Загрузил dasbootsm

Химические Лазеры 10

реклама
Химические лазеры
• Лазер простая (примитивная) конструкция
• Он включает два зеркала и активную среду
• Химический лазер – это лазер у которого
инверсия активной среды есть результат
химической реакции.
Химические лазеры
• Достоинства:
– Оптически однородная среда (малый угол
расходимости излучения)
– Высокий КПД – до 40% (10-40%);
неустойчивый резонатор
– Возможен непрерывный режим работы
(прокачка)
– Большие мощности излучения
Химические лазеры:
требования к среде
• Химическая реакция должна быть
экзотермической
• Практический интерес связан с большое
энергетической емкостью ряда реакций
• Критерий выбора активной среды –
эффективность преобразования химической
энергии в колебательные или вращательные
степени свободы и обеспечение генерации
Химические лазеры
• Наиболее распространенные среды:
– Водород (Дейтерий) – Галоген (Фтор, Хлор)
• F+H2→ HF*+H+134 кДж/моль
• H+F2→HF*+F+410 кДж/моль
• Длина волны – 2,7 мкм
Химические лазеры
• F2 →F+F Зарождение цепи
• F+H2→ HF*+H (v<4)
• H+F2→HF*+F (v<7)
• HF*(v>4)+F2 → HF*(v<4)+2F Ветвление
• H (стенка) →Н2, F (стенка) →F2 (Гибель)
• HF (v) +M → HF(v-1)+M (V-T релаксация)
• HF (v) + HF (v1) → HF(v-1)+ HF (v1+1) (V-V
релаксация)
• HF (v) → HF(v-1)+ hν Вынужденное излучение
Химические лазеры
• Чем определяется эффективность
преобразования химической энергии в
колебательную?
• Важным является время релаксации
колебательного возбуждения. Оно
определяется:
– Кросс релаксацией
– Переходом энергии в поступательную степень
свободы.
Химические лазеры
• Переход энергии в поступательную степень
свободы нежелателен, однако он не
эффективен, так как hν > kT
• При реакции фтора с водородом 60%
химической энергии переходит в
колебательную.
Химические лазеры
Характерные диаграммы колебательных уровней молекулы
HF*.
Химические лазеры
• F+H2→ HF*+H v=1,(2),3 инверсия
реализуется между v=2 и v=1
• H+F2→HF*+F v=1,..(5)…10 инверсия
реализуется на всех возбужденных
энергетических уровнях
Химические лазеры
• Необходимо инициировать начало реакции F2
→F+F (Зарождение цепи)
• Нагрев молекул фтора до температуры 1500 °С –
развал 50% фтора. Далее экзотермическая реакция
• Химическая реакция должна быть цепной:
активные соединения должны вновь возникать
Итог: требования
• Химическая реакция должна быть
экзотермической. Теплоты реакции должно
хватать для инициирования последующих этапов.
• Химическая реакция должна быть быстрой, так
чтобы скорость образования возбужденных
молекул превосходила скорость релаксации
• Химическая реакция должна быть цепной
Химические лазеры
• Принцип работы: основные процессы
– Получение активных центров в результате тепловой
диссоциации в камере сгорания
– Ускорение химически активных центров до
сверхзвуковых скоростей (сопловая решетка)
– Инжекция в сверхзвуковой поток молекул вступающих
в цепную реакцию
– Генерация излучения
– Удаление отработанных компонентов и их
нейтрализация
Химические лазеры
Конструктивная схема непрерывного химического
излучателя
Химические лазеры
• Конструкция:
– Камера сгорания
– Сопловая решетка
– Резонатор
– Устройство удаления отработанной смеси
• В камеру сгорания дополнительно вводится гелий
или азот для доведения температуры до величины
1500 °С
Химические лазеры
• Конструкция: Из камеры сгорания рабочая смесь
газов поступает в сопловую решетку,
предназначенную для эффективного
перемешивания компонент
• Хорошее перемешивание компонент – важнейшая
проблема мощеных химических лазеров.
Необходимо увеличить количество сопел и
уменьшить их размер.
