Численное моделирование одно- и двухдиапазонных непрерывных химических лазеров на молекулах HF, DF и HBr тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

СЮ346256Б

На правах рукописи

Александров Борис Петрович

Численное моделирование одно- и двухдиапазонных непрерывных химических лазеров на молекулах ОТ, ББ и НВг

Специальность 01.04.21. - "Лазерная физика"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

003462566

Работа выполнена в ОАО

"НПО Энергомаш имени академика В.П.Глушко"

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, академик РАН Каторгин Борис Иванович

Научный консультант:

кандидат физико-математических наук, доцент Степанов Александр Александрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИОФАН Бирюков Александр Сергеевич;

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Физического института им. П.Н.Лебедева РАН Юрышев Николай Николаевич

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие "Российский научный ценгр "Прикладная химия"

Защита состоится 30 марта 2009 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д002.023.03 ФИАН им. П.Н.Лебедева по адресу: 117924, г. Москва, Ленинский пр-т, д. 53, главный корпус, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН им. П.Н.Лебедева по адресу: г. Москва, Ленинский пр-т, д.53, главный корпус.

Автореферат разослан "ЛН'^О.^'Х

2009 года/

Учёный секретарь

диссертационного совета Д002.023.03 / / ШикановА.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

В настоящее время в мире продолжаются активные работы по непрерывным химическим лазерам (НХЛ) на галогеноводородах по нескольким программам. В последние годы помимо работ, связанных с традиционными РП-ЩР)-НХЛ, проводятся интенсивные исследования и разработки по созданию лазеров, излучающих инфракрасное излучение в более широком спектральном диапазоне, в частности, многодиапазонных НХЛ, работающих одновременно на нескольких излучающих молекулах. К этому классу НХЛ относятся рассматриваемые в настоящей работе лазеры с одновременной генерацией излучения на молекулах Ш7 и ББ, Ш и НВг.

Поскольку многочастотный спектр излучения ОТ-ИХЛ 2.6...3.1 мкм), БР-НХЛ (7-ог- 3.7...4.05 мкм) и НВг-НХЛ (ЯНВг~ 4.0...4.75мкм) совпадает со спектром поглощения большинства атмосферных газов (С02, ЫгО, N0, 802, НС1, СзН8, РШО, Н20 и других), в том числе продуктов сгорания вредных и отравляющих веществ, то такие лазеры применимы для исследования газового состава атмосферы, а также для дистанционного мониторинга потенциальных очагов загрязнения. Понятно, что использование двухдиапазонных ИР-ЭР и НР-НВг-НХЛ, а также лазеров на обертонных переходах, расширяет возможности таких диагностических исследований. Кроме этого, с их помощью могут быть получены экспериментальные данные по сравнению прохождения в атмосфере излучений с разной длиной волны в различных регионах на разных высотах, они могут найти широкое применение в научных исследованиях, связанных с воздействием на различные материалы и устройства, в промышленном производстве с применением лазерных технологий.

Одним из вариантов решения задачи создания лазеров с коротковолновым спектром ИК излучения, соответствующего одному из "окон прозрачности" атмосферы, является НХЛ на обертонных переходах молекулы ОТ с длиной волны излучения 1.25...1.45 мкм. Двукратное уменьшение длины волны излучения позволяет улучшить прохождение излучения через атмосферу вследствие меньшего поглощения парами воды, снизщъ вдвое дифракционный предел расходимости излучения (~Х) и увеличить вчетверо яркость в дальней зоне (~Х~2, при одинаковой выходной мощности и апертуре).

Важным этапом решения отмеченных задач является расчётно-теоретическое исследование работы НХЛ. С учётом высокой стоимости стендо-

вых экспериментов огромную роль играет численное моделирование процессов в сверхзвуковых НХЛ, оно является источником детальной информации о протекающих физических процессах, о локальных параметрах в газодинамическом тракте НХЛ, а также средством параметрической оптимизации рабочих параметров для последующей их реализации в эксперименте.

Целью работы является теоретическое исследование усилительных свойств и энергетических параметров

- ОТ- и DF-HX.II, а также двухдиапазонного ОТ-ОР-НХЛ с одновременной генерацией на молекулах Ш-1 и БЕ, при использовании сероуглерода в качестве первичного горючего;

- НЕ-НВг-НХЛ с одновременной генерацией на молекулах ОТ и НВг;

- ОТ-НХЛ при генерации на обертонных переходах.

Объектом исследования являются автономные сверхзвуковые непрерывные химические БЕ- и НВг-лазеры с различными вариантами конструкции щелевого соплового блока, работающие на различных топливных композициях.

Предметом исследования являются физико-химические процессы, происходящие в газодинамическом тракте, начиная от камеры сгорания до конца лазерной зоны, а также усилительные свойства активной среды и энергетические параметры одно- и двухдиапазонных ОТ-, ОЕ- и НВг-НХЛ.

Методом исследования является численный эксперимент посредством разработанных соискателем пакетов программ на основе моделей, описывающих процессы в мелкомасштабных соплах и в активной среде НЕ-, БЕ- и НВг-НХЛ.

Научная новизна работы

1. В рамках полной системы уравнений Навье-Стокса выполнено теоретическое исследование усилительных свойств и энергетических параметров однодиа-пазонных ОТ-, ОЕ-НХЛ и двухдиапазонного ОТ-ВЕ-НХЛ при использовании топливной композиции СЗгОТз-Не в камере сгорания, показавшее, что при использовании сероуглерода вместо традиционного первичного горючего Бг, (Нг, С2Н4)

- коэффициенты усиления слабого сигнала (КУСС) в активной среде НЕ- и ОЕ-НХЛ в 2-3 раза превышают значения КУСС для соответствующих НХЛ с традиционным горючим; '

- максимальные значения мощности достигаются при повышенных давлениях в начале лазерной зоныр„~ 6...10Торр как для ОТ-, так и для БР-НХЛ (для тра-

диционного горючего оптимальные давления рп~ 3...5Topp), что существенно облегчает решение задачи выхлопа отработанных газов в окружающую атмосферу.

