Численное моделирование фтороводородных химических лазеров непрерывного и импульсно-периодического действия с интенсификацией процессов смешения реагентов в зоне генерации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Гуров, Леонид Валерьевич

• Гуров, Леонид Валерьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Гуров, Леонид Валерьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Обзор литературы

Глава 1. Модель расчёта газодинамических и энергетических параметров в НРфР>НХЛ

1.1. Основные уравнения и граничные условия

1.2. Термодинамические и теплофизические параметры

1.3. Коэффициент усиления активной среды НР(ОР)-НХЛ и условие квазистационарной генерации

1.4. Методика численного решения уравнений

1.5. Разностная аппроксимация уравнений для определения энергетических параметров НХЛ с генерацией излучения в непрерывном режиме

1.6. Тестовые расчёты

1.7. О расчёте параметров генерации импульсно-периодического НР-НХЛ.. 65 Выводы к главе 1

Глава 2. Энергетические возможности БР-НХЛ с зубчатой сопловой решёткой

2.1. Постановка задачи

2.2. Расчёт усилительных свойств. Сравнение с экспериментом

2.3. Анализ основных результатов

Выводы к главе 2

Глава 3. Характеристики НР-НХЛ с генерацией на основных и обертонных переходах молекулы НЕ при использовании сопел НУЬТЕ

3.1. Постановка задачи

3.2. Сравнение с экспериментом

3.3. Анализ основных результатов

3.4. Оценка оптического качества активной среды

Выводы к главе 3

Глава 4. Энергетические возможности НР-НХЛ с соплами НУЬТЕ при генерации в импульсно-периодическом режиме

4.1. Постановка задачи

4.2. Анализ результатов

Выводы к главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Список условных обозначений

Латинские символы

А — степень избытка разбавителя в камере сгорания;

A^v_Av-коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения на переходе

а{,а2 - коэффициенты поглощения излучения на «глухом» и выходном зеркале резонатора;

Ck - массовая доля к-ото компонента смеси; с - скорость света;

Dij - коэффициент бинарной диффузии газа сорта / в газ сорта j; Еуд - удельный энергосъём (энергия лазерного излучения, снимаемая с единицы массы всех компонентов);

&klVv-L ~ коэффициент усиления слабого сигнала к-ото компонента на колебательно вращательном переходе Р-ветви v,jv_Av -1 v-Av,jv_Av;

Snap ~ пороговое значение коэффициента усиления в резонаторе Фабри-Перо; h - постоянная Планка;

hi- удельная энтальпия к-то компонента смеси; Н— удельная энтальпия смеси;

IJVV~_% - интенсивность излучения на колебательно вращательном переходе v,_/v_Av -1 —» v- Av,jv_Av лазерной молекулы (HF или DF); к - постоянная Больцмана; kj - константа скорости j-й химической реакции; L - длина активной среды вдоль оси резонатора; т0 - суммарный массовый расход окислителя и вторичного горючего; mF -массовый расход атомарного фтора; М— число Маха; Na - число Авогадро; р - статическое давление смеси; Ро - давление торможения смеси;

Рт - приведённая (отнесённая к единице площади среза сопловой решётки) мощность лазерного излучения;

Д - универсальная газовая постоянная;

— коэффициент избытка вторичного горючего в расчёте на свободный условно молекулярный фтор;

Г], г2 - коэффициенты отражения «глухого» и выходного зеркала резонатора; Т- статическая температура; Т0 - температура торможения; 5 - площадь среза сопловой решётки; t - время;

и, ¿2 ~ коэффициенты пропускания «глухого» и выходного зеркала резонатора;

и - составляющая скорости потока вдоль оси х;

V - составляющая скорости потока вдоль оси у;

и> - составляющая скорости потока вдоль оси г;

ТУ/ Щ - молекулярная масса смеси / к-го компонента смеси;

хк - мольная доля &-ого компонента смеси;

х,у, г- декартовы координаты.

Греческие символы

а - степень избытка окислителя в камере сгорания;

Ду - разница между номерами верхнего и нижнего лазерного уровня (1 - для частот основного тона, 2 - для частот первого обертона);

г] - эффективность преобразования энергии лазерного излучения, снимаемой при генерации на основном тоне, в энергию, снимаемую на первом обертоне; р - плотность смеси; вер - вращательная температура; X - длина волны излучения;

Рем / Ик - коэффициент динамической вязкости смеси / к-то компонента смеси; Км! X к- коэффициент теплопроводности смеси / к-то компонента смеси;

Список сокращений

HXJI - Непрерывный Химический Лазер; ИПР - Импульсно-Периодический Режим; МДР - Модуляция Добротности Резонатора; ГАС - Генератор Активной Среды; КУС С - коэффициент усиления слабого сигнала;

CFD - Computational Fluid Dynamics (Вычислительная Газовая Динамика); HYLTE - Hypersonic Low Temperature Nozzle (разновидность сверхзвуковых сопел в HXJI).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное моделирование фтороводородных химических лазеров непрерывного и импульсно-периодического действия с интенсификацией процессов смешения реагентов в зоне генерации»

ВВЕДЕНИЕ

С появления идеи создания [1,2] в начале 60-х годов непрерывные химические лазеры (НХЛ) прошли огромный путь развития от лабораторных образцов [3,4,5] до больших систем космического [6], воздушного [7] и наземного [8] базирования. Весьма интенсивное развитие здесь получили лазеры, работающие на молекулах НР(у) (НБ-НХЛ) и БР(у) (ОБ-ИХЛ), а также НХЛ с генерацией на первом обертоне молекулы НБ. Спектральный диапазон излучения данных лазеров (>1нг~2.6...3.1 мкм, ХОР~3.7...4.05 мкм, ^-нБ(обертон) ~1.25... 1.45 мкм) позволяет эффективно использовать их при решении как исследовательских, так и различных специальных задач. Привлекательной также представляется реализация в данных лазерах импульсно-периодического режима генерации (ИПР), когда при некотором снижении средней мощности могут быть получены сверхвысокие мощности в импульсе, превышающие более чем на порядок соответствующие значения, достигнутые в непрерывном режиме генерации.

Интерес к использованию НР(ВР)-НХЛ в установках различного базирования обусловлен высокими удельными энергетическими характеристиками генерируемого излучения и возможностью работы в автономном режиме без использования внешних источников электрической энергии. Последнее связано со спецификой создания активной среды в таких лазерах, которая образуется в результате экзотермических реакций накачки Р+Н2—>НР(у)+Н или Р+02—>БР(у)+0, протекающих при смешении сверхзвуковых струй окислительного потока, содержащего атомарный фтор, с потоком вторичного горючего Н2 или В2 [9].

Принципиальная схема формирования активной среды фтороводородного НХЛ с указанием его основных элементов представлена на рисунке 1. Так, сначала в камеру сгорания подается с избытком окислитель или №3), а также первичное горючее. В результате химической реакции между данными компонентами образуются продукты сгорания, температура которых достигает уровней, достаточных для начала диссоциации оставшейся непрореагировавшей доли окислителя (1700...2400 К), что приводит к образованию атомов фтора. Полученный окислительный газ (далее, окислитель), содержащий атомы фтора, а также подаваемое через отдельный газодинамический тракт вторичное горючее поступают на вход в систему сверхзвуковых мелкомасштабных сопел, составляющих сопловую решётку, где затем разгоняются до

сверхзвуковых скоростей. Использование в данном случае мелкомасштабных сопел обусловлено необходимостью обеспечения достаточно быстрого и глубокого перемешивания истекающих сверхзвуковых струй окислителя и вторичного горючего.

Изначально широкое распространение в НР(ВР)-НХЛ получили сопловые решётки, состоящие из сопел щелевой конфигурации с шагом около 6-7 мм [10]. Считается, что при указанных значениях шага сопел для обеспечения эффективного смешения окислителя и вторичного горючего, которое в данном случае происходит за счёт диффузии, и одновременно получения эффективной генерации излучения, оптимальные значения давления в активной среде должны составлять около 5 Тор. Достигаются подобные уровни давления в активной среде за счёт высокой степени расширения сопел (порядка 30).

Канал охлаждения

Сопловая лопатка

Зона смешения и образования НБ^ШР*

^_*диф_

Рисунок 1 - Фрагмент сопловой решетки со схемой диффузионного смешения потоков окислителя и вторичного горючего

Известно, что в химических реакциях накачки Р+Н2—>НР(у)+Н (Р+02—на образование колебательно возбужденных молекул НР(у) (БР(у)) идет до 66% выделяющейся в реакции энергии [11], то есть теоретически предельный химический КПД фтороводородных НХЛ, определяющий эффективность преобразования энергии реакции накачки в излучение, составляет 66 %. Однако исследования показали, что реальная эффективность преобразования гораздо ниже и это обусловлено рядом объективных причин. Во-первых, это связано с ограниченной скоростью смешения реагентов (окислителя и вторичного горючего), из-за чего генерация в ре-

зонаторе обычно заканчивается раньше, чем данные реагенты успеют полностью перемешаться. Это особенно присуще сопловым решёткам с соплами щелевой конфигурации, где масштаб смешения фактически определяется шагом сопел. Во-вторых, эффективному использованию колебательной энергии молекул НБ(у) (БР(у)) мешает высокая скорость их релаксации на продуктах реакции. В-третьих, даже устранив первые два фактора, невозможно преобразовать всю запасённую в активной среде колебательную энергию молекул НР(у) фр(у)) в энергию излучения, поскольку генерация обусловлена частичной инверсией населенностей, а пороговый коэффициент усиления всегда отличен от нуля. Очевидно, что при разработке конструкции НХЛ с эффективной генерацией излучения эти факторы должны учитываться.

Стремление повысить химический КПД и, соответственно, удельные энергетические характеристики фтороводородных НХЛ за счет простого уменьшения шага щелевой сопловой решетки, то есть масштаба смешения реагентов, на практике обернулось сложной и противоречивой задачей. Уменьшение шага решетки приводит к нарастанию технологических сложностей изготовления щелевых сопел с минимально возможным шагом (3...4 мм) и критическим сечением меньше 0.2 мм, когда намного усложняется решение задачи надежного и равномерного охлаждения конструкции мелкомасштабной сопловой решетки при условии обеспечения ее прочности и жесткости [12]. При этом также проявляются некоторые отрицательные физические особенности. А именно, при уменьшении размеров сопел растет степень влияния вязких эффектов при течении газа в них, поскольку число Рейнольдса принимает малые значения (100 - 1000). Соответственно, пограничный слой будет занимать всё большую часть поперечного сечения сопел, что приведет к уменьшению эффективной степени расширения потоков в соплах. Ещё одной неприятностью здесь является рост потерь атомов фтора в результате их рекомбинации на стенках и в пограничном слое, что приводит к образованию толстой прослойки молекулярного фтора, препятствующей диффузионному смешению атомов фтора, оставшихся в ядре потока окислителя, с молекулами Нг в параллельном потоке.