Химические лазеры
Примеры сопловых решеток
Химические лазеры
• Резонатор предназначен для формирования
излучения
• Зеркала резонатора изготавливают из меди или
нержавеющей стали с каналами для эффективного
охлаждения и отверстие для вывода излучения
• Устройство удаления отработанных газов
необходимо для лазеров работающих в атмосфере
(давление в резонаторе меньше атмосферного)
Химические лазеры
• Оптимизация параметров за счет изменения
расходов компонент рабочей смеси и выбора
газодинамических параметров потока
• Для увеличения скорости заселения уровней
необходимо увеличит скорость химической
реакции: электрический разряд, электронный
пучок, лампа вспышка (УФ – излучение),
дополнительный нагрев до 4000 °С
Химические лазеры
(импульсные)
• В лазере непрерывного действия в
резонатор подается рабочая смесь подается
непрерывно
• В импульсных лазерах рабочая смесь
подается в камеру и после генерации
удаляется из нее
Химические лазеры
• В настоящее время известно более сотни
различных химических реакций A+BC→AB*+C
пригодных для генерации
• В качестве BC обычно используют
галогеносодержащие молекулы Сl2; Br2; HI; Н2;
NF3; UF6; SF6; WF6; HC1; H2S; CH4 и др.
• Дополняют смесь стабилизирующими
компонентами: например Н2:F2:О2:SF6 в
соотношении 10:36:14:10 (исключаем взрыв)
Химические лазеры
• Возможен вариант передачи возбуждения
другой молекуле
• Пример: DF-СО2-лазер NO+F2=NOF+F;
F+D2=DF*+D; D+F2=DF*+F;...
• Далее к потоку DF* подмешивается СО2,
возбуждаемый по схеме
• DF*+ СО2= СО2*+DF
• СО2* дает лазерную генерацию на длине
волны =10,6 мкм
Химические лазеры
• Характерные длины волн генерации:
• НС1 =3,7 мкм,
• НВr = 4,2 мкм,
• DF = 4,3 мкм.
• HF = 2,7 мкм,
Химические лазеры
• Оценка массовых характеристик
• M(НХЛ)=m(Т)+т(сх)+ т(сп)+ т(кс)+ т(ср)+ т(р)
• где m(Т) - масса компонентов для работы НХЛ;
• т(сх) - масса системы хранения компонентов, как
правило, в сжиженном состоянии;
• т(сп) - масса системы подачи компонентов
топлива;
• т(ср) - масса камеры сгорания;
• т(кс) - масса сопловой решетки;
• т(р) - масса резонатора.
Химические лазеры
• т(Т)=G∙∙N(1+Δ),
• G - массовый расход, определяемый требуемой
выходной мощностью излучения и удельной
мощностью излучения, G=P/ξ;
• ξ- удельная мощность излучения для HF лазера,
0,3…1 МВт/кг
• N - количество выстрелов, как правило, равное
102...103;
• -длительность выстрела (0,5…10 с);
• Δ- гарантированный запас компонентов ( 10%
Химические лазеры
• Масса остальных систем зависит от
массового расхода G.
• т(сп)=k(ср)∙G,
• т(кс)=k(кс)∙G,
• т(ср)=k(ср)∙G,
• где k(ср), k(кс), k(ср) - коэффициенты,
характеризующие степень совершенства
элементов конструкции химических
излучателей
Химические лазеры
• Масса системы хранения включает массу системы
термостатирования и газификации компонентов и
зависит от массы топлива.
• т(сх)=(1,2…2) т(Т).
• Масса резонатора в основном зависит от
выходной мощности излучения
• т(р)=k(р)∙Р,
• где k(р) - коэффициент, характеризующий степень
совершенства зеркал, технологии их
изготовления, особенностей охлаждения.
Химические лазеры
• Полная масса оружия на основе НХИ
космического базирования дополнительно
включает массу систем обнаружения,
прицеливания, массу систем
формирования, массу системы управления,
массу первичных источников
электроэнергии и массу ряда других
обеспечивающих систем .
Лазеры космического базирования
Массовые характеристики элементов
оружия космического базирования
Р=5 МВт
Элементы конструкции и системы
Р=10 МВт
Р=25 МВт
Масса, т
Масса, %
Масса, т
Масса, %
Масса, т
Масса, %
Химический излучатель с резонатором и
сопловой решеткой
2
7
2,5
4
2,5
3
Система хранения и подачи компонентов
топлива
15
50
39
66
60
68
Оптическая система формирования
3
10
4
7
4
4,5
Система обнаружения и прицеливания
1,5
5
2,5
4
2
2,5
Система управления
1
3
1
2
1
1,5
Первичные источники электроэнергии
3
10
6
10
3
6
Обеспечивающие системы
4
15
4
7
4
4,5
Полная масса
29,5
100
59
100
88,5
100
Скачать