2. Создана кинетическая модель активной среды HF-HBr-HXJI, генерирующего излучение одновременно в двух спектральных диапазонах на колебательно-вращательных переходах молекул HF и НВг.

3. В рамках полной системы уравнений Навье-Стокса выполнено теоретическое исследование усилительных и энергетических характеристик двухдиапазон-ного HF-HBr-HXJI с топливной композицией (D2, F2, Не) / (Н2, Вг2), показавшее что максимальная приведённая мощность генерации на молекулах НВг достигается при оптимальном содержании брома во вторичном горючем (водороде) -2.5%.

4. Показано, что в обертонном HF-HXJI с топливной композицией (D2> F2, Не) в камере сгорания

- максимальные значения коэффициентов усиления слабого сигнала, мощности и удельного энергосъёма при генерации на первом обертоне молекулы HF достигаются на тех же составах топлива в камере сгорания, что и при генерации на основном тоне в диапазоне давлений на срезе соплового блока от 2 до 9 Topp; для исследуемых сопловых блоков оптимальные составы топлива соответствуют коэффициенту избытка фтора а~ 1.8, коэффициентам разбавления гелием А~ 8... 14.

- максимальные значения энергосъёма и эффективности преобразования в обертонную генерацию получены при давлении на срезе соплового блока рп,~ 2 Topp для всех составов топлива в камере сгорания.

Практическая значимость работы

Результаты исследований автора использованы в ряде технических предложений ОАО "НПО Энергомаш им. акад. В.П. Глушко" по тематике НХЛ.

Работы по одно- и двухдиапазонным HF-DF-HXJI при использовании сероуглерода в качестве первичного горючего, по двухдиапазонному HF-HBr-HXJI, по обертонному HF-HXJI существенно расширяют практические области применения разработанных и проектируемых непрерывных химических лазеров, в частности, для научных исследований, связанных с прохождением многочастотного ИК излучения в атмосфере в различных регионах на разных высотах; дистанционным мониторингом состава атмосферы; воздействием многочастотного излучения на различные материалы и устройства.

Личный вклад соискателя

1. Созданы численные алгоритмы и расчётные программы на основе двумерных численных моделей расчёта параметров HF-, DF- и HBr-HXJI при работе на

основном тоне и на обертонных колебаниях, в одно- и двухдиапазонном режимах (в том числе в импульсно-периодическом режиме с модуляцией добротности резонатора), включающие в себя модель расчёта газодинамических параметров потоков в соплах, а также две модели активной среды и энергетических параметров НХЛ - модель, основанная на полной системе уравнений Навье-Стокса и модель, основанная на уравнениях Навье-Стокса в приближении "узкого канала".

2. Проведено теоретическое исследование усилительных свойств активной среды, энергетических и спектральных характеристик № и ОР-НХЛ и двухдиа-пазонного ШЧЗР-НХЛ при использовании сероуглерода в качестве первичного горючего; двухдиапазонного НР-НВг-НХЛ; ГО-ИХЛ при генерации на обертонных переходах.

Основные положения, выносимые на защиту

1. В Ш7- и БР-НХЛ с топливной композиции СЯг-ОТз-Не в камере сгорания использование сероуглерода вместо традиционного первичного горючего (ТЬ, Н2, С2Н4) позволяет получать

- активную среду И7- и ВР-НХЛ с коэффициентом усиления слабого сигнала (КУСС), в 2-3 раза превышающем значения КУСС в активной среде соответствующих НХЛ с традиционным горючим;

- максимальные энергетические параметры Ш7- и БР-НХЛ при повышенных давлениях в начале лазерной зоны —6. ..10 Торр;

- эффективную одновременную генерацию на молекулах И7 и ВР; необходимое соотношение мощностей излучения на частотах Ш7 и ЭР регулируется соотношением количества водорода и дейтерия в потоке вторичного горючего.

2. В двухдиапазонном НР-НВг-НХЛ при использовании топливной композиции р2, Ъ, Не) / (Н2, Вг2)

- максимальная приведённая мощность генерации на молекулах НВг ~ 20 Вт/см2 достигается при оптимальном содержании брома во вторичном горючем (водороде) ~2.5%;

- использование цилиндрической (секторной) конструкции соплового блока вместо плоской позволяет значительно повысить энергетические характеристики генерации в полосе НВг - при радиусе соплового блока 10 см мощность излучения на молекулах НВг увеличивается в 1.5 раза ~ 30 Вт/см2.

3. Для НР-НХЛ на обертонных переходах с топливной композицией (В2, Р2, Не) в камере сгорания

- максимальные значения коэффициентов усиления слабого сигнала, мощности и удельного энергосъёма при генерации на первом обертоне молекулы Ш 6

достигаются на тех же составах топлива в камере сгорания, что и при генерации на основном тоне в диапазоне давлений на срезе соплового блока от 2 до 9 Topp; для исследуемых сопловых блоков оптимальные составы соответствуют коэффициенту избытка фтора а~ 1.8, коэффициентам разбавления гелием А~ 8... 14;

- максимальные значения энергосъёма и эффективности преобразования в обертонпую генерацию достигаются при низком давлении в активной среде р„~ 2 Topp для всех составов топлива в камере сгорания.

Апробация результатов исследования

Результаты исследований, отражённые в диссертации докладывались на отраслевой научно-технической конференции, п. Смолячково Ленинградской обл., апрель, 1995 г.; на 1-ой отраслевой научно-технической конференции "Проблемы создания лазерных систем", г. Радужный, сентябрь, 1996 г.; на IV Харито-новских научных тематических чтениях "Физика лазеров. Взаимодействие лазерного излучения с веществом", г. Саров, 18-21 февраля 2002 г; на международной конференции "International Conference on Lasers, Applications, and Technologies" (LAT-2007), г. Минск, май-июнь, 2007 г.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 4 глав, заключения и приложения. Общий объём диссертации 139 страниц, работа содержит 3 таблицы, 42 рисунка и список литературы из 214 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цели диссертации, приведено краткое содержание глав диссертации. Дан краткий обзор литературы по методам расчёта параметров течения в соплах и в зоне смешения струй НХЛ, а также обзор литературы по НХЛ на обертонных переходах.