С целью снижения отрицательного влияния указанных факторов при создании лазерных установок высокой мощности большое внимание уделяется конструкционному исполнению сопел в сопловой решётке. Так, за последние три десятилетия в качестве альтернативы традиционной щелевой конфигурации, было предложено не-

сколько вариантов конфигурации сопловой решётки с отдельными особенностями в геометрии, способствующими интенсификации процессов смешения за счёт вносимых возмущений в истекающие сверхзвуковые потоки окислителя и вторичного горючего (рисунок 2). Тем самым не только повышается эффективность использования атомарного фтора в потоке окислителя при наработке молекул НР(у) или ОР(у), участвующих в генерации излучения, но и также существенно снижается чувствительность скорости перемешивания к шагу сопел. Характерными примерами подобных сопел, обеспечивающих быстрое перемешивание реагентов, являются рассмотренные в настоящей работе зубчатые сопла [13] и сопла ЕГУЪТЕ [14].

Н2Ю2 _ .. Не

F+He

He trip

F+He

H2/D2

F+He

а)

F+He H2/D2

H2/D2

F+He

F + He

Рисунок 2 - Примеры конфигураций сопел, реализующих интенсификацию процессов смешения реагентов при формировании активной среды НХЛ: сопла с «трипсами» (а), сопла НУЬТЕ (б), дефлекторные сопла (в), зубчатые сопла (г) [13]

Помимо отмеченных достоинств, интерес к использованию сопел указанного типа обусловлен существенно более широким диапазоном рабочих давлений в активной среде, при которых может быть получена эффективная генерация излучения. Показательным здесь является пример НР-НХЛ космического базирования [6], активная среда которого может иметь достаточно низкое давление, поскольку в этом случае отсутствует проблема обеспечения выхлопа отработанных газов в окружающее пространство. Учитывая специфику использования НХЛ в космосе, когда при ограниченном запасе исходных реагентов необходимо обеспечить как можно более длительную работу лазера, основной задачей здесь является достижение высоких значений удельного энергосъёма (мощности излучения лазера, отнесённой к суммарному массовому расходу компонентов). Последнее, в свою очередь, возможно лишь в случае подачи реагентов с пониженной плотностью массового расхода, при которой достигаемый уровень давления в активной среде уже оказывается ниже считающегося оптимальным для фторводородных НХЛ значения в 5 Тор. Понятно, что для таких условий использование обычных щелевых сопел является не совсем целесообразным в силу отмеченных ранее причин, связанных с формированием в соплах толстых пограничных слоев, в которых эффективно протекает рекомбинация атомов фтора.

Предложенное для устранения указанного недостатка сопло НУЬТЕ, в котором быстрое проникновение вторичного горючего в поток окислителя обеспечивается за счёт его поперечного впрыска через набор отверстий, создало предпосылки получения эффективной генерации в НР-НХЛ не только на частотах основного тона, но и также на частотах первого обертона молекулы НР, которая априори требует понижения давления в активной среде [15]. Реализация обертонной генерации в НР-НХЛ привлекательна тем, что позволяет снизить вдвое дифракционный предел расходимости излучения (~А) и увеличить вчетверо яркость в дальней зоне. Кроме того, в отличие от излучения обычного НР-НХЛ, излучение обертонного НР-НХЛ не поглощается атмосферой.

Использование сопловых решёток, способствующих интенсификации процессов смешения, является также привлекательным при создании фтороводородных НХЛ морского, наземного и воздушного базирования, когда для обеспечения более благоприятных условий для выхлопа отработанных компонентов в окружающую атмосферу требуется формирование активной среды повышенного давления (более

5 Тор). Здесь следует особо выделить НР(ВР)-НХЛ самолётного базирования на высотах порядка 8-12 км [7], где за счёт повышения давления в активной среде можно обеспечить восстановление статического давления выхлопного потока на выходе из диффузора до уровня давления окружающей атмосферы. Это позволяет исключить необходимость применения газоструйных эжекторов, тем самым существенно упрощается конструкция лазерной установки и улучшаются её массогабаритные характеристики. Использование щелевых сопел в данном случае не является оптимальным по той причине, что повышение давления в активной среде приводит к неизбежному снижению удельного энергосъёма лазера [11], которое в случае щелевых сопел оказывается ещё более заметным из-за относительно медленной скорости перемешивания реагентов вследствие затруднения диффузии.

В мировой литературе сведения о результатах экспериментов с использованием сопловых решёток, реализующих интенсификацию процессов смешения реагентов, приведены крайне скупо. Так, например, имеющиеся публикации не позволяют получить чёткое представление о степени влияния интенсификации смешения на удельные энергетические характеристики НР(БР)-НХЛ в зависимости от режимных параметров потоков окислителя и вторичного горючего. Ещё в меньшей степени данный вопрос изучен для импульсно-периодического режима работы НР-НХЛ, экспериментальные и теоретические исследования которого ограничивались рассмотрением сопловых решёток щелевой конфигурации.

Для сопловых решёток с конфигурацией, отличной от щелевой, помимо энергетики НХЛ, интерес также представляет оценка оптического качества формируемой активной среды, когда вследствие сложной, трехмерной структуры, течения, можно ожидать больших градиентов плотности, приводящих в результате к дополнительным искажениям волнового фронта на выходной апертуре. Принимая во внимание высокую стоимость натурных экспериментов, вполне очевидно, что для получения ответов на указанные вопросы наиболее эффективным является проведение численного моделирования.

Многообразие процессов, протекающих во фтороводородном НХЛ, делает его весьма интересным объектом для численных исследований, что в свою очередь требует создания сложных физико-математических моделей, реализация которых возможна на достаточно высокопроизводительной вычислительной технике. К настоя-

щему времени основной объём численных исследований процессов в HXJI был выполнен с использованием двухмерных моделей на основе полных уравнений Навье-Стокса, либо данных уравнений, записанных в приближении узкого канала (для случая расчётного режима истечения реагентов). Формально, для описания основных процессов (химические реакции в смешивающихся неоднородных потоках, процессы колебательной и вращательной кинетики, вынужденное излучение) в активной среде HXJI, находящейся в полости плоскопараллельного резонатора, можно ограничиться и двухмерными моделями, однако их применимость оправдана лишь в случаях рассмотрения HXJI с щелевой сопловой решёткой, когда градиентами параметров потока в третьем измерении (вдоль высоты сопловой лопатки) можно пренебречь. Понятно, что в случае рассмотрения сопловых решёток иных конфигураций, отличающихся трёхмерной структурой истекающего потока реагентов в зоне генерации, допущение о двухмерном характере течения уже неприемлемо, в результате чего возникает необходимость создания аналогичных трехмерных моделей.

С развитием мощных вычислительных комплексов появились коммерческие CFD пакеты (FLUENT, CFX, Star-CD и др.), предназначенные для проведения численного моделирования газодинамических процессов с помощью системы трехмерных уравнений, описывающих перенос импульса (уравнения Навье-Стокса), энергии и концентраций отдельных компонент газовой смеси. Привлекательным представляется использование данных CFD пакетов и для проведения численного моделирования HXJI, однако при рассмотрении непрерывного режима генерации излучения здесь возникает одна существенная проблема. Данная проблема заключается в том, что уравнения, решаемые в указанных пакетах, не содержат источниковых членов, отражающих изменение газодинамических параметров в полости резонатора (температуры газовой смеси, концентраций активных молекул на отдельных колебательно-вращательных уровнях) вследствие процессов вынужденного излучения, количественной характеристикой которых является интенсивность излучения. Входящие в данные источниковые члены значения интенсивности излучения на отдельных колебательно-вращательных переходах молекул HF(DF) заранее неизвестны, и для их определения требуется введение дополнительных уравнений, выражающих условие квазистационарной генерации в плоскопараллельном резонаторе [16]. Именно после этого общая система уравнений становится замкнутой, при этом расчёт значений интен-

сивности осуществляется в ходе совместного численного решения уравнений, описывающих перенос концентраций молекул ЬЩОР) на колебательно-вращательных уровнях, с учётом условия квазистационарной генерации. Принимая во внимание данную особенность в расчёте значений интенсивности излучения, а также привлекательность использования готовых СБО пакетов для трехмерного расчёта полей основных параметров истекающего сверхзвукового потока реагентов (скорости, давления, температуры, концентраций неизлучающих компонентов газовой смеси), представляющего наибольшую трудоемкость, в данной работе развит подход к моделированию НХЛ с учётом трехмерной структуры течения в полости резонатора. Основан данный подход на допущении, что вклад процессов вынужденного излучения в относительное изменение поля температуры на всём участке активной среды, где возникает генерация, по сравнению, например, с ударно-волновыми процессами и процессами релаксации, достаточно мал, и что пренебрежение температурными эффектами, обусловленными наличием генерации, не внесёт существенной погрешности в расчёт поля интенсивности излучения. С учётом вышесказанного, весь процесс моделирования НХЛ разделяется на два последовательных этапа. Так, на первом этапе с помощью одного из указанных СББ пакетов определяются основные параметры истекающего сверхзвукового потока реагентов в зоне генерации, а на втором этапе решаются уравнения, определяющие концентрации излучающих молекул НР(БР), где при построении разностных аппроксимаций операторов конвективного и диффузионного переноса используются полученные на этапе 1 результаты.

С помощью предложенной трехмерной расчётной модели в данной работе проводится исследование параметров генерации фтороводородных НХЛ с сопловыми решётками, обеспечивающими интенсификацию процессов смешения реагентов в зоне генерации. Рассматриваются случаи формирования в НХЛ активной среды повышенного давления (на примере БР-НХЛ самолетного базирования), а также пониженного давления (на примере НР-НХЛ космического базирования с генерацией на частотах основного тона, и первого обертона молекулы НР). Похожая трехмерная модель, дополненная нестационарными уравнениями, описывающими развитие коротких импульсов (<50 не) в активной среде НХЛ, используется также для исследования параметров импульсно-периодического НР-НХЛ. С целью получения представления о степени влияния интенсификации смешения на значения удельных энергетических

характеристик, а именно удельного энергосъёма и приведённой мощности (мощности излучения лазера, отнесенной к единице площади среза сопловой решётки) в работе отдельно рассматриваются также случаи использования в HXJI щелевых сопловых решёток.

