燃烧驱动连续波化学激光器的喷管发展

刘勋++厉宝增

摘 要：喷管是化学激光器的重要部件，它与高温高压的燃烧室低温低压的光腔相接，对激光器的性能产生非常大的影响。喷管技术的改进提高了激光器的性能，很好的促进了化学激光的发展。所以喷管技术在一定程度上代表着激光器的发展水平，意味着激光器的更新换代。

关键词：喷管；化学激光器；性能；更新

1 概述

早期化学激光器燃料基本使用喷注棒进行喷注，由于不符合高能激光器的应用需要，所以后来将燃料气体通过拉法尔喷管进行喷射，主要有以下几种：最初始运用扩散混合技术的2SLOT喷管、HYWN喷管，综合混合技术的高超声速低温HYLTE喷管等，喷管技术的发展便是反应区反应流混合速度温度流速等参数不断更新完善改进的过程。

2 喷管技术发展简介

2SLOT喷管利用相邻喷管超音速扩散进行混合，如图a所示，依次交替排列氧化剂喷管与燃料喷管可以提高反应区的流场速度，拉伸增益区流场长度。该喷管主要优点为结构简单，设计容易。而且相邻喷管之间有一个被称为基区卸压台的区域可以降低反应区温度，减小激波造成的影响，在后来设计的超音速喷管中被广泛采用[1]。缺点就是反应流处于边界层，反应区内的温度比较高、气体流速较低，混合速度慢，需要通过减小喷管尺寸来增大混合速度，加工困难大，整体效率不高。

HYWN喷管的燃料喷管于氧化剂喷管之间不再平行，整体采用一单一一体的大型主喷管，燃料通过楔型叶片上的轴对称喷管平行喷入主流，如图b所示，燃料流通过位于叶片上的轴对称喷管平行喷入主氧化剂流中，喷管气流整体流速较高，混合速度也较快；而且如果将燃料采取一定角度倾斜注入氧化剂时的混合速度更快。ALPHA[2]激光器早期时曾选用此喷管。但由于硬壁楔结构造成了强激波，且楔型叶片非常细小难以加工，导致加工费用非常高昂。

伊利诺依大学设计了一种HYLTE模拟喷管即HYSIM喷管，该喷管根据平行狭缝喷管（PSN）的基础改制，在主喷管超音速段扩张壁面上声速加入的He和H2气的混合射流，如图c所示。通过射流来扭曲反应界面，增强混合。在基础性能上与PSN相比，HYSIM喷管可以提升1.6倍[3]。

通过对上述技术的结合总结，提出设计了高超声速低温（HYLTE）喷管（图d），对于连续波氟化氢（HF）、氟化氘（DF）等化学激光器而言。在其之后便没有了更新喷管技术的设计报道。HYLTE喷管的副喷管处于主喷管扩张段处，燃料流从周期性交错排列的副喷管超声速横向喷射至主喷管中，扭曲反应界面来增大接触面积，加快混合速度，而且使得反应控制发生在氧化剂喷管核心的区域。HYLTE喷管增益区域较长、结构易于加工而且坚固可以达到较高的化学效率。

3 结束语

尽管HYLTE喷管是现在比较主流的喷管，但其仍存在一些缺点：压缩效应使得主流速度在高超声速之下；副喷管中降低了恢复总体压力的性能来满足横向喷射气流的混合效果，所以未来喷管的技术还需要继续创新来满足化学激光器技术的不断发展。

参考文献

[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.