燃燒驅動連續波化學激光器的噴管發展

劉勛++厲寶增

摘 要：噴管是化學激光器的重要部件，它與高溫高壓的燃燒室低溫低壓的光腔相接，對激光器的性能產生非常大的影響。噴管技術的改進提高了激光器的性能，很好的促進了化學激光的發展。所以噴管技術在一定程度上代表著激光器的發展水平，意味著激光器的更新換代。

關鍵詞：噴管；化學激光器；性能；更新

1 概述

早期化學激光器燃料基本使用噴注棒進行噴注，由于不符合高能激光器的應用需要，所以后來將燃料氣體通過拉法爾噴管進行噴射，主要有以下幾種：最初始運用擴散混合技術的2SLOT噴管、HYWN噴管，綜合混合技術的高超聲速低溫HYLTE噴管等，噴管技術的發展便是反應區反應流混合速度溫度流速等參數不斷更新完善改進的過程。

2 噴管技術發展簡介

2SLOT噴管利用相鄰噴管超音速擴散進行混合，如圖a所示，依次交替排列氧化劑噴管與燃料噴管可以提高反應區的流場速度，拉伸增益區流場長度。該噴管主要優點為結構簡單，設計容易。而且相鄰噴管之間有一個被稱為基區卸壓臺的區域可以降低反應區溫度，減小激波造成的影響，在后來設計的超音速噴管中被廣泛采用[1]。缺點就是反應流處于邊界層，反應區內的溫度比較高、氣體流速較低，混合速度慢，需要通過減小噴管尺寸來增大混合速度，加工困難大，整體效率不高。

HYWN噴管的燃料噴管于氧化劑噴管之間不再平行，整體采用一單一一體的大型主噴管，燃料通過楔型葉片上的軸對稱噴管平行噴入主流，如圖b所示，燃料流通過位于葉片上的軸對稱噴管平行噴入主氧化劑流中，噴管氣流整體流速較高，混合速度也較快；而且如果將燃料采取一定角度傾斜注入氧化劑時的混合速度更快。ALPHA[2]激光器早期時曾選用此噴管。但由于硬壁楔結構造成了強激波，且楔型葉片非常細小難以加工，導致加工費用非常高昂。

伊利諾依大學設計了一種HYLTE模擬噴管即HYSIM噴管，該噴管根據平行狹縫噴管（PSN）的基礎改制，在主噴管超音速段擴張壁面上聲速加入的He和H2氣的混合射流，如圖c所示。通過射流來扭曲反應界面，增強混合。在基礎性能上與PSN相比，HYSIM噴管可以提升1.6倍[3]。

通過對上述技術的結合總結，提出設計了高超聲速低溫（HYLTE）噴管（圖d），對于連續波氟化氫（HF）、氟化氘（DF）等化學激光器而言。在其之后便沒有了更新噴管技術的設計報道。HYLTE噴管的副噴管處于主噴管擴張段處，燃料流從周期性交錯排列的副噴管超聲速橫向噴射至主噴管中，扭曲反應界面來增大接觸面積，加快混合速度，而且使得反應控制發生在氧化劑噴管核心的區域。HYLTE噴管增益區域較長、結構易于加工而且堅固可以達到較高的化學效率。

3 結束語

盡管HYLTE噴管是現在比較主流的噴管，但其仍存在一些缺點：壓縮效應使得主流速度在高超聲速之下；副噴管中降低了恢復總體壓力的性能來滿足橫向噴射氣流的混合效果，所以未來噴管的技術還需要繼續創新來滿足化學激光器技術的不斷發展。

參考文獻

[1]Gross R W F， Bott J F. Handbook of chemical lasers[J].1976.

[2]Driscoll R J. Effect of reactant-surface stretching on chemical laser performance[J].AIAA J.（United States），2015，22（1）：65-74.

[3]Horkovich J， Pomphrey P， Horkovich J， et al. Recent advances in Alpha High Power Chemical Laser Program[C]// Plasmadynamics and Lasers Conference，1997.