Актуальность темы исследования

В настоящее время большие усилия учёных и инженеров направлены на разработку и совершенствование технологии создания фтороводородных HXJI. Данные лазеры считаются наиболее мощными источниками когерентного излучения. Активные работы по созданию HF(DF)-HXJI продолжаются по нескольким программам, среди которых:

• SBL (Space Based Laser) - комплекс космического базирования на основе HF-HXJI для интегрирования в систему глобальной ПРО;

• THEL (Tactical High Energy Laser) — комплекс на основе DF-HXJI для решения тактических задач. Этот проект получил продолжение в программе создания лазерного комплекса на мобильном носителе MTHEL (Mobile Tactical High Energy Laser);

• MIRACL (Mid-Infrared Advanced Chemical Laser) - лазерная установка морского базирования на основе DF-HXJI;

• Alpha - лазерная установка космического базирования на основе HF-HXJI;

• МГ5 и Н00 - среднеразмерный и крупноразмерный генераторы активной среды (ГАС) для фтороводородных НХЛ наземного и воздушного базирования, разрабатываемые в ОАО «НПО Энергомаш им. акад. В.П. Глушко»;

В свою очередь, широкий спектр задач, решаемых с помощью лазерных установок различного базирования на основе фтороводородных HXJI (например, исследование состава атмосферы с помощью DF(HF)-HXJI наземного или самолетного базирования, исследование воздействия на различные объекты с помощью HF-HXJI космического базирования, очистка околоземного пространства от фрагментов космического мусора с помощью импульсно-периодического HF-HXJI космического базирования), подчеркивает актуальность темы.

Цель работы

Целью данной работы является теоретическое исследование удельных энергетических параметров автономных фтороводородных непрерывных и импульсно-периодических химических лазеров, в которых для формирования активной среды используются перспективные сопловые решётки, способствующие интенсификации процессов смешения потоков окислителя и вторичного горючего.

Объект исследования

Объектом исследования являются автономные непрерывные химические НР- и ЭР-лазеры с различными конфигурациями сопловой решётки (щелевой, зубчатой, НУЬТЕ), работающие на различных топливных композициях и генерирующие излучение в непрерывном, а также в импульсно-периодическом режиме.

Предмет исследования

Предметом исследования являются физико-химические процессы, происходящие в составных частях НХЛ, начиная от камеры сгорания до входа в диффузор; методы математического моделирования этих процессов; сравнительные энергетические характеристики, полученные для НР- и БР-НХЛ с сопловой решёткой традиционной щелевой конфигурации и с сопловыми решётками, обеспечивающими интенсификацию процессов смешения потоков окислителя и вторичного горючего.

Метод исследования

Методом исследования является численный эксперимент, проводимый посредством совокупности расчётных программ на основе стандартных и разработанных соискателем численных моделей, позволяющих в трехмерной постановке описать физико-химические процессы в соплах и активной среде НР- и БР-НХЛ.

Научная новизна исследования

1. Предложена и обоснована оригинальная методика численного моделирования процессов в активной среде химических НР- и БР-лазеров непрерывного действия с перспективными конфигурациями сопловой решётки. Особенностью методики является разработанный алгоритм численного расчёта значений интенсивности гене-

рируемого лазерного излучения, позволяющий вычислять данные величины в предварительно рассчитанных полях газодинамических параметров истекающего сверхзвукового потока, которые в свою очередь определяются путем решения системы трехмерных уравнений газовой динамики.

2. В рамках разработанной численной модели при использовании топливной композиции (С2Н4, №3, Не) / (Б2, Не) выполнено теоретическое исследование удельных энергетических характеристик ОР-НХЛ с повышенным уровнем давления в активной среде, показавшее, что замена в сопловой решётке традиционных щелевых сопел зубчатыми соплами с аналогичным шагом

- способствует повышению приведённой мощности и удельного энергосъёма минимум в 1.5 раза при уровнях давления в активной среде 10-20 Тор, когда существенно упрощается решение задачи выхлопа отработанных газов в окружающую атмосферу, при этом в случае ОР-НХЛ самолетного базирования на высотах 8-12 км из конструкции лазера могут быть полностью исключены газоструйные эжекторы.

- приводит к уменьшению протяженности зоны генерации в 2-3 раза;

- приводит к формированию дополнительных неоднородностей в распределении интенсивности по высоте апертуры.

3. В рамках разработанной численной модели при использовании топливной композиции (Б2, №3, Не) / (Н2, Не) выполнено теоретическое исследование оптического качества активной среды и параметров генерации на частотах основного тона и первого обертона молекул НР в НР-НХЛ с соплами НУЬТЕ, показавшее что:

- протяженности зон генерации на частотах основного тона и первого обертона молекул НР отличаются незначительно;

- амплитуда искажений волнового фронта при средних значениях давления на срезе сопловой решётки 3.5... 6 Тор не превышает 0.016 мкм (^/160) в расчёте на один проход луча по активной среде длиной 40 см, что свидетельствует об очень хорошем оптическом качестве формируемой активной среды;

- при направлении оптической оси вдоль высоты сопловой лопатки достигаются значения приведённой мощности и удельного энергосъёма, превышающие в 2 раза аналогичные значения, полученные при рассмотрении случая с перпендикулярным расположением сопловых лопаток относительно оптической оси.

4. Разработана численная модель импульсно-периодического НР-НХЛ, описывающая динамику развития коротких импульсов (<50 не) с учётом неравновесного распределения энергии по вращательным уровням молекул НР, где для определения газодинамических параметров активной среды решается система трехмерных уравнений газовой динамики.

5. В рамках разработанной численной модели импульсно-периодического НР-НХЛ при использовании топливной композиции (СБг, №3, Не) / (Н2, Не) выполнено теоретическое исследование параметров генерации данного лазера с соплами типа НУЬТЕ при уровнях давления в активной среде 2...6 Тор, показавшее, что при оптимальных параметрах зеркал резонатора могут быть получены импульсы с длительностью 20-30 не и пиковой мощностью, превышающей на два порядка соответствующие значения, достигнутые в непрерывном режиме генерации.

Личный вклад соискателя

1. Разработаны численные алгоритмы и созданы соответствующие расчётные программы, моделирующие в трехмерной постановке физико-химические процессы в активной среде фтороводородных химических лазеров, генерирующих излучение в непрерывном и импульсно-периодическом режиме. Для описания данных процессов использовалась численная модель, базирующаяся на системе уравнений Навье-Стокса, которая дополнялась кинетическими моделями процессов химической накачки, колебательной релаксации и колебательного обмена активных молекул (НР или БР), а также условием квазистационарной генерации в полости плоскопараллельного резонатора Фабри-Перо.

2. Указанные расчётные программы использовались соискателем для проведения теоретического исследования удельных энергетических характеристик БР-НХЛ с зубчатыми соплами; НР-НХЛ с соплами НУЬТЕ, генерирующего излучение на частотах основного тона и первого обертона молекулы НР; импульсно-периодического НР-НХЛ с соплами типа НУЬТЕ.

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением апробированной физико-математической модели, описывающей в трехмерной постановке основные процессы в соплах и активной среде фтороводородных НХЛ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты разработки численной модели расчёта удельных энергетических характеристик фтороводородных непрерывных химических лазеров (НХЛ), для формирования активной среды которых используются сопловые решётки перспективных конфигураций (зубчатые, НУЬТЕ и др.), обеспечивающие интенсификацию процессов смешения исходных реагентов.

2. Результаты теоретического исследования характеристик БР-НХЛ с сопловой решёткой зубчатой конфигурации:

- по сравнению с традиционными щелевыми соплами использование в сопловой решётке зубчатых сопел позволяет повысить значения приведённой мощности и удельного энергосъёма не менее чем в 1.5 раза при повышенных уровнях давления в активной среде (10-20 Тор), что соответствует более благоприятным условиям для выхлопа отработанных газов в окружающую атмосферу.

3. Возможность достижения хорошего оптического качества активной среды НР-НХЛ с соплами НУЬТЕ, реализующими смешение путем поперечного впрыска в поток окислителя дискретных струй вторичного горючего.

4. Возможность повышения в 2 раза удельных энергетических характеристик НР-НХЛ с соплами НУЬТЕ при расположении сопловых лопаток параллельно оптической оси резонатора по сравнению с более традиционным вариантом, когда направления сопловых лопаток и оптической оси перпендикулярны.

5. Результаты теоретического исследования энергетических параметров непрерывного и импульсно-периодического НР-НХЛ с соплами типа НУЬТЕ, имеющими узкую донную область (3 мм).

Практическая значимость исследования

Результаты, полученные соискателем, могут быть использованы при разработке фтороводородных HXJI различного базирования, обладающих повышенными удельными энергетическими характеристиками, как для специальных применений, так и для решения ряда научных и практических задач (исследование прохождения излучения в различных регионах на разных высотах, дистанционный мониторинг состава атмосферы).

Апробация результатов исследования

Результаты исследований, отраженные в диссертации, на разных этапах работы докладывались на:

- международной конференции «International Conference on Lasers, Applications and Technologies» (LAT-2010), г. Казань, август, 2010 г.

- международной конференции «Актуальные направления развития прикладной математики в энергетике, энергоэффективности и информационно-коммуникационных технологиях», МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, 27 октября 2010г.

- конференции «Инновации в авиации и космонавтике-2011», МАИ, г. Москва, 27 апреля 2011г.

Список публикаций соискателя

1. Башкин A.C., Гуров JI.B., Каторгин Б.И., Петрова С.Н., Полиновский Д.В. О возможности получения в автономном непрерывном химическом лазере одновременной генерации излучения в двух спектральных диапазонах на молекулах HF и DF // Квантовая электроника. - 2008. - Т. 38. - № 5. - С. 429 - 435.

2. Башкин A.C., Гуров Л.В. Расчёт энергетических характеристик DF-HXJI с сопловой решёткой зубчатого типа на основе трехмерной системы уравнений Навье-Стокса // Труды НПО Энергомаш. - 2010. - № 27. - С. 331 - 349.

3. Башкин A.C., Гуров JI.B. Модель расчёта удельных энергетических характеристик непрерывного химического DF-лазера с учётом интенсификации процессов смешения реагентов в активной среде // Актуальные направления развития приклад-

ной математики в энергетике, энергоэффективности и информационно-коммуникационных технологиях. Сборник трудов. - 2010. - С. 265 - 269.

4. Bashkin A.S., Gurov L.V. A numerical study of cw chemical DF laser performance with ramp nozzle array // Proc. SPIE. - 2010. - V. 7994. - P.l - 7.

5. Гуров JI.В. Энергетические возможности автономного непрерывного химического лазера на молекулах HF с сопловой решёткой типа HYLTE // Научно-практическая конференция студентов и молодых учёных МАИ «Инновации в авиации и космонавтике-2011». Сборник тезисов докладов. -2011.-С. 100-101.

6. Башкин A.C., Гуров Л.В., Курдюков М.В. Численное моделирование процессов в активной среде непрерывного химического лазера на молекулах HF с сопловой решёткой типа HYLTE // Материалы XVII международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2011), 25-31 мая 2011 г, Алушта. - 2011. - С. 487 - 489.

7. Башкин A.C., Гуров Л.В., Курдюков М.В. Расчетное исследование возможности повышения энергетических характеристик автономного DF-НХЛ при замене щелевой конфигурации его сопловой решётки на зубчатую // Квантовая электроника. - 2011. - Т. 41. - № 8. - С. 697 - 702.

8. Башкин A.C., Гуров Л.В., Курдюков М.В. О некоторых результатах расчётного исследования параметров HF-HXJI с соплами HYLTE // Труды НПО Энергомаш. -2011.-№28.-С. 302-317.