В главе 1 описывается методика численного моделирования параметров течения, усилительных и энергетических свойств НХЛ, которое включает в себя три последовательных этапа - расчёт термодинамически равновесной газовой смеси в камере сгорания, расчёт течения газа в соплах и расчёт параметров НХЛ в области смешения струй в лазерной зоне.

Для расчёта течения в сверхзвуковых соплах НХЛ создана эффективная двумерная модель, основанная на уравнениях Навье-Стокса в приближении "узкого канала". Выполнено тестовое сравнение с результатами расчета течения в

плоских соплах НХЛ, полученного при решении двумерных уравнений Навье-Стокса. Расхождение локальных параметров составило не более 15%.

Созданы также две модели расчёта параметров активной среды НХЛ для течения многокомпонентной химически реагирующей колебательно неравновесной газовой смеси при наличии резонансного излучения - модель, основанная на полной системе уравнений Навье-Стокса и модель, основанная на уравнениях Навье-Стокса в приближении "узкого канала".

В обеих моделях для общности рассматривается цилиндрическая конструкция соплового блока. Предполагается ламинарный характер течения, равновесное распределение по вращательным состояниям излучающих молекул. При расчёте лазерной генерации рассматривался плоско-параллельный резонатор Фабри-Перо.

В модели, основанной на полной системе уравнений Навье-Стокса, стационарное течение находится из решения нестационарной системы уравнений методом установления. Газовая смесь состоит из Ыс компонентов, включая молекулы в различных колебательных состояниях. Система уравнений Навье-Стокса имеет вид:

При расчёте генерации излучения используется условие квазистационарной генерации

дрУ"

N О

+ \'сЛТ + е?: а=-Ю Т+УКк\ к

} = -0- 51п (г/г).

о

Задача решалась в области 0<z<h", rQ<r<r. На плоскостях симметрии г=О,

т, а 5р дБ дск

z=h граничные условия имеют вид Кг=0; — = —L=—= —^- = 0. На границе

8z OZ 02 02

r=r0 задавались профили переменных в выходных сечениях сопел J[r0, z, t)=fzdz) для всех переменных задачи / На границе г=г использованы "мягкие" граничные условия -^-=0 для сверхзвукового течения.

Стационарное решение системы уравнений найдено разностным методом с использованием метода расщепления по физическим процессам и пространственным направлениям. Использована разностная схема с неявной аппроксимацией пространственных дифференциальных операторов со вторым порядком точности.

Ранее была, также, создана модель, основанная на параболизованных уравнениях Навье-Стокса в приближении "узкого канала". Ограничением этой модели является пренебрежение поперечным градиентом давления. Для определения диффузионных потоков в многокомпонентной смеси также использованы соотношения Стефана-Максвелла.

Все модели прошли необходимые тесты, выполнены сравнения с результатами расчётов по другим моделям, в том числе созданными в РНЦ "Прикладная химия" (Ротинян М.А., Стрелец М.Х., Шур М.Л и др.). Получено хорошее согласие результатов.

Выполнено сравнение результатов моделирования усилительных свойств активной среды и энергетических характеристик HF- и DF-НХЛ при использовании трёх наиболее известных кинетических моделей: Коэна и Ботта 1977 г. и 1982 г., Манке и Хагера 2001 г. Исследование показало, что:

- рекомендации по кинетике HF-HXJI из обзора 2001 г. не вносят существенных изменений в результаты расчёта КУСС и энергетики по сравнению с кинетикой 1982 г.;

- наблюдается сильное отличие по результатам моделирования усилительных свойств среды и энергетических параметров HF- и DF-НХЛ кинетического пакета Коэна и Ботта 1976-77 года от пакета 1982 г. Для HF-НХЛ снижение максимального КУСС при замене полного набора констант 1982 г. набором 1977 г. на переходе 1-0 составляет в зависимости от режима и параметров сопловой решётки -35...60%, на переходе 2-1 от -30 до -40%. Для DF-НХЛ снижение максимального КУСС при замене полного набора констант 1982 г. набо-

ром 1977 г. на переходе 2-1 в зависимости от режима и параметров сопловой решётки составляет от ~15 до ~70%, на переходе 3-2 -55... 80%;

- снижение мощности излучения при замене кинетической модели 1982 г. на модель 1977 г. выражается десятками процентов, достигая для НР-НХЛ с некоторыми топливными композициями -60%, для ОР'-НХЛ -75%.

Глава 2 посвящена исследованию энергетических характеристик сверхзвуковых непрерывных ОТ и БР-НХЛ, использующих горючее С83 и окислитель ЫРз в камере сгорания, в том числе двухдиапазонного НР-БР-НХЛ с одновременной генерацией излучения на молекулах Ш7 (Х~ 2.64...3.0мкм) и БР (Х~ 3.7...4.05 мкм). Формально состав реагентов в камере сгорания записывается в виде [СБг] + 16а/3 [№3] + &4(а-1)[Не], где а - степень избытка окислителя относительно стехиометрического значения, А - степень избытка гелия. Применение в качестве первичного горючего в камере сгорания сероуглерода для реализации двухдиапазонного НР-БР-НХЛ обусловлено тем, что в продуктах сгора-1шя отсутствуют молекулы НР и БР, поглощающие излучение в нижней колебательной полосе и являющиеся сильными релаксантами колебательно-возбуждённых молекул К7* и БР*.

