装置，用于产生高温高压的燃气热源，作为下游产出激光的总能源，其包括外壳、中心体、旋转阀和扰流螺旋；中心体的进气锥部与锥形壳体间构成进气道；进气道后与旋转阀间形成推进剂混合区，脉冲爆震燃烧室位于旋转阀下游；扰流螺旋同轴设在脉冲爆震燃烧室内。当吸气式飞行器超音速飞行时，通过控制旋转阀，实现推进剂脉冲供应，产生脉冲爆震燃烧，燃烧后气体经CO₂气动激光产生装置后产生脉冲激光。本发明产出的激光效率高，节省能源。能在不增加其负荷的同时，既可产生推力，又能产出激光。

技术领域

本发明涉及CO₂气动激光器领域，特别是一种吸气式脉冲爆震燃烧驱动的预混式二氧化碳气动激光器。

背景技术

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，自带燃料又依赖外部空气的吸气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）。这些突出优点使吸气式燃烧驱动气动激光器很容易成为实用的强激光光源。

吸气式燃烧驱动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）。因此吸气式燃烧驱动CO₂气动激光器的发展受到人们极大的关注。

然而，现有的传统燃烧驱动的CO₂激光器还存在着如下不足，有待改进：

1. 传统吸气式燃烧驱动的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，目前通过吸气式燃烧产出激光的能量转化效率理论上约为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%，如果用于吸气式燃烧驱动的CO₂激光器，则可以大幅提升激光转换效率。

2.由于传统吸气式燃烧驱动的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.传统的吸气式燃烧驱动的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。

发明内容