9. Гуров Л.В. О некоторых результатах расчёта параметров коротких импульсов излучения, формируемых в активной среде непрерывных химических HF-лазеров с соплами типа HYLTE // Труды МАИ. - 2012. - № 59. - С. 1 - 15.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 4 глав и заключения. Общий объём диссертации -114 страниц. Работа содержит 10 таблиц, 38 рисунков и список литературы из 106 наименований.

Содержание диссертации

В обзоре литературных источников рассматриваются и анализируются основные работы, касающиеся численного моделирования процессов в газодинамическом

тракте фтороводородных НХЛ. Обозначены этапы развития моделей и подходов к описанию течения в соплах и активной среде НХЛ, начиная от простых одномерных моделей и заканчивая трехмерными моделями. Отдельно рассматриваются экспериментальные работы по исследованию параметров активной среды и энергетических характеристик НР(БР)-НХЛ, в которых для формирования активной среды вместо традиционных щелевых сопел в сопловой решётке предлагалось использовать альтернативные конфигурации сопел, способствующие интенсификации процессов смешения потоков окислителя и вторичного горючего. Также приводится краткий обзор работ по НР-НХЛ с генерацией в импульсно-периодическом режиме.

В главе 1 описывается подход к моделированию процессов в соплах и активной среде НР(БР)-НХЛ в трехмерной постановке, подразумевающий численное решение системы трехмерных уравнений газовой динамики (уравнений переноса импульса, уравнения переноса энергии и уравнений переноса концентраций компонентов газовой смеси), дополненных условием квазистационарной генерации в плоскопараллельном резонаторе. Принимая во внимание существенную трудоемкость реализации соответствующих численных алгоритмов для совместного решения указанных уравнений, предлагается разделить их численное решение на два последовательных этапа, где первый этап представляет собой решение уравнений газовой динамики (без учёта процессов вынужденного излучения) с использованием готового СРБ-пакета. В случае непрерывного режима генерации излучения основным допущением предлагаемого подхода является пренебрежение эффектами, обусловленными наличием процессов вынужденного излучения в активной среде, находящейся в полости резонатора, при решении уравнения переноса энергии газовой смеси. Приведены результаты тестовых расчётов, показавшие, что пренебрежение указанными эффектами не вносит существенной погрешности в расчёт удельных энергетических характеристик НХЛ. Применительно к импульсно-периодическому НР-НХЛ, в данной главе также приводится численная модель, описывающая развитие коротких импульсов (с длительностью менее 50 не) в активной среде, помещённой в резонатор с модулированной добротностью.

Глава 2 посвящена сравнительному расчётному анализу БР-НХЛ, в котором для формирования активной среды предлагается использовать сопловые решётки зубчатой конфигурации. На примере рассмотрения зубчатых и щелевых сопел иссле-

дуется влияние интенсификации смешения потоков окислителя и вторичного горючего на приведённую мощность лазерного излучения, удельный энергосъём, распределение интенсивности излучения по апертуре на выходе из резонатора и протяженность лазерной зоны при различных уровнях давления в активной среде (7-20 Тор). Проводится верификация кинетической модели процессов в активной среде БР-НХЛ путем сравнения значений коэффициента усиления слабого сигнала на различных колебательно-вращательных переходах молекулы БР(у), полученных в расчёте и ранее опубликованной экспериментальной работе.

В главе 3 проводится параметрическое исследование НР-НХЛ с соплами НУЪТЕ при различном положении сопловых лопаток относительно оптической оси. Рассматриваются случаи получения генерации на частотах основного тона и первого обертона молекулы НР(у). Проводится верификация кинетической модели процессов в активной среде НР-НХЛ путем сравнения значений приведённой мощности, которые были получены в расчёте и ранее опубликованной экспериментальной работе. Исследуется влияние положения сопловых лопаток относительно оптической оси резонатора на удельные энергетические характеристики, распределение интенсивности излучения по апертуре на выходе из резонатора и амплитуду искажений волнового фронта.

Глава 4 посвящена исследованию НР-НХЛ, в котором реализован импульсно-периодический режим генерации. Рассматриваются случаи генерации импульсов с длительностью менее 50 не. На примере сопел НУЬТЕ и обычных щелевых сопел исследуется влияние интенсификации смешения на усилительные свойства активной среды, пиковую мощность, энергию и длительность импульса при давлениях в активной среде 2-6 Тор. Проводится сопоставление полученных значений удельных энергетических параметров с результатами, соответствующими непрерывному режиму генерации.

Обзор литературы

Целью моделирования НХЛ является получение информации о параметрах на всём протяжении его газодинамического тракта (камера сгорания, сопла и полость резонатора), что в свою очередь подразумевает учёт характерных физико-химических процессов при создании математических моделей. Ключевой задачей при этом является описание течения в активной среде, находящейся в полости оптического резонатора. Именно решение данной задачи и позволяет в результате оценить удельные энергетические характеристики НХЛ.

Ниже приведён краткий обзор литературных источников, в которых с различной степенью детализации проводилось численное моделирование НХЛ. Как правило, большинство работ в данном направлении ограничивалось двухмерной постановкой задачи и, соответственно, рассмотрением сопловой решётки щелевой конфигурации, что обуславливалось ограниченными вычислительными мощностями. Для более полного представления об исследованиях параметров фтороводородных НХЛ, в которых рассматривались сопловые решётки альтернативных конфигураций (в том числе состоящие из зубчатых сопел или сопел НУЬТЕ) также приведён отдельный обзор соответствующих экспериментальных работ.

Обзор работ по расчётным исследованиям параметров ІЩОБ^-НХЛ

Первой широко известной моделью расчёта газодинамических параметров активной среды, а также энергетических характеристик НР-НХЛ, была модель мгновенного смешения [17,18], опубликованная в 1971 году. Газодинамическая задача смешения струй здесь была сведена к одномерному описанию течения сверхзвукового потока с тепловыделением в результате химической реакции и с учётом взаимодействия с полем резонансного излучения. Полагалось, что генерация излучения происходит в полости плоскопараллельного резонатора Фабри-Перо. Модели подобного класса являются наименее затратными по времени, однако они не способны описать реальный процесс перемешивания сверхзвуковых струй, формирующий активную среду и в значительной степени определяющий энергетические характеристики НХЛ.

Одной из первых попыток описания процессов перемешивания струй при формировании активной среды НХЛ стала разработка квазиодномерных моделей типа фронта пламени. Первые работы здесь представляли собой аналитические модели

процессов с упрощённой колебательной кинетикой и двухуровневой моделью излучающей молекулы [19,20,21]. В работах [19,20] аналитическое описание течения в активной среде HXJI основывалось на ряде упрощающих предположений. Так, считалось, что ламинарное перемешивание двух полубесконечных струй окислителя и вторичного горючего протекает в тонком слое, называемом фронтом пламени, при этом скорость образования активных молекул определялась взаимной диффузией потоков. В работе [19] расчётное исследование HXJI ограничивалось оценкой усилительных свойств активной среды и значений интенсивности насыщения. Этими же авторами в [20] была рассмотрена аналогичная задача, где также учитывалось взаимодействие активной среды с полем резонансного излучения.

По сравнению с [19,20,21], в [22] была предложена более совершенная модель фронта пламени, где двухуровневая модель излучающей молекулы была заменена моделью с произвольным числом уровней. Аналогичные модели типа фронта пламени получили своё развитие в работах Степанова A.A., Щеглова В.А. и др. [23,24,25]. В них полагалось, что горение происходит в узкой зоне, отделённой от зон непрореа-гировавшего газа поверхностью фронта пламени. Данные модели позволили качественно проследить основные зависимости параметров HF-HXJI.

Следует отметить, что подобным квазиодномерным моделям присуща незамкнутость, поскольку диффузионная длина смешения должна определяться из дополнительных условий. Отсюда их применимость возможна лишь после соответствующей настройки по результатам экспериментов или более строгих расчётов [26]. Подобные модели представляются удобными для расчётов сложной модовой структуры поля излучения в двухмерных или трехмерных резонаторах, когда затраты на расчёты газодинамических параметров в их полости минимальны [27]. Однако для детального описания смешивающихся струй, где существенна неоднородность температуры, концентраций газовых компонент и скорости в поперечном сечении истекающего потока, подобные модели неприменимы.

Дальнейшим шагом на пути совершенствования расчётных моделей была разработка двухмерных моделей течения, основанных на параболизованных уравнениях Навье-Стокса в приближении узкого канала (уравнениях пограничного слоя). В отличие от полных уравнений Навье-Стокса, в параболизованных уравнениях пренебрега-ется членами, описывающими диффузионные потоки вдоль продольной координаты

[28], что дает возможность при их решении использовать маршевые алгоритмы [29]. При расчёте течения в полости резонатора в качестве граничных условий для данных уравнений задаются газодинамические параметры (давление, распределения скорости, температуры и концентраций компонентов смеси), соответствующие значениям на срезе сопел окислителя и вторичного горючего. Данные газодинамические параметры, в свою очередь, могут быть определены из расчёта одномерного невязкого течения, либо также с использованием приближения узкого канала.

Двухмерные модели на основе параболизованных уравнений Навье-Стокса в приближении узкого канала легли в основу программ LAMP [30,31] (разработка фирмы Lockheed Missiles and Space) и MIXLAS [32] (разработка United Technologies Research Center), где при расчёте энергетики HXJI рассматривался плоскопараллельный резонатор Фабри-Перо. Аналогичная модель использовалась в работах Степанова А.А., Щеглова В.А., Александрова Б.П. и др., где проводились параметрические исследования HF-ИХЛ [33], DF-НХЛ [34], DF-C02-HXH [35] и НХЛ с генерацией на первом обертоне молекулы HF [15].

В работе [36] модель узкого канала использовалась в рамках сравнения наиболее известных кинетических моделей процессов в активной среде фтороводородных НХЛ [37,38,39,40], включающих в себя константы скоростей химической накачки, колебательной релаксации и колебательного обмена молекул HF и DF. Хотя сравнения с экспериментальными данными по энергетике в данной работе не проводились, результаты проведённых расчётов позволили получить представление о том, насколько выбор той или иной кинетической модели влияет на усилительные свойства активной среды и удельные энергетические характеристики HF- и DF-НХЛ.

Основным ограничением параболизованных двухмерных уравнений Навье-Стокса в приближении узкого канала является пренебрежение градиентом давления в поперечном направлении потока. Это делает невозможным использование данных уравнений для моделирования рециркуляционные течений за донной областью сопел, а также ударно-волновых процессов, которые обусловлены нерасчётным режимом истечения струй окислителя и вторичного горючего.

Последующее создание численных алгоритмов, основанных на решении полных уравнений Навье-Стокса (в двухмерной постановке задачи), позволило исключить все отмеченные недостатки приближения узкого канала. Алгоритм, основанный

на решении нестационарных уравнений Навье-Стокса методом конечных разностей, где была использована явная разностная схема с расщеплением по времени, был реализован в [41,42], где путем сопряженного моделирования течения в щелевых соплах и полости плоскопараллельного резонатора исследовались параметры БР-НХЛ. Более иллюстративно результаты аналогичных исследований были отражены в [43].