В отличие от топливных композиций с традиционно используемым в НХЛ первичным горючим (Е>2, Н2, С2Н4), при сгорании топливной композиции с горючим С82 атомарный фтор помимо диссоциации избыточного трифторида азота образуется также в результате того, что при высокой температуре помимо 8Р6 в продуктах сгорания присутствуют молекулы 8р5, 8Р4, БРз и ЗР2 с высвобожде-нисм дополнительного атомарного фтора. Наличие дополнительного атомарного фтора существенно изменяет привычную для традиционных топливных композиций картину распределения мольной доли атомарного фтора *Р от а с максимумом при некотором а^. Для горючего СБг оптимум отсутствует, количество Р монотонно падает с увеличением а. Таким образом, в отличие от НХЛ с традиционными топливными композициями в НХЛ с первичным горючим С82 можно использовать смесь с малыми коэффициентами избытка окислителя а.

Расчёты в области смешения струй выполнены по модели Навье-Стокса с использованием кинетики 1982-2001 г.

Однодиапазонные НР- и РР-НХЛ

Исследование усилительных свойств активной среды и однодиапазонной генерации Ш7- и ОР-НХЛ проведено для шага решётки соплового блока 6 мм. Показано, что значения КУСС достигают больших величин как в случае активной сре-

ды HF-HXJI -0.4 см"1, так и DF-HXJI -0.07 см"1. Это в 2-3 раза выше значений КУСС для HF- и DF-HXJI с традиционным первичным горючим (D2, Н2, С2Н4).

Выполнено исследование однодиапазонного режима генерации излучения при варьировании параметров топливной композиции в диапазоне а= 1.1...2.0, А= 4... 18, Rl=24... 68 при изменении давления на срезе соплового блока от 3.5 до 15 Topp. Расчёты проведены для трёхпроходного резонатора Фабри-Перо (суммарная длина активной среды вдоль оптической оси 405 см) с оптимальным значением коэффициента пропускания выходного зеркала /kf= /df= 0.4.

Максимальные значения мощности достигаются для обоих генераторов при повышенных по сравнению с лазерами на традиционных топливных композициях давлениях в зоне генерациирт~ 6... 10 Topp как при генерации на молекулах HF, так и на молекулах DF (на традиционных топливных композициях оптимальные давления лежат в диапазоне ~2...5 Topp). Это существенно облегчает решение задачи выхлопа отработанных газов в окружающую атмосферу.

На рис. 1 показаны зависимости приведённой мощности, удельного энергосъёма, длины лазерной зоны и максимальной локальной интенсивности излучения на выходном зеркале резонатора HF-HXJI от коэффициента избытка окислителя а для давлений на срезе соплового блока р=1 Topp и 9 Topp. В широкой области изменения коэффициента избытка окислителя а=1.2...1.7 достижимы высокие значения мощности и энергосъёма несмотря на существенную разницу в температуре, молекулярной массе и количестве атомарного фтора в камере сгорания. Это, в отличие от лазеров на традиционных топливных композициях, даёт возможность работать на пониженных расходах окислителя в камере сгорания. Оптимальным по мощности и энергосъёму в HF-HXJI оказывается диапазон а=1.5...1.7 с температурой смеси в камере сгорания 7*= 1250... 1500 К и молекулярной массой Wk= 13... 15 г/моль.

В работе показано, что при использовании топливной композиции в камере сгорания CS2-NF3-He достижимы высокие значения приведённой мощности излучения. При использовании кинетической модели 1982 г. для сопловой решётки с шагом 6 мм в HF-HXJI максимальная приведённая мощность 220 Вт/см2 при Еуд~ 170 Дж/г для режима а= 1.75, А=10, pn¿= 9 Topp (в DF-HXJI - Р/а,- 150 Вт/см2 при Eyà~ 110 Дж/г); максимальный удельный энергосьём получен при низком давлении р„,= 3.2 Topp: для HF-HXJI Етах~ 350 Дж/г при Piш~ 120 Вт/см2 для режима а=1.5, .4=10, (в DF-HXJI - Етах~ 285 Дж/г при Р,а~ 105 Вт/см2 для топлива а=1.5, А= 12).

При переходе с первичного горючего Оа на сероуглерод ожидается увеличение расчётной приведённой мощности Ш-НХЛ на -60% при использовании кинетики 1982 г. и на -20% при использовании кинетики 1977 г.

а

Рис. 1. Зависимости приведённой МОЩНОСТИ Pias, удельного энергосъёма Еуц, длины лазерной зоны АХдцз и максимальной локальной интенсивности излучения на зеркале резонатора 1згрк от а для HF-ИХЛ. А=10; рк=7 и 9 Topp

Пвухдиапазонный HF-DF-HXJI

Исследовалась возможность получения одновременной генерации излучения в двух спектральных диапазонах на молекулах HF и DF в HXJI, использующем смесь H2+D2 в качестве вторичного горючего. Расчёт генерации излучения HF-DF-HXJI проводился для шага решетки соплового блока 7.5 мм. Расчёты проведены для активной среды длиной 80 см. Коэффициент пропускания выходного зеркала резонатора выбран средним 1=20% между оптимальными расчётными значениями для генерации на молекулах HF и DF (предполагалось, что параметры зеркал одинаковы для диапазонов частот излучения молекул HF и DF)..' .

Состав топлива можно представить условной формулой: {[CS2] + 16a/3[NF3j + &4(ö-l)[He]}/8ÄL(a-l)-{(l-4/H2)[D2]+4/H2 [Н2]}, где V(/H2 - относительное содержание молекул Нг в смеси с D2 (0<\j/H <1). Для изучения влияния соотношения

H2: 02 во вторичном горючем на параметры двухдиапазонной генерации выбран состав в камере сгорания, близкий к оптимальному по мощности однодиапазон-ной генерации а= 1.5, А = 12, рга = 7 Topp.

Ha рис. 2 показаны зависимости от мольного содержания дейтерия во вторичном потоке приведённой мощности излучения на молекулах HF и на DF, а также удельного энергосъёма с грамма топлива и с грамма фтора для газодинамического режима а=1.5, Л =12, />,„= 7 Topp. Суммарные мощность и энергосъём убывают от величины мощности излучения на молекулах HF Ры~ 130 Вт/см2, полученной при использовании в качестве вторичного горючего Н2, до мощности DF излучения Р^- 80 Вт/см2 при использовании только горючего Е^.

flonnDj.'ftBCMeoiHj'Dj Даш^.Чьвсмким,^)

Рис. 2. Зависимость приведённой мощности Р;ап удельного энергосъёма с грамма топливной смеси Еуд и с грамма фтора Еруд от соотношения Н2 и D2 во вторичном горючем. а=1.5, у=12; р=7 Topp.

