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基区引射式连续波DF/HF化学激光器研究

作　者: 闫宝珠
导　师: 陆启生；袁圣付
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 连续波DF/HF化学激光器紧凑化基区引射压力恢复气动技术启动特性
分类号: TN248.5
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 34次
引　用: 3次
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内容摘要

紧凑化是燃烧驱动连续波DF/HF化学激光器实用化需要研究的重要内容之一,本文重点研究了实现紧凑化的一种新的技术途径——基区引射式连续波DF/HF化学激光器,解决了低腔压和高恢复压力之间的矛盾等技术难题,为未来实现连续波DF/HF化学激光器直排大气奠定了基础。根据一维定常流理论和相关实验数据,本文设计并建立了模拟基区引射式连续波DF/HF激光器气流通道的单路和双路冷试装置。利用单路装置,研究了工作介质气动参数和基区对基区引射式连续波DF/HF化学激光器启动特性的影响,比较了两种类型基区的差异;利用双路装置,研究了基区引射式连续波DF/HF激光器中主气流的加入对装置启动状态的影响,分析了引射气流N₂、光腔燃料和副稀释剂的相变问题,另外,对于双路装置这种特定结构,实验研究了扩压器喉道的最佳长度。这些实验为基区引射式连续波DF/HF激光器中引射气流的设计和喷管、扩压器等结构的设计提供了参考。为了获取基区引射式连续波DF/HF化学激光器中出光气流的流量参数和工作时序等参考数据,基于一台小型燃烧驱动连续波DF化学激光器,开展了无稀释剂运转实验,并研究了功率提取对激光器光腔出口气流参数的影响。结果表明,在小功率DF/HF化学激光器中,可以采用无稀释剂的运转方式,对于大功率DF/HF激光器,适量的副稀释剂是非常必要的;随着激光器质量流比功率的增大,光腔出口气流的总压、速度和马赫数增大,静压、静温和总温减小。在以上工作的基础上,本文研制了一台基区引射式燃烧驱动连续波HF化学激光器热试验台,并对其开展了有、无二次流条件下的启动实验和真空出光实验,通过这些实验,获得了整个装置的启动特性等参考数据,提高了激光器在真空条件下的输出性能,同时,也对激光器的各组成部分进行了逐个验证;然后将各部分联试,进行了引射出光实验,解决了实验中遇到的若干问题;最后进行了不同背压下的真空出光实验和引射出光实验,前者得到了该激光器在无引射条件下形成有效激射的背压上限为4kPa,后者在50kPa的背压条件下,获得了大于0.85W的激光输出,约为相同流量参数条件下真空出光输出功率的1/8,从而证明了“基区引射”的压力恢复能力。本文研究的基区引射式连续波DF/HF激光器是化学激光领域中一个非常有意义的前沿课题,它有助于实现连续波DF/HF激光器系统的紧凑化。为此,本文通过建立理论模型和开展系统的实验,深入阐述了“基区引射”的工作机理,验证了“基区引射”的压力恢复能力,并获得了基区引射式连续波DF/HF激光器设计的参考数据,为进一步优化引射气流,优化结构和流量配比,进而提高基区引射式连续波DF/HF激光器的整体性能,奠定了理论和实验基础。