В РНЦ «Прикладная химия» Лапиным Ю.В., Стрельцом М.Х. и Шуром М.Л. также была создана модель расчёта параметров активной среды НР(БР)-НХЛ на основе полных двухмерных уравнений Навье-Стокса [44,45]. Для численного интегрирования уравнений использовался многошаговый неявный конечно-разностный метод с расщеплением дифференциальных операторов по пространственным направлениям и физическим процессам, разработанный Ковеня М.В. иЯненко Н.Н. [29]. В дальнейшем эта модель была усовершенствована [46,47,48,49], что позволило, как и в [43], проводить сопряженный расчёт параметров в соплах и полости резонатора, учитывая тем самым обратное влияние процессов в области смешения на потоки в сверхзвуковых частях сопел. Полученная модель легла в основу исследований параметров НХЛ с генерацией на основном тоне и первом обертоне молекулы НР, результаты которых были отражены в [50, 51, 52]. Аналогичная модель была реализована в «НПО Энергомаш» Александровым Б.П. в рамках исследований принципиальной возможности получения одновременной эффективной генерации в НХЛ на молекулах НР и ЭР [53], а также на молекулах НР и НВг [54]. Кроме этого, в [55] были исследованы параметры БР-НХЛ при различных степенях разбавления потока вторичного горючего (Б2) гелием.

Первые результаты трехмерного моделирования процессов в активной среде НХЛ были представлены в 1992 году в работе [56], где был рассмотрен НР-НХЛ, для формирования активной среды которого использовалось моносопло НУЬТЕ. Расчёт полей газодинамических параметров и концентраций компонентов смеси осуществлялся с использованием метода Монте-Карло без учёта процессов вынужденного излучения (режим усиления). Развитие данной расчётной модели до возможности учета процессов вынужденного излучения в полости резонатора и, соответственно расчёта удельных энергетических характеристик не последовало, что, возможно, объяснялось на тот момент большой длительностью одного проведенного расчёта (3 недели). Вместо этого в [57,58] был предложен подход, основанный на представлении сопла

HYLTE в виде набора эквивалентных щелевых сопел, в которых бы максимально выдерживались все основные размеры сопла HYLTE (степень расширения, площадь критических сечений и т.п.). Интенсификация процессов смешения при этом моделировалась путем увеличения коэффициента ламинарной диффузии отдельных компонент газовой смеси, что было предложено ещё в [31] применительно к соплам с «трипсами». Попытка представить сопло HYLTE в виде набора щелевых сопел при решении двухмерных уравнений Навье-Стокса в приближении узкого канала также была предпринята в [59].

Серия работ по численному моделированию процессов в активной среде, формируемой соплами HYLTE, а также соплами с «трипсами» (рисунок 2а) была проведена в Китае в рамках проектирования генератора активной среды для DF-HXJI. В данных расчётах использовалась программный пакет FLUENT, позволяющий моделировать течение многокомпонентной химически реагирующей смеси, что достаточно для рассмотрения HXJI, работающего в режиме усиления, но не достаточно для моделирования процессов вынужденного излучения. Среди многочисленных работ, вышедших в большинстве своем лишь на китайском языке, можно отметить [60], где исследовались принципиальные особенности поля течения в активной среде DF-HXJI с соплами HYLTE. Примечательны также работы по исследованию влияния давления впрыскиваемых струй вторичного горючего [61], и угла впрыска вторичного горючего [62] на поле давления в активной среде. В работе [63] были приведены результаты расчёта коэффициента усиления слабого сигнала DF-C02-HXJI с соплами HYLTE. Аналогичные исследования усилительных свойств DF-HXJI проводились в [64], где рассматривались сопла с «трипсами» и обычные щелевые сопла.

По состоянию на 2012 год в Китае было защищено 3 диссертации по трехмерному моделированию течения в соплах и активной среде DF-HXJI [65,66,67], однако все данные расчёты рассматривали либо течение холодной смеси (без учета химического взаимодействия компонентов), либо режим усиления (с учётом химических реакций, но без учёта генерации излучения).

Обзор работ по экспериментальным исследованиям параметров 1ЩБР)-НХЛ с сопловыми решётками, реализующими интенсификацию процессов смешения реагентов

Рассматриваемые в данном подразделе варианты конфигурации сопловой решётки были изначально разработаны для использования в БР-НХЛ наземного (или авиационного) базирования, где для обеспечения выхлопа отработанных компонентов в окружающую атмосферу оказалось необходимым повышение плотности массового расхода реагентов /и0 / 5 до значений, соответствующих уровню давления в активной среде порядка 10 Тор.

Одной из первых работ, где была продемонстрирована практическая возможность повышения удельных энергетических характеристик НХЛ за счёт внесения возмущений в истекающие из сверхзвуковых сопел струи окислителя и вторичного горючего является работа [68]. В данной работе в качестве альтернативы обычным щелевым соплам в конструкции генератора активной среды был предложен модифицированный вариант щелевых сопел с дополнительными струйными инжекторами, через которые подаются «турбулизирующие» струи гелия (рисунок 2а). В России данный тип сопел известен как: сопла с «трипсами».

В экспериментах, проведённых в [68], был рассмотрен вариант генератора активной среды БР-НХЛ с сопловой решёткой «СЬ-Х1», имеющей поперечные размеры 3.5 см х 10 см. Для получения атомарного фтора в камере сгорания использовалась топливная композиция на основе С2Н2 (или С2Н4) и (или №3). Расходы компонентов подбирались таким образом, чтобы на срезе сопловой решётки среднее давление в потоках составляло около 10 Тор.

Согласно проведённым измерениям, значения мощности излучения, полученные в случаях возмущенного и невозмущенного (при отсутствии подаваемых «турбу-лизирующих» струй) потока в активной среде, истекающего из рассмотренной сопловой решётки, отличались в среднем в 1.8 раза. Наибольшее полученное значение удельного энергосъёма, однако, оставалось относительно невысоким из-за больших значений плотности массового расхода рабочих компонентов (порядка 2 г/(см2-сек)) и составляло здесь около 90 Дж/г.

Приведённые в [68] результаты были получены в случае достаточно мелких значений шага сопел (0.3-0.4 см) в сопловой решётке. Влияние увеличения шага сопел (вплоть до 0.7 см) было рассмотрено авторами в работе [69]. Полученные результаты показали достаточно слабую чувствительность мощности излучения БР-НХЛ к размеру шага сопел во всем рассмотренном диапазоне (0.3.. .0.7 см).

В работе [70] сопловая решётка «СЬ-Х1» с шагом сопел 0.4 см была использована при исследовании динамики смешения компонентов в активной среде ВБ-ИХЛ, работающего в режиме усилителя. Для получения атомарного фтора в камере сгорания использовалась топливная композиция на основе С2Н4 и №3. Рассматривались варианты формирования активной среды, отличающиеся значением плотности суммарного массового расхода компонентов, лежащей в диапазоне от 1.5 до 2.5 г/(см2-сек), и значением обезразмеренной (нормированной на значение плотности суммарного массового расхода) плотности массового расхода впрыскиваемых струй гелия, лежащей в диапазоне от 0 до 0.04. Было отмечено, что в случае впрыска струй гелия, длина зоны перемешивания составила всего лишь порядка 1 см, в то время как при отсутствии их подачи (случай обычной щелевой сопловой решётки) длина зоны оказалась почти в 5 раз больше.

Исследованиям параметров в активной среде, формируемой соплами с «трип-сами» была также посвящена работа [71]. В данной работе с помощью эффекта Доп- . лера проводились лазерные измерения усредненной и пульсационной (порождаемой турбулентностью) составляющей скорости на различных расстояниях от среза сопловой решётки. Данные измерения проводились с целью подтверждения (или опровержения) гипотезы о переходе от ламинарного режима течения в активной среде к турбулентному при впрыске струй гелия через инжекторы. Для проведения измерений была специально изготовлена небольшая сопловая решётка «В СЬ-10» размером 1.27 см х 1.27 см и шагом сопел 0.35 см. В проводимых экспериментах через сопла и инжекторы подавался азот с температурой 20°С. Суммарный массовый расход азота, отнесённый к площади среза сопловой решётки, составлял ~4 г/(см2 • сек). Анализ результатов измерений показал, что общий уровень турбулентных пульсаций в сверхзвуковых потоках как при наличии, так и при отсутствии подаваемых через инжекторы струй невелик. Так, по сравнению с осредненной составляющей скорости потока азота в продольном направлении, значение которой составляло порядка 700 м/с, зна-

чение пульсационной оказалась почти в 10 раз меньше. Подобное отличие в значениях составляющих скорости, свидетельствующее о малом влиянии турбулентности на скорость перемешивания компонентов, ставит под сомнение корректность использования термина «турбулизирующая струя», что также было отмечено в [72].

В работе [72] применительно к соплам с «трипсами» начинает развиваться гипотеза деформированного потока, в соответствии с которой подаваемые через инжекторы струи гелия деформируют поверхность контакта потоков окислителя и вторичного горючего, увеличивая ее площадь, что, естественно, должно способствовать увеличению скорости смешения. Предполагается, что эти струи создают вторичное течение, которое приводит к растяжению контактной поверхности между потоками реагентов (рисунок 3).

___________________г ста

Рисунок 3 - Структура поля течения за сопловой решёткой, состоящей из сопел с «трипсами»

Несмотря на кажущиеся достоинства сопел с «трипсами» по сравнению с обычными щелевыми соплами, в [73] были впервые указаны существенные недостатки сопловой решётки, состоящей из таких сопел. Основной отмеченный недостаток заключался в достаточно сложной (и дорогостоящей) технологии их изготовления. Приняв во внимание этот недостаток, в данной работе авторы предложили альтерна-

Вторичное горючее

тивный вариант конфигурации сопловой решётки, состоящей из, так называемых, зубчатых сопел (рисунок 2т). По сравнению с соплами с «трипсами», увеличение поверхности смешения реагентов происходит здесь за счёт внесения в конструкции обычных щелевых сопел выступов («зубьев»), которые начинаются за критическим сечением каждого сопла и простираются до среза, постепенно увеличиваясь по высоте.