Таким образом, использование в НХЛ сероуглерода в качестве первичного горючего позволяет получать эффективную одновременную генерацию излучения на молекулах ИР иБР.

В главе 3 выполнено теоретическое исследование двухдиапазонного сверхзвукового НР-НВг-НХЛ с одновременной генерацией на молекулах Ш и НВг. Интерес к химическому НВг-лазеру обусловлен тем, что его излучение попадает в "окно прозрачности" атмосферы Х~ 4.2 мкм. Для получения одновременной генерации излучения на молекулах НБ и НВг выбрана схема с использованием традиционного НР-НХЛ, в котором во вторичное горючее к молекулярному водороду добавлялись молекулы Вг2.

Создана кинетическая модель активной среды НР-НВг-НХЛ. Выполнено тестирование модели лазера путём сравнения с экспериментом Миллера и др., где исследовался малоразмерный лабораторный сверхзвуковой НР-НВг-лазер.

Получено хорошее согласие результатов по мощности излучения и по оптимальному разбавлению вторичного горючего бромом.

На основе полной системы уравнений Навье-Стокса выполнено моделирование HF-HBr-HXJI с шагом щелевой сопловой решётки 7 мм. Использовалась топливная композиция [D2]+a[F2]+^(a-l)[IIe]//?i(a-l){(l-^Br!)[H2]+YBr; [Вг2]}

при а=1.4, Л=10, Rl=35, приведённого расхода окислительного потока 0.36 г/см2/с, статического давления у среза соплового блока р~ 5 Topp.

Добавление брома во вторичное горючее приводит к сильному повышению температуры в силу цепного характера протекающих экзотермических реакций. Это приводит для режимов с разбавлением yBrj> 0.03 к образованию прямого скачка уплотнения, в котором достигается максимальная температура -2000 К (без брома температура в потоке не превышает 900К).

Усилительные свойства среды на частотах НВг существенно слабее, чем на частотах HF вследствие малости коэффициентов Эйнштейна и в силу малой концентрации колебательно возбуждённых молекул НВг . Для состава газа в камере сгорания а=1.4, Л=10 при рг„= 5 Topp максимальные значения КУСС на НВг достигаются при разбавлениях вторичного горючего бромом ^^-0.02...0.04. При увеличении разбавления выше 4% усилительные свойства

НВг-лазера заметно ухудшаются вследствие сильного тепловыделения и утяжеления потока. При оптимальном мольном содержании брома во вторичном горючем -2.5% максимальный по среде усреднённый поперёк потока коэффициент усиления слабого сигнала (КУСС) на НВг составляет -0.015 см4 в полосе Р3 при длине зоны усиления -10 см (максимальный КУСС на частотах HF -0.11 см"1).

Повышение температуры в лазерной зоне при добавлении брома во вторичное горючее снижает КУСС и укорачивает зону усиления на частотах HF. Так, при 4%-ном разбавлении вторичного потока бромом максимальный усреднённый КУСС снижается с (g^)-O.ll см"1 (безразбавления) до (g^)~0.09см4.

Исследовался режим генерации для плоского соплового блока с длиной активной среды La~ 50 см. Параметры зеркал резонатора выбраны близкими к оптимальным для достижения максимальной мощности генерации на НВг: коэффициент отражения глухого зеркала Г\= 0.99, коэффициент пропускания выходного зеркала г2= 0.07, коэффициент потерь на выходном зеркале 0.5%. Предполагалось, что такие зеркала для одновременной генерации могут быть изготовлены с использованием технологии нанесения многослойных диэлектрических покрытий. 14

На рис. 3 в качестве примера показано спектральное распределите мощности выходного излучения для Ч'пг, =0.04. Спектр излучения на частотах молекулы НВг гораздо богаче, чем на частотах НР, генерация наблюдается в линиях Р,(3... 8), Р2(4... 11), Р3(4... 12) и Р4(5... 10) (генерация на НР - в линиях Р,(7... 12), Р2(7...11),Рз(7...8).

0,20'

0Д8-

0Д6-

ОД4.

0Д2 •

|040-а.

0,08 0,060,04. 0,02 • ОД)

HF

ЩН-2-1

НВг

(=1 14

Г/7Л 2-1

■Я 34

44

ü

3 4 5 4 7

9 10 11 12 13 14 15 14

Рис. 3. Спектральное распределение излучения в колебательных полосах молекул HF и НВг для 4%-ного разбавления бромом

На рис. 4 показаны зависимости суммарной приведённой мощности и длины лазерной зоны Лх^ на частотах HF и НВг от коэффициента разбавления вторичного горючего бромом. Приведенная мощность излучения на НВг достаточно слабо зависит от iyBr¡ в диапазоне 0.01 ...0.04, максимальное значение -20 Вт/см2

достигается при vj/Bli» 0.025, при этом длина зоны генерации -15 см (мощность в полосе HF для режима без разбавления бромом P¿f — 105 Вт/см2). Зона генерации в полосах НВг существенно протяжённее, чем у HF-лазера, вследствие более слабой релаксации колебательно возбуждённых молекул HBr(v).

Переход от плоской конструкции соплового блока к цилиндрической (секторной) позволяет снизить давление и температуру в активной среде, что благоприятно сказывается на энергетических свойствах лазера.