全文目录

摘要  13-15
Abstract  15-17
第一章绪论  17-26
  1.1 连续波DF/HF 化学激光器研究现状  17-19
  1.2 基区引射式连续波DF/HF 化学激光器的提出及可行性分析  19-23
    1.2.1 基区引射式连续波DF/HF 化学激光器的提出  19-20
    1.2.2 技术方案  20-22
    1.2.3 可行性分析  22-23
  1.3 本文的主要研究内容及结构安排  23-26
第二章化学激光器中的气体动力学计算方法  26-55
  2.1 研究气体动力学的意义  26
  2.2 热容与焓  26-28
    2.2.1 单种组分的热容与焓  26-27
    2.2.2 混合气体的热容与焓  27-28
  2.3 本文研究用气动基本概念  28-33
    2.3.1 声速和马赫数  28-29
    2.3.2 静参数与滞止参数  29-30
    2.3.3 压缩波与膨胀波  30
    2.3.4 本文研究用气动基本函数  30-32
    2.3.5 变截面管流、换热管流和摩擦管流  32-33
  2.4 化学激光器中涉及到的气动基本器件及相关问题  33-42
    2.4.1 Laval 喷管及其工况分析  33-38
    2.4.2 临界流文氏咀的流量控制原理  38-39
    2.4.3 滞止条件、极限速度和亚声速质量流量公式  39-41
    2.4.4 扩压器  41-42
  2.5 化学激光器气流通道单路简化模型一维理论  42-53
    2.5.1 化学激光器气流通道单路简化模型  42-43
    2.5.2 单路模型的工况分析  43-47
    2.5.3 第二喉道的最小面积  47-50
    2.5.4 单路模型的滞后效应  50-51
    2.5.5 工作介质气动参数对单路模型特性参数的影响  51-53
  2.6 本章小结  53-55
第三章 BECL 气流通道单路装置实验研究  55-69
  3.1 单路装置实验系统  55-57
    3.1.1 单路装置  55-56
    3.1.2 单路装置实验系统和实验方法  56-57
  3.2 单路装置实验  57-67
    3.2.1 滞后效应和各种工作状况  58-63
    3.2.2 不同工作介质的实验结果比较  63-64
    3.2.3 介质比热比对扩压器喉道最小面积的影响  64-65
    3.2.4 基区对装置启动特性的影响  65-66
    3.2.5 双路装置验证实验  66-67
  3.3 关于装置设计的一点思考  67
  3.4 本章小结  67-69
第四章 BECL 气流通道双路装置理论与实验  69-88
  4.1 超声速引射器一般理论  69-73
    4.1.1 超声速引射器  69-70
    4.1.2 超声速引射器一维理论  70-73
  4.2 双路装置实验系统  73-77
    4.2.1 双路装置  73-76
    4.2.2 双路装置实验系统和实验方法  76-77
  4.3 双路装置实验  77-81
    4.3.1 压强-时间曲线和滞后效应  77-79
    4.3.2 二次流总压对启动特性的影响  79-80
    4.3.3 扩压器喉道最佳长度实验研究  80-81
  4.4 管路中气流的相变问题  81-85
    4.4.1 实验结果与问题的提出  81-82
    4.4.2 N_2 作引射气流的相变分析  82-84
    4.4.3 DF/HF 激光器光腔燃料和副稀释剂的相变可能性  84-85
  4.5 三种引射介质的比较  85
  4.6 关于加工工艺的一点思考  85-86
  4.7 本章小结  86-88
第五章 STL 激光器实验及Driscoll 压力恢复模型  88-109
  5.1 STL 激光器与实验系统简介  88-89
  5.2 STL 激光器无稀释剂实验  89-93
    5.2.1 实验方法及实验结果  90-91
    5.2.2 数据分析  91-93
    5.2.3 结论  93
  5.3 功率提取对连续波DF 激光器光腔出口静压的影响  93-94
  5.4 Driscoll 压力恢复模型  94-105
    5.4.1 各位置气流摩尔流量  95-96
    5.4.2 等效证明  96-97
    5.4.3 混合过程  97-98
    5.4.4 光腔模型  98-100
    5.4.5 扩压器模型  100
    5.4.6 对Driscoll 压力恢复模型的修改与补充  100-105
    5.4.7 计算流程  105
  5.5 Driscoll 压力恢复模型对STL 激光器实验的解释  105-107
    5.5.1 Driscoll 模型移植到STL 激光器  105
    5.5.2 模型计算结果  105-107
    5.5.3 结论  107
  5.6 本章小结  107-109
第六章 BECL 系统设计与实验  109-136
  6.1 BECL 系统设计  109-116
    6.1.1 总体设计  110-111
    6.1.2 气流流量设计  111-112
    6.1.3 喷注器和燃烧室设计  112
    6.1.4 喷管设计  112-114
    6.1.5 光腔设计  114
    6.1.6 扩压器设计  114-115
    6.1.7 供给管路设计  115-116
  6.2 BECL 启动实验  116-120
    6.2.1 无二次流启动实验  117-118
    6.2.2 有二次流启动实验  118-120
  6.3 文氏咀流量标定  120-124
    6.3.1 质量流量标定装置及其原理  120-121
    6.3.2 不同气体的换算  121-122
    6.3.3 标定结果  122-124
    6.3.4 结论  124
  6.4 BECL 工作时序的设置  124-125
  6.5 BECL 出光实验中遇到的问题和改进措施  125-132
    6.5.1 真空出光实验  125-127
    6.5.2 改进实验  127-128
    6.5.3 背压50kPa 的初次引射出光联合实验  128-129
    6.5.4 减小光腔静压的措施及验证实验  129-132
  6.6 BECL 在不同背压下的出光实验  132-135
    6.6.1 不同背压下的真空出光实验  132-133
    6.6.2 不同背压下的引射出光联合实验  133-135
  6.7 本章小结  135-136
第七章结论与展望  136-139
致谢  139-141
参考文献  141-149
作者在攻读博士学位期间取得的学术成果  149-150
附录 DF/HF 化学激光器中常用气体热容与焓的计算系数  150-151

基区引射式连续波DF/HF化学激光器研究

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