Проведенные в работе [73] эксперименты по исследованию параметров активной среды, формируемой зубчатыми соплами, состояли из двух частей. В первой части экспериментов, которые были направлены на качественное исследование динамики смешения сверхзвуковых потоков, была использована небольшая сопловая решётка «ВСЬ-18» размером 1.27 см х 1.78 см и шагом сопел 0.7 см. В качестве рабочего газа в данных экспериментах использовался инертный газ - гелий. Были рассмотрены два случая, один их которых соответствовал высокому давлению (10 Тор) в потоках на срезе сопловой решётки, а второй низкому давлению (3 Тор). Визуализация течения в различных сечениях, перпендикулярных направлению потока, позволила выявить влияние толщины пограничного слоя на срезе сопел, которая определяется числом Рейнольдса (массовым расходом компонентов), на скорость проникновения вторичного горючего в ядро потока окислителя. Так, с уменьшением давления с 10 Тор до 3 Тор толщина пограничного слоя на срезе сопел увеличилась почти в 2 раза, в результате чего более заметным оказался вклад сил внутреннего трения в газовой смеси при смешении потоков. Измерения здесь показали, что проникновение вторичного горючего в ядро потока окислителя наблюдается на расстоянии около 1.2 см от среза сопловой решётки, в то время как при высоком давлении данное расстояние составляло 0.9 см.

Во второй части экспериментов [73], где рассматривалась активная среда БР-НХЛ, проводилось сравнение длин зон перемешивания, получаемых при рассмотрении сопел с «трипсами», а также щелевых и зубчатых сопел. Для проведения данного исследования была выбрана сопловая решётка «ВСЬ-10», ранее использованная в [71] и состоящая из сопел с «трипсами». В одно из сопел окислителя для изменения его конфигурации на зубчатую были внесены выступы. Остальные сопла в данной решётке были оставлены без изменений. Для получения атомарного фтора в камере сгорания использовалась топливная композиция на основе С2Н4 и при этом поток

вторичного горючего представлял собой смесь Не и 02. Плотность суммарного массового расхода составляла 2 г/(см2 • сек), а давление на срезе сопловой решётки - около 10 Тор. Результаты показали, что из всех трех рассмотренных конфигураций зубчатые сопла обеспечили наиболее быстрое проникновение потока вторичного горючего в ядро потока окислителя. Это хорошо видно на рисунке 4, где светлым тоном обозначена область, где потоки окислителя и вторичного горючего перемешались и прореагировали. В случае зубчатого сопла протекание химических реакций вдоль всей его высоты наблюдалось уже на расстоянии 0.8 см от среза сопловой решётки. Довольно близкое значение (1 см) было получено для сопел с «трипсами». В случае же обычных щелевых сопел (отсутствия подачи гелия через инжекторы между соплами) поток вторичного горючего смог продиффундировать в ядро потока окислителя лишь на расстоянии 5 см от среза сопловой решётки. Последние два результата хорошо согласуются с результатами, полученными в [70].

Рисунок 4 - Визуализация зон протекания химических реакций в активной среде БР-НХЛ, формируемой с помощью щелевой сопловой решетки с одним зубчатым соплом окислителя при отсутствии (а) и при наличии (б) струй гелия, впрыскиваемых через инжекторы [73]

Сравнение усилительных свойств активной среды БР-НХЛ, формируемой зубчатыми, щелевыми соплами и соплами с «трипсами» проводилось в [13]. В данной работе также был предложен ещё один вариант конструкционного исполнения сопловой решётки, позволяющей интенсифицировать смешение в активной среде и представляющей собой набор дефлекторных сопел (рисунок 2в).

Шаг сопел во всех рассмотренных сопловых решётках, за исключением зубчатой, составлял 3,35 мм. В случае же зубчатой сопловой решётки шаг сопел составлял 5,46 мм. Как и в [73], в данной работе в камере сгорания была использована топливная композиция на основе С2Н4 и а поток вторичного горючего представлял собой смесь Т>2 и Не. Давление на срезе сопловой решётки составляло около 11 Тор. Измерения значений коэффициента усиления слабого сигнала в активной среде приводились для трёх колебательно-вращательных переходов молекулы ББ - Р2(6), Р2(8) и Рз(7). Анализ результатов здесь показал следующее:

1) Наличие впрыскиваемых струй гелия (в соплах с «трипсами») позволило повысить значение коэффициента усиления слабого сигнала почти в 5 раз по сравнению с вариантом, где струи гелия через инжекторы вообще не подавались (случай обычных щелевых сопел).

2) Длина зоны усиления в случае использования дефлекторных и зубчатых сопел оказалась в среднем в 1.5 раза меньше по сравнению с использованием сопел с «трипсами», где она составила около 3 см. Максимальные значения коэффициента усиления слабого сигнала на рассмотренных колебательно-вращательных переходах молекулы ББ отличались при этом незначительно.

Некоторый проигрыш зубчатых сопел соплам с «трипсами» по усилительным свойствам активной среды возможно объясняется здесь увеличенным шагом сопел и, соответственно, увеличенным периодом вносимых в поток возмущений, из-за чего смешение реагентов могло оказаться менее однородным по сравнению с другими сопловыми решётками, где шаг сопел был в 1.6 раза меньше.

HF-HXJI

В начале 80-х годов в США были начаты работы, которые были направлены на проектирование крупномасштабного генератора активной среды (ГАС) для HF-HXJI космического базирования. Учитывая специфику использования HXJI в космосе, когда при ограниченном запасе топлива необходимо обеспечить как можно более длительную работу лазера, важной задачей при проектировании ГАС является достижение помимо высокой мощности излучения также высоких значений удельного энергосъёма, что возможно лишь при подаче рабочих компонентов с пониженной плотностью массового расхода. Возможность повышения привёденной мощности за счёт использования сопел с «трипсами» вместо обычных щелевых сопел на тот момент уже была продемонстрирована. Однако, как было ранее отмечено, данные сопла были изначально оптимизированы для подачи компонентов с высокими значениями плотности массового расхода. Как показали эксперименты из работы [69], в подобных условиях достижение высоких значений удельного энергосъёма оказалось невозможным. В свою очередь, подача рабочих компонентов с пониженной плотностью массового расхода через сопла подобных размеров приведёт к существенному росту степени влияния вязких эффектов при течении газа в них, поскольку число Рейнольдса будет принимать здесь малые значения (от -100 до ~1000). Соответственно, пограничный слой будет занимать все большую часть поперечного сечения сопел, что приведет к уменьшению эффективной степени расширения потоков в соплах и росту потерь атомов фтора в результате их рекомбинации на стенках.

Поиски компромиссного технического решения, в котором бы удалось в случаях низкой плотности массового расхода рабочих компонентов решить задачи уменьшения масштаба смешения и снижения роли вязких эффектов, привели к появлению в 1980 году патента [74] на конструкцию сопловой решетки с так называемым потоком от источника (Hypersonic Wedge Nozzle - HYWN). Схема организации потоков в подобной сопловой решётке представлена на рисунке 5. По сравнению с рассмотренными ранее сопловыми решётками, используемыми в DF-HXJI, в данной решетке подача окислительного газа осуществляется через сверхзвуковые сопла большой размерности (с шириной среза до 4 см). Для сравнения, наибольшая ширина среза сопла окислителя, рассмотренная в [74] в рамках исследования влияния шага сопел на энергетические характеристики DF-HXJI, была 0.3 см.

Подача вторичного горючего осуществлялась за срезом сопел окислителя через отверстия в навесных инжекторах, имеющих форму клиновидных лопаток. Данные инжектора располагаются поперек окислительного потока с малым шагом и устанавливаются острым краем навстречу сверхзвуковому потоку окислителя, причем ребро лопаток лежит в плоскости расширения окислительного потока. К преимуществам данной схемы сопловой решетки относятся эффективное смешение потоков за счет малого шага между лопатками вторичного горючего, малые потери тепла и полного давления из-за снижения вязких эффектов в соплах окислителя большого размера и уменьшение скорости рекомбинации атомарного фтора. Кроме того, идея использования широких донных областей в таких соплах способствует снижению роста температуры и давления в расширяющемся потоке активной среды. К недостатку такой схемы можно отнести негативное влияние на окислительный поток клиновидных инжекторов.

В соплах НУЬТЕ [14], спроектированных позже, получили свое развитие идеи, заложенные в основу конструкции сопел с «трипсами» и сопел с потоком от источника. Действительно, в сопле НУЬТЕ (рисунок 26) исключено негативное влияние клиновидных инжекторов на окислительный поток в сопле от источника за счет введения в сопловой лопатке каждого сопла окислителя в его сверхзвуковой части системы мелкомасштабных конических сверхзвуковых сопел, расположенных вдоль высоты

лопаток. Эти сопла формируют разделенные в пространстве потоки буферного газа (гелия) и вторичного горючего.

Струи гелия и вторичного горючего впрыскиваются в крупноразмерное сопло окислителя под небольшим углом к оси сопла окислителя, причем струи гелия впрыскиваются несколько выше по потоку окислителя, чем струи вторичного горючего. Вторичное горючее впрыскивается в поток окислителя в непосредственной близости от среза щелевого сопла окислителя, поэтому впрыскиваемый гелий здесь играет роль нейтральной газовой завесы. Такая завеса предотвращает мгновенную наработку активных молекул прямо в сопле окислителя, при быстрой колебательной релаксации которых усилительные свойства активной среды в области резонатора могут заметно ухудшиться.

После появившихся сообщений [75] о практической возможности получения эффективной генерации на первом обертоне молекулы сопло НУЬТЕ и сопло с потоком от источника были выбраны в качестве основных кандидатов для использования в генераторе активной среды НР-НХЛ с обертонной генерацией [76]. Предварительные исследования усилительных свойств активной среды показали, что значение коэффициента усиления слабого сигнала на обертонных переходах молекулы НБ почти в 30 раз меньше по сравнению со значением коэффициента усиления на основных переходах. Обеспечить эффективную генерацию на обертонных переходах в подобных условиях возможно лишь при использовании в резонаторе зеркал с селективным отражением, где генерация на основном тоне будет подавляться за счёт малости коэффициента отражения зеркал в соответствующем спектральном диапазоне (рисунок 6). В этом случае превышение порогового значения коэффициента усиления на основном тоне оказывается невозможным, и генерация на данном тоне не произойдёт. Отметим здесь, что изготовление подобных зеркал с селективным отражением стало возможным благодаря развитию технологии диэлектрических дискриминирующих покрытий [77].

Wavelength, m 130 135 1.40

2-5 2.7 32 Wavelength, m

Рисунок 6 — Характерная зависимость коэффициента отражения от длины волны для зеркала резонатора, используемого для получения генерации на первом обертоне молекулы HF [76]

Первые эксперименты были проведены в 1985 году компанией TRW на модельном генераторе активной среды длиной 20 см и состоящем из моносопла с горизонтально расположенными лопатками относительно оптической оси [76]. Данные эксперименты продемонстрировали превосходство сопла HYLTE как в отношении полученной мощности излучения на обертоне (600 Вт против 300 Вт, полученных при использовании сопла с потоком от источника), так и в отношении эффективности преобразования в обертонную генерацию rj (35% против 24%). Несмотря на лучшие результаты по энергетическим характеристикам, полученным при использовании сопла HYLTE, примерно до начала 90-х годов все проводимые компанией TRW эксперименты, касающиеся исследования HF-HXJI с обертонной генерацией, рассматривали лишь случаи формирования активной среды соплами с потоком от источника. Параллельно с данными исследованиями проводились эксперименты, направленные на оптимизацию геометрических параметров сопла HYLTE. В ходе данных экспериментов рассматривались случаи генерации лишь на частотах основного тона молекулы HF.