На рис. 5 для 2%-ного и 5%-ного разбавления приведены суммарная приведённая мощность и длина лазерной зоны Ax¡as на частотах HF и НВг в зависимости от кривизны соплового блока 1/г0. Мощность излучения на частотах HF растёт почти пропорционально кривизне соплового блока независимо от коэффициента разбавления уВГ2. Мощность же на НВг имеет максимум при некоторой

кривизне блока, который смещается в сторону меньших г0 при увеличении разбавления vyBrj. При радиусе соплового блока г0= 10 см для количества брома

= 5% мощность излучения увеличивается приблизительно в 1.5 раза в обоих

спектральных диапазонах по сравнению с плоским сопловым блоком, на НВг приведённая мощность достигает ~30 Вт/ем2.

13

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

Рис. 4. Зависимость от степени разбавления Ч*^ приведённой мощности излучения Р/я, (а) и длины лазерной зоны Дхы (б) на частотах НР и НВг

140

120

"д 100

о 80

1 60

а," 40 ; ^=о.о2

• / „НВг

20

п

0,00 0,05

201—,—,—,—г-

з"10

НВг ■у'= 0.02 1

¿>-1-+*.....

4-».=0.05

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 1/г, СМ~

Рис. 5. Зависимость приведённой мощности (а) и длины лазерной зоны (б) от кривизны соплового блока для 4^=2% и =5%

Длина зоны генерации на НВг имеет максимум при некотором радиусе соплового блока. При больших радиусах соплового блока зона генерации и мощность падают вследствие сильного разряжения потока и, соответственно, малости КУСС в зоне активного образования молекул НВг. Зона генерации на молекулах НР с увеличением кривизны растёт не очень сильно по сравнению с НВг. 16

Глава 4 посвящена теоретическому сравнению параметров генерации на основном тоне и на обертонных колебаниях в сверхзвуковом непрерывном HF-лазере с плоской конструкцией щелевого соплового блока. Двукратное уменьшите длины волны излучения при переходе от традиционного HF-HXJI к обер-тонному лазеру даёт ряд преимуществ: улучшение прохождения излучения в атмосфере вследствие метшего поглощения парами воды; снижение вдвое дифракционного предела расходимости излучения (~Х), увеличения вчетверо яркости в дальней зоне (~ХГ2, при равной выходной мощности и апертуре), более сильное поглощение излучения на поверхности металлов.

При исследовании HF-HXJIOT расчёты течения в соплах и в зоне генерации проведены по двумерной модели "узкого канала". За основу взят "щелевой" сопловой блок, разработанный в НПО "Энергомаш". Сопловая решётка имеет размер вдоль оси резонатора La= 40 см. Шаг решетки варьировался от 4 мм до 7.5 мм, соотношение выходных сечений сопел окислителя и горючего 3:1, степень расширения окислительных сопел 17.

Исследовалась традиционная топливная композиция HF-лазера {Рг]+ a[F2]+ Л(а-1)[Не] / Т?£(а-1)[Н2]. Рассматривались различные варианты состава топлива в камере сгорания: а=1.4... 1.8, /1=10... 17 при статическом давлении на срезе соплового блокар„,~ 2... 9 Topp.

Усилительные свойства активной среды

Исследование показало, что КУСС на обертонных переходах в 70... 80 раз ниже, чем на основном тоне. Максимальные значения получены для шага решётки 4 мм при низких давлениях pns~ 2 Topp для топлива в камере сгорания а=1.8, А= 17 4-Ю"3см-1, Ю"3см~' (при кинетике 1982г.). На основных переходах максимальные значения КУСС получены для этого же газодинамического режима: в полосе Pj 0.23 см"1, в полосе Р2 - g™ ~ 0.28 см4. Слабые усилительные

свойства активной среды на обертоне делают необходимым использование резона-торной оптики с высоким коэффициентом отражения, обеспечивающим низкое значение порогового коэффициента усиления на частотах обертона.

Поведение КУСС в зависимости от режимных параметров очень похожее для основного тона и для обертона. Максимальные значения КУСС на основном тоне и на обертоне достигаются при одинаковых составах топлива а= 1.8, А= 10... 14 для всех шагов решётки щелевого соплового блока. Это легко объяснимо - если достигается сильная инверсия на основных переходах, то и на обертон-

ных переходах инверсия будет сильной, так как накачка в холодной реакции происходит в основном на уровни v=2,3,4.

Зависимость КУСС от коэффициента разбавления гелием А достаточно слабая при Л <17. При больших разбавлениях А> 17 КУСС резко спадает ввиду уменьшения количества активных центров.

С уменьшением шага решётки значения КУСС растут по величине, а зона усиления укорачивается в связи с интенсификацией перемешивания струй. Переход от шага решётки 7 мм к шагу 4 мм повышает КУСС примерно в 2 раза во всех колебательных полосах.

Полученные данные по коэффициенту усиления хорошо согласуются с экспериментальными данными российских и американских авторов.

Энергетические характеристики HF-HXJI

При исследовании параметров генерации в HF-HXJIOT полагалось, что резонатор Фабри-Перо имеет идеальные селективные зеркала, так что генерация на основном тоне полностью подавлена и не оказывает влияния на обертонную генерацию. В расчётах HF-HXJI рассматривался однопроходный резонатор с длиной активной среды La= 40 см, потери в зеркалах на основном тоне ах~ af= 1%, в обертонном лазере ар af= 0.1%. Получены оптимальные коэффициенты пропускания выходного зеркала в основном тоне t2= 0.15 и на обертоне f2=0.07. Основные расчёты проведены для соплового блока с шагом решётки 7 мм.

В большинстве расчетов отмечена генерация на обертонных переходах в линиях Р2-о(3...7), Рз.^4.,.6), на основном тоне - на переходах Pi(4...10), Р2(4...10), Р3(5...9). На рис.6 показано спектральное распределение мощности выходного излучения (в отн. ед.) для сопловой решётки с шагом 7 мм в основных и обертонных полосах для газодинамического режима а= 1.8, /1=14, рт-5 Topp. Полученный спектр генерации на обертоне хорошо согласуется с экспериментами, проведёнными в РНЦ "Прикладная химия", где в разных работах наблюдались линии Р2.0(3...6), Р2.о(4...6), Р2.0(5...7), а также с работами американских исследователей (Duncan W. et al), проведёнными на HF-HXJI с сопловым блоком типа HYLTE, в которых спектр обертонной генерации состоял из 45 линий с пиком мощности при J= 6 и 7.