Полученные результаты по исследованиям обертонной генерации и по оптимизации геометрии сопла HYLTE были систематизированы в работе [76], выпущенной в 1991 году, и в работе [78], выпущенной в 1992 году. Согласно данным работам, первые исследования возможности масштабирования лазерной установки с целью получения больших мощностей излучения на первом обертоне молекулы HF были начаты в 1986 году. Для этого были изготовлены два модуля - ZEBRA (Zenith Blue Research

Array) с горизонтальным расположением лопаток сопла окислителя относительно оптической оси (рисунок 7а) и AVM (Alpha Verification Module) с вертикальным расположением лопаток сопла окислителя относительно оптической оси (рисунок 76). В обеих конструкциях генератора активной среды использовалась одинаковая конфигурация сопла с потоком от источника с шириной среза 3 см и шагом сопел около 8 см. В конструкции модуля ZEBRA длина активной среды составляла 30 см, а в конструкции AVM - 62 см (при высоте лопаток сопел окислителя 13 см).

Рисунок 7 - Фрагменты модулей ZEBRA (а) и AVM (б)

Для проведения первой серии экспериментов был выбран модуль AVM. Здесь в камере сгорания для получения атомарного фтора использовалась топливная композиция на основе NF3 и D2 (а=1.5, v|/=12, i?L=13). Для данного соотношения компонентов в экспериментах были рассмотрены газодинамические режимы, соответствующие значению плотности массового расхода атомарного фтора, которое варьировалось в диапазоне 0.02...0.04 г/(см2 сек). Здесь стоит отметить, что для выбранной топливной композиции соответствующие значения плотности суммарного массового расхода лежат в диапазоне 0.1.. .0.2 г/(см2сек). Видно, что по сравнению с ранее рассмотренным DF-HXJI, где оптимальные значения плотности массового расхода составляли порядка 2 г/(см2-сек), данные значения оказались почти в 10 раз меньше. Это дает хорошие предпосылки для получения высоких значений удельного энергосъёма, однако из-за неудачного выбора резонаторной оптики высоких значений удельного энергосъёма достичь не удалось.

Во второй серии экспериментов, начатой в конце 1987 года, использовался модуль ZEBRA. Здесь в качестве альтернативы использования металлической подложки для нанесения дискриминирующих покрытий было предложено использовать кремниевую подложку, а сами зеркала сделать неохлаждаемыми. Использование данных зеркал позволило достичь в проводимых экспериментах желаемого результата по энергетическим характеристикам при генерации на обертонных переходах. Так, по сравнению с предыдущими экспериментами на модуле AVM, максимальное значение эффективности преобразования в обертон ц, соответствующее плотности массового расхода атомарного фтора 0.02 г/(см2-сек) (минимальному из рассмотренных значений), составило 54%. С увеличением же плотности массового расхода атомарного фтора до 0.04 г/(см2-сек) эффективность преобразования в обертон r¡ снизилась до 30%. Это снижение можно объяснить увеличением скорости колебательной релаксации молекул HF(v), которое наблюдается при повышении давления в активной среде. По сравнению с генерацией на основном тоне, влияние колебательной релаксации на значения мощности обертонного излучения сказывается сильнее из-за малости коэффициента усиления на обертонных переходах.

В начале 1991 года был проведён последний цикл экспериментов по исследованию обертонной генерации с использованием сопел с потоком от источника. Учитывая положительные результаты последних экспериментов, достигнутые благодаря использованию в резонаторе зеркал на кремниевой подложке, было решено проверить возможность использования данных зеркал для получения эффективной генерации в модуле большего масштаба по сравнению с ZEBRA. В качестве такого модуля выступил AVM. Результаты данных экспериментов показали возможность повышения эффективности преобразования в обертон r¡ за счёт увеличения длины активной среды при фиксированной плотности массового расхода. Так, при плотности массового расхода 0.04 г/(см2-сек), эффективность преобразования в обертон r¡ в модуле AVM составила 40%, в то время к в модуле ZEBRA она составляла 30%. Наибольшая полученная мощность излучения на обертонных переходах составила здесь 17 кВт, что почти в 4 раза больше по сравнению с первыми экспериментами, проведёнными на данном модуле.

В проводимых параллельно экспериментах по оптимизации геометрии сопла HYLTE использовался небольшой модуль с моносоплом окислителя, лопатки которо-

го были направлены параллельно оптической оси. Длина активной среды составляла 15 см. Идея использования широких донных областей в конструкции сопел с потоком от источника для снижения роста температуры и давления в расширяющемся потоке активной среды была воплощена и в конструкции используемого модуля. Для предотвращения возникновения рециркуляционных зон, где эффективно будет протекать колебательная релаксация молекул HF(v), донная область продувалась дозвуковым потоком гелия, что в свою очередь также обеспечивало беспрепятственное расширение истекающих из сопел сверхзвуковых потоков. Проведённые здесь эксперименты позволили определить оптимальные значения высоты среза сопла окислителя, углов впрыска струй гелия и вторичного горючего (Н2), а также шага отверстий вдоль высоты сопловой лопатки для впрыска данных компонент, при которых получаемые значения приведённой мощности на частотах основного тона молекулы HF получаются наибольшими. Последующие эксперименты [78], в которых исследовалось влияние ширины донной области на значения приведённой мощности и удельного энергосъёма, показали, что для выбранной конфигурации сопла HYLTE с шириной среза сопла окислителя 1 см оптимальные значения ширины донной области лежат в диапазоне 22.3 см. При данных размерах донной области воздействие на расширяющийся в активной среде сверхзвуковой поток со стороны граничащих стенок или соседних потоков (в случаях использовании нескольких параллельно расположенных сопел HYLTE) будет минимальным. Дальнейшее же увеличение ширины донной области приведёт к неоправданному увеличению площади среза сопловой решётки и, как следствие, к уменьшению приведённой мощности, что показали соответствующие зависимости, представленные в [78].

Оптимизированная конфигурация сопла HYLTE была выбрана для проведения новой серии экспериментов по исследованию обертонной генерации в HF-HXJI. Эти эксперименты были описаны в работах [57, 58]. Как и в случае сопел с потоком от источника, здесь были рассмотрены два модуля - HYLTE Strip Nozzle Gain Generator с горизонтальным расположением лопаток сопла окислителя относительно оптической оси (рисунок 8) и Overtone Research Advanced Chemical Laser (ORACL) с вертикальным расположением лопаток сопла окислителя относительно оптической оси (рисунок 9). В конструкции первого модуля длина активной среды составляла 40 см, а в конструкции второго - 46.2 см (при высоте лопаток сопел окислителя 15 см).

Направление истекающего потока

О Контур охлаждения камеры сгорания • Контур охлаждения дозвуковой части сопла окислителя О Контур охлаждения критической части сопла окислителя

Донные области, продуваемые гелием

Кр=3,5 см Оптическая ось

Сопла горючего

Сопло

окислителя

Рисунок 8 - Фрагмент модуля HYLTE Strip Nozzle Gain Generator

Рисунок 9 - Фрагмент модуля Overtone Research Advanced Chemical Laser (ORACL)

Первая серия экспериментов проводилась на модуле HYLTE Strip Nozzle Gain Generator. Для получения атомарного фтора в камере сгорания использовалась топливная композиция на основе NF3 и D2 (а=1.5, V)/=6, RL=16). Плотность массового расхода атомарного фтора варьировалась в диапазоне 0.01.. .0.04 г/(см2 сек). При наи-

меньшей из рассмотренных плотностей массового расхода был получен удельный энергосъём, равный 180 Дж/г, эффективность преобразования в обертон г] при этом составила 65%. В случае же максимального значения плотности массового расхода удельный энергосъём снизился до 75 Дж/г, а эффективность преобразования в обертон т] составила 35%.

Эксперименты на модуле СЖАСЬ были проведены уже в 1997 году. Результаты этих экспериментов были представлены в работе [79], однако в данной работе все основные результаты были представлены в безразмерном виде, которые не давали представления об энергетических возможностях такого лазера на количественном уровне. Новых публикаций о результатах, полученных при рассмотрении модуля СЖАСЬ, не последовало.

Влияние интенсификации процессов смешения на энергетические характеристики НР-НХЛ исследовалось в работе [80]. В указанной работе был рассмотрен случай замены щелевых сопел на сопла «НУБІМ». (рисунок 10), представляющие собой упрощенный вариант сопла НУЬТЕ. Здесь по сравнению с ранее рассмотренным вариантом сопла НУЬТЕ степень расширения сопла окислителя была существенно меньше из-за увеличенной ширины его критического сечения. Конические сопла для подачи инертного газа (Не) и вторичного горючего (Н2) были заменены на трубчатые инжекторы, через которые данные компоненты подавались в поток окислителя уже не со сверхзвуковой, а со звуковой скоростью. Ещё одним отличием от ранее рассмотренного сопла НУЬТЕ является достаточно малая ширина донной области (0.5мм), которая в данном случае гелием не продувалась.

Рисунок 10 - Фрагмент сопловой решётки, состоящей из сопел НУБІМ

В проводимых экспериментах рассматривался случай замены щелевых сопел на сопла НУБШ с неизменными значениями длины сопловых лопаток, шага сопел, длины активной среды и плотности массового расхода подаваемых компонентов. Атомарный фтор в данных экспериментах получался путем диссоциации БР6 дуговым разрядом. Результаты экспериментов показали, что переход от щелевых сопел к соплам НУБШ позволяет при фиксированной плотности массового расхода компонентов повысить мощность излучения лазера примерно в 1.6 раза как в случае генерации на основном тоне, так и в случае обертонной генерации. Формально это свидетельствует о том, что эффективность преобразования в обертон /7 не зависит от характера перемешивания потоков окислителя и вторичного горючего в активной среде.

Обзор работ по исследованию импульсно-периодического режима генерации в НР-НХЛ

По сравнению с непрерывным режимом генерации, импульсно-периодический режим во фтороводородных химических лазерах с непрерывной накачкой мало изучен. Впервые теоретически ИПР в НР-НХЛ был рассмотрен в работе [81], где проводилась оценка энергетических характеристик данного лазера при частоте модуляции добротности резонатора, равной частоте смены активной среды в зоне генерации. Течение в активной среде описывалось двухмерными уравнениями Навье-Стокса в приближении узкого канала. Для получения атомарного фтора в камере сгорания здесь была рассмотрена традиционная в НР-НХЛ топливная композиция на основе Бг и Не. В проводимых расчётах учитывалось неравновесное распределение по вращательным уровням молекулы ЭТ, что является одной из особенностей численного моделирования ИПР в НХЛ по сравнению с непрерывным режимом работы, поскольку в случае ИПР достижимы длительности импульсов до 50 не и менее, что существенно меньше времён вращательной релаксации (более 100 не). Эта работа получила своё развитие в [82], где, в отличие от [81], детально исследовалась динамика импульса излучения посредством решения дополнительных нестационарных уравнений в рамках уравнений свободной генерации излучения на каскадных переходах. При этом, однако, в данных уравнениях было сделано предположение о сохранении равновесного распределения по вращательным уровням (быстрой вращательной релаксации) молекул ОТ при генерации импульса, что, согласно [82, 83], приводит к завышенным расчётным значениям энергии импульса. В работе [84] было проведено расчётное ис-

следование ИПР, где динамика импульса описывалась аналогичными уравнениями с учётом неравновесного распределения по вращательным уровням. Здесь для получения атомарного фтора в камере сгорания был рассмотрен случай использования топливной композиции на основе CS2, NF3 и Не. По сравнению с более традиционной (D2-F2-He), данная топливная композиция не приводит к образованию в продуктах сгорания молекул DF, которые являются сильными релаксантами молекул HF(v) [40], из-за чего усилительные свойства активной среды заметно ухудшаются.