Оптимальным давлением с точки зрения достижения максимальной мощности на основном тоне практически для всех расходных параметров оказался диапазон pres~ 5...6Topp. Влияние массового расхода на мощность обертонной генерации несколько отличается от картины для основного тона - наблюдается снижение мощности с увеличением давления, наиболее предпочтительными 18

практически для всех составов газа являются низкие давления p„s~ 2 Topp. Это подтверждается экспериментальными данными, полученными в РНЦ "Прикладная химия", где наблюдалось падение мощности обертонной генерации с увеличением массового расхода реагентов через генератор атомарного фтора. Аналогичные результаты получены в экспериментах и американскими авторами в HF-HXJIOT с сопловым блоком типа HYLTE.

Длиш зоны генерации на обертоне монотонно уменьшается с ростом давления для всех газодинамических режимов. При увеличении давления от 2 до 9 Topp длина обертонной генерации монотонно уменьшается с -4.0 см до ~1.2 см.

HF Основной тон

isa-i-o —-2-1 sa-3-2

HF Обертон

■ п .1-

I

та-»

1 23436789 10 11

Рис. 6. Спектральное распределение излучения HF на основных (а) и обертонных (б) колебательно-вращательных переходах. d= 7 мм, а= 1.8,А=14,ргс = 5 Topp

Эффективность преобразования в обертонную генерацию в области оптимальных по мощности расходов для основного тона минимальна, и резко возрастает при уменьшении давления в среде, т.е. в области максимальной мощности обертонной генерации. При давлении в активной среде р„,~ 2 Topp эффективность преобразования т] достигает ~50%. Такая величина эффективности преобразования была получена в эксперименте, проведённом в РНЦ "Прикладная химия".

Поведение мощности и удельного энергосъёма в зависимости от а и А для основного тона и обертона очень похожее. В рассмотренных вариантах HF-HXJI оптимальные значения состава топлива в камере сгорания для достижения максимальной мощности в основном тоне и обертоне одинаковы а= 1.8, А= 8... 14 для диапазона давлений на срезе соплового блока от 2 до 9 Topp. Этот результат согласуется со многими экспериментами, в которых оптимальные режимы для основного тона и обертона также совпадают (напр. Duncan W. et al, 1992 г.; Carroll D.L. et al, 2002 г.).

В HF-HXJI с шагом соплового блока d- 7 мм для состава топлива а=1.8, А=8 максимальная приведённая мощность на обертоне составила Ptas~ 35 Вт/см2, удельный энергосъём Eyg~ 190 Дж/г при давлении рт= 2 Topp, эффективность преобразования в обертонную генерацию т|~50%.

Проведено исследование зависимости энергетики HF-HXJIOT от шага решетки d. С увеличением шага решётки d энергетические показатели монотонно падают для всех режимов. При уменьшении шага решётки с 7 мм до 4 мм мощность HF-HXJIOT для режима а= 1.8, А= 17, рт = 5 Topp возрастает в 2.2 раза с 25 до 55 Вт/см2. При давлении в среде ~2 Topp эффективность преобразования в обертонную генерацию возрастает с 37% до 46%.

Основные результаты работы

1. Созданы численные модели расчёта параметров активной среды и энергетических характеристик НХЛ с плоской и кольцевой конфигурацией соплового блока в одно- и двухдиапазонном режиме генерации излучения в основных и обертонных колебательных полосах молекул HF, DF и НВт.

2. В рамках полной системы уравнений Навье-Стокса выполнено теоретическое исследование усилительных свойств и энергетических параметров одно-диапазонных HF-, DF-HXJI и двухдиапазонного HF-DF-HXJI при использовании топливной композиции в камере сгорания CSr-NFr-He. Показано, что при использовании сероуглерода в качестве первичного горючего

- коэффициенты усиления слабого сигнала (КУСС) в активной среде HF-HXJI и DF-HXJI в 2-3 раза превышают значения КУСС для традиционного первичного горючего (Ö2, Н2, С2Н4);

- в широкой области изменения коэффициента избытка трифторида азота а~ 1.2... 1.7 достижимы высокие значения мощности и энергосъёма;

- максимальные значения мощности достигаются при повышенных (по сравнению с лазерами на традиционных топливных композициях) давлениях в начале лазерной зоныprts~ 6... 10 Topp как для HF-HXJI, так и для DF-HXJI, что существенно облегчает решение задачи выхлопа отработанных газов в окружающую атмосферу (для традиционного горючего оптимальные давления p„s ~3...5Торр);

- показана возможность получения эффективной одновременной генерации излучения на молекулах HF и DF.

3. Создана кинетическая модель активной среды НР-НВг-НХЛ, генерирующего излучение одновременно в двух спектральных диапазонах на колебательно-вращательных переходах молекул Ш7 и НВг.

4. В рамках полной системы уравнений Навье-Стокса выполнено исследование энергетических характеристик двухдиапазонного НР-НВг-НХЛ с топливной композицией (р2, Р2, Не) / (Н2, Вг2). Показано, что

- усилительные свойства среды на частотах НВг значительно слабее, чем на частотах Ш7; при оптимальном мольном содержании брома во вторичном горючем -2.5% максимальный по среде усреднённый поперёк потока КУСС составляет -0.015 см"1 в полосе Рэ при длине зоны усиления -15 см (максимальный КУСС на частотах Ш7 -0.11 см"1);

- в спектре генерации на частотах НВг наблюдаются линии Р|(3...8), Р2(4...11),Р3(4...12)иР4(5...10);

- максимальная приведённая мощность генерации на молекулах НВг

20 Вт/см2 достигается при оптимальном содержании брома во вторичном горючем (водороде) ~2.5% (приведённая мощность в полосе Ш7 для режима без разбавления бромом Р™ — 105 Вт/см2);

- переход от плоской конструкции соплового блока к цилиндрической (секторной) позволяет значительно повысить энергетические характеристики генерации в полосе НВг; так, при радиусе соплового блока Го= 10 см приведённая мощность излучения на молекулах НВг увеличивается в 1.5 раза по сравнению с плоским сопловым блоком, достигая значения 30 Вт/см2 для 5%-ного разбавления вторичного горючего бромом.

5. Выполнено теоретическое исследование усилительных свойств и энергетических параметров НР-НХЛ на обертонных переходах 1.25...1.45 мкм) для топливной композиции (р2-Р2-Не)/Н2. Показано, что

- коэффициент усиления слабого сигнала (КУСС) на первом обертоне в активной среде НР-НХЛ в 70... 80 раз ниже, чем на основном тоне;

- максимальные значения коэффициентов усиления слабого сигнала, мощности и удельного энергосъёма при генерации на первом обертоне молекулы № достигаются при тех же составах топлива в камере сгорания, что и при генерации на основном тоне в диапазоне давлений на срезе соплового блока от 2 до 9 Торр; для исследуемых в данной работе сопловых блоков оптимальные составы соответствуют коэффициенту избытка фтора а— 1.8, коэффициентам разбавления гелием А~ 8... 14;

- максимальные значения энергосъёма и эффективности преобразования в обертонную генерацию достигаются при низком давлении в активной среде р„,~ 2 Topp практически для всех составов топливной композиции в камере сгорания;

- в HF-HXJIOT с шагом сопловой решетки 7 мм получены максимальные значения приведённой мощности Р^- 35 Вт/см2, удельного энергосъёма ЕуА~ 190Дж/г, эффективности преобразования в обертонную генерацию -50% для состава топлива а=1.8, А= 8, Ri= 18;

- уменьшение шага решётки с 7 мм до 4 мм приводит к возрастанию КУСС вдвое, мощности генерации - в 2.2 раза, эффективности преобразования в обертонную генерацию на 25%.

Список публикаций соискателя по теме диссертации

1. Александров Б.П., Второва Н.Е., Исаева Л.Д., Щеглов В.А. Непрерывный сверхзвуковой химический лазер на первом обертоне молекулы HF // Квантовая электроника. 1994. Т.21. №5. СС.409-413.

2. Александров Б.П., Степанов A.A., Щеглов В.А. Энергетические возможности импульсно-периодического режима работы сверхзвукового непрерывного HF-лазера //Квантовая электроника. 1996. Т. 23. №6. СС.490-494.

3. Александров Б.П., Степанов A.A., Щеглов В.А. Модель расчета течения газа в мелкомасштабных соплах непрерывных химических лазеров // Квантовая электроника. 1997. Т.24. №2. СС. 163-168.

4. Александров Б.П., Степанов A.A. Численная модель двухчастотного химического лазера непрерывного действия на молекулах HF и НВг // Труды НПО Энершмаш. М: -2001. Т.19. СС.318-334.

5. Александров Б.П., Башкин A.C., Безноздрев В.Н. Особенности оптической схемы установок на основе DF-НХЛ // Материалы IV Харигоновских научных тематических чтений "Физика лазеров. Взаимодействие лазерного излучения с веществом". 2002. Саров. 18-21 февраля.

6. Александров Б.П., Башкин A.C., Безноздрев В.Н. Оптимизация основных параметров оптической схемы лазерных установок на основе DF-НХЛ с различной мощностью излучения // Труды НПО Энергомаш. М: 2002. №20. СС.312-331.

7. Александров Б.П., Башкин A.C., Безноздрев В.Н. К вопросу о выборе путей достижения высокой направленности излучения лазерной установки на основе крупноразмерного IIF(DF>IIXJI // Труды НПО Энергомаш. М: 2004. Т.22. СС.256-277.

8. Александров Б.П., Степанов A.A. Численная модель HF-ИХЛ с трёхструй-ным сопловым блоком // Труды НПО Энергомаш. М: 2004. Т.22. СС.278-294.

22

9. Александров Б.П., Степанов A.A. Сравнение наиболее известных кинетических моделей по их влиянию на расчетные параметры HF (DF)-HXJI // Труды НПО Энергомаш. М: 2005. т.23. СС. 332-351.

10. Александров Б.П., Безноздрев В.Н., Парфеньев М.В. и др. Энергетические возможности двухчастотного HF-DF-HXJI с одновременной генерацией излучения на молекулах HF и DF // Труды НПО Энергомаш. М: 2007. Т.25, СС.423—434.

11. Александров Б.П., Степанов A.A. Исследование HF(DF)-HXJI при разбавлении вторичного горючего инертными газами на основе полной системы уравнений Навье-Стокса // Труды НПО Энергомаш. М: 2007. Т.25. СС.435-448.

12. Aleksandrov В.Р., Stepanov A.A. Numerical Simulation of Double-Band cw HF-HBr Chemical Laser //Proc. ofSPIE. 2007. V.6735. P.6735-09.

13. Aleksandrov B.P., Stepanov A.A. Comparison of Weil-Known Kinetic Models by the cw HF and DF Chemical Lasers Numerical Simulation // Proc. of SPIE. 2007. V.6735. P.6735-0A.

14. Александров Б.П., Каторгин Б.И., Степанов A.A. Моделирование двух-диапазонного непрерывного химического лазера на молекулах HF и НВг // Квантовая электроника. 2008. Т.38. №10. СС.903-908.

15. Александров Б.П., Каторгин Б.И., Степанов A.A. О путях повышения энергетических параметров HF-HBr-HXJI // Труды НПО Энергомаш. М: 2008. Т.26. СС.271-281.

16. Александров Б.П., Степанов A.A. Энергетические возможности HF- и DF-HXJI при использовании в качестве горючего сероуглерода // Труды НПО Энергомаш. М: 2008. Т.26. СС.298-313.

Подписано в печать 2Х/Х-09

Формат60x84/16. Закаэ № . Тираж/?£7экз. П. л.

Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика. 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел. 499 783 3640