В [83] теоретически рассмотрены характеристики испульсно-периодического режима работы HF-HXJI с щелевой сопловой решёткой при частоте модуляции, превышающей частоту смены рабочего вещества в полости резонатора. В условиях, когда время возрастания добротности и частота её включения не превышают 100 не, максимальная интенсивности излучения оказалась в 20...28 раз больше, чем в непрерывном режиме.

В РНЦ «Прикладная химия» было проведено расчётно-теоретическое [85] и экспериментальное [86] исследование импульсно-периодического режима, где был рассмотрен HF-HXJI на базе генератора активной среды МГ5.Э.727-475 конструкции «НПО Энергомаш» с мощностью излучения в непрерывном режиме 8кВт. Эксперименты показали, что средняя мощность в импульсно-периодическом режиме ниже, чем мощность непрерывного излучения, при этом пиковая мощность при периоде следования импульсов 7.5 мке не менее, чем в четыре раза превысила мощность излучения непрерывного режима. Было отмечено, что для получения импульсов максимальной мощности частота модуляции не должна превышать 150 кГц.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Гуров, Леонид Валерьевич

Выводы к главе 4

1. Показано, что использование сопел РГУЪТЕ с донной областью шириной

3 мм позволяет получать импульсы с длительностью 25-30 не и пиковой мощностью, превышающей на два порядка значения мощности в непрерывном режиме.

2. Отмечено, что переход от щелевых сопел (с шагом 7.5 мм) к соплам НУЬТЕ (с шагом 13 мм) практически не сказывается на длительности и приведённой энергии генерируемых импульсов.

3. Показано, что при оптимальных параметрах зеркал резонатора полученные значения удельного энергосъёма в ИПР составляют до 10% от значений в непрерывном режиме генерации. - ---------- —---- і .

-- ------- -------^

--— Г. "і. 1 ;;; г-—.— - — ---

-—=

М Сопла НМ.ТЕ - непрерывный режим —Р—Щелевые сопла - непрерывный режим —Сопла НМ-ТЕ - ИПР - О - Щелевые сопла - ИПР

--

---- .і -1-1-

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана численная модель расчёта удельных энергетических характеристик фтороводородных непрерывных химических лазеров (НХЛ), для формирования активной среды которых используются сопловые решётки перспективных конфигураций (зубчатые, HYLTE и др.), обеспечивающие интенсификацию процессов смешения исходных реагентов.

2. Теоретическое исследование характеристик DF-HXJI с сопловой решёткой зубчатой конфигурации, проведённое с использованием разработанной численной модели, показало, что по сравнению с традиционными щелевыми соплами использование в сопловой решётке зубчатых сопел позволяет повысить значения приведённой мощности и удельного энергосъёма не менее чем в 1.5 раза при повышенных уровнях давления в активной среде (10-20 Тор), что соответствует более благоприятным условиям для выхлопа отработанных газов в окружающую атмосферу.

3. Показана возможность достижения хорошего оптического качества активной среды HF-HXJT с соплами HYLTE, реализующими смешение посредством поперечного впрыска в поток окислителя дискретных струй вторичного горючего.

4. Показана возможность повышения в 2 раза удельных энергетических характеристик HF-HXJI с соплами HYLTE при расположении сопловых лопаток параллельно оптической оси по сравнению с более традиционным вариантом, когда направления сопловых лопаток и оптической оси перпендикулярны.

5. Показано, что использование в сопловой решётке сопел типа HYLTE, имеющих узкую донную область (3 мм) позволяет получать импульсы с длительностью 2030 не и пиковой мощностью, превышающей на два порядка соответствующие значения, достигнутые в непрерывном режиме генерации.

Автор выражает благодарность научному руководителю академику РАН, доктору технических наук, профессору Б.И. Каторгину за большую помощь и поддержку в работе над диссертацией. Кроме того, автор благодарит кандидата физико-математических наук, доцента A.A. Степанова за критический анализ рукописи и ценные замечания.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Гуров, Леонид Валерьевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Polanyi J.C. Infrared Chemiluminescence // J. Quant. Spectr. Radiat. Transfer. -1963. - V.3, № 4. - P. 471 - 496.

2. Polanyi J.C. Proposal For An Infrared Maser Dependent on Vibrational Excitation // J. Chem. Phys. - 1961. - V. 34, № 1. - P. 347 - 348.

3. Spencer D.J., Jacobs J.A., Mirels H. Initial Performance of cw Chemical Laser // Opto-Electronics. - 1970. - V. 2, № 1. - P. 155 - 160.

4. Spencer D.J., Jacobs J.A., Mirels H., Gross R.W.J. Continuous Wave Chemical Lasers // Int. J. of Chemical Kinetics. - 1969. - V. 1. - № 5. - P. 493 - 494.

5. Spinnler J.F., Kittle P.A. Hydrogen Fluoride Chemical Laser - A Demonstration of Pure Chemical Pumping // 2nd Confer. Chem. And Molec. Lasers, St. Louis, 1969.

6. Horkovich J. A., Pomphrey P. J. Recent advances in the alpha high power chemical laser program // AIAA Preprint. - 1997. - № 97-2409.

7. Башкин A.C., Парфеньев M.B., Семенов C.H. Анализ параметров автономного фтороводородного HXJI высотного авиационного базирования // Труды НПО Энер-гомаш. - 2006. - № 24. - С. 344 - 360.

8. Dornheim. М.А. Missile Destroyed in First SDI Test at High-Energy Laser Facility // Aviation Week & Space Technology. - 1985. - V. 123. - № 12. - P. 16-17.

9. Химические лазеры / Под ред. Р. Гросса, Дж. Ботта. - М.: Мир, 1980. - 832 с.

10. Разработка предложений по расчетно-конструкторскому анализу возможностей создания экспериментального исследовательского модуля стендовой установки DF-HXJI: Отчёт о НИР // НПО Энергомаш. Инв.№ 727/132. - М., 1999. - 575 с.

11. Башкин А.С., Игошин В.И., Ораевский А.Н., Щеглов В.А. Химические лазеры / Под ред. Н.Г. Басова. - М.: Наука, 1982. - 400 с.

12. Bashkin A.S., Katorgin B.I., Pirogov N.A. Problems of CW Chemical Lasers Scaling // Optical Resonators - Science and Engineering / Ed. by R.Kossowsky

et.al.: Kluwcr Acad. Publ. - 1998. - P. 427 - 434.

13. Voignier F., Merat F., Brunet H. Mixing diagnostic in a cw DF chemical laser operating at high cavity pressure // Proc. SPIE. - 1990. - V. 1397. - P. 297 - 301.

14. Hook D., Sollee J. Advanced gain generator technology program // Technical report CR-RD-DE-87-15. TRW. - 1987.

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

16. Лапин Ю.В., Стрелец М.Х. Внутренние течения газовых смесей. -М.: Наука, 1989.-368 с.

17. Emanuel G. Analytical model for a continuous chemical laser// J. Quant. Spectr. Radiat. Transfer. - 1971. - V. 11. - № 10. - P. 1481 - 1520.

18. Emanuel G., Cohen N., Jacobs T.A. Theoretical performance of an HF chemical CW laser // J. Quant. Spectr. Radiat. Transfer. - 1973. - V. 13. - № 12. - P. 1365 - 1393.

19. Hofland R., Mirels H. Flame-sheet analysis of C.W. diffusion-type chemical lasers. I - Uncoupled radiation // AIAA J. - 1972. -V. 10. - P. 420 - 428.

20. Hofland R., Mirels H. Flame-sheet analysis of C.W. diffusion-type chemical lasers. II - Coupled radiation // AIAA J. - 1972. -V. 10. - P. 1271 - 1280.

21. King W.S., Mirels H. Numerical study of a diffusion-type chemical laser// AIAA J. - 1972. -V. 10. - P. 1647 - 1654

22. Mirels H. Simplified model of a continuous wave diffusion-type chemical laser -An extension // AIAA J. - 1976. -V. 14. - P. 930 - 939

23. Степанов A.A., Щеглов B.A. Квазиодномерный подход к расчёту непрерывного химического лазера диффузионного типа на основе модели фронта пламени // Журнал технической физики. - 1976. - Т. 46. - № 3. - С. 536 - 574.

24. Степанов А.А., Щеглов В.А. Расчёт непрерывного химического лазера диффузионного типа на основе модели фронта пламени. - Препринт ФИАН СССР. № 134-М., 1975.

25. Крутова В.Г., Ораевский А.Н., Степанов А.А., Щеглов В.А. Исследование усилительного режима непрерывного химического HF-лазера диффузионного типа при ламинарном смешении реагентов // Журнал технической физики. - 1977. — Т. 47. -№ 11.-С. 2383-2392.

26. Driscoll R.J. Mixing Enhancement in Chemical Lasers / Part 2: Theory // AIAA J. - 1986. - V. 25. - P. 965 - 971.

27. Tien Tsai Yang. Modeling of cw Chemical Laser with Annular Unstable Resonator//AIAA J.-1980.-V. 18. - P. 1223-1232.

28. Баев B.K., Головичев В.И., Третьяков П.К. и др. Горение в сверхзвуковом потоке. - М.: Наука, 1984. - 291 с.

29. Ковеня В.М., Яненко Н.Н. Метод расщепления в задачах газовой динамики. -М.: Наука, 1981.-304с.

30. Clendening-Jr C.W. Current Status of HF/DF Chain Chemical Laser// Report AFWL-TR-76-194 (Air Force Weapons Laboratory, NM., 1976).

31. O'Keefe D., Sugimura Т., Behrens W., Bullock D., Dee D. Comparison of LAMP and BLAZER code calculations with CL XV measurements // Opt. Eng. J. - 1979. V. 18.-P. 363-369.

32. Tripodi R., Coulter L.J., Bronfin B.R., Cohen L.S. Coupled two-dimensional computer analysis of CW chemical mixing lasers // AIAA J. - 1975. - V. 13. - P. 776 -784.

33. Степанов A.A., Щеглов B.A. О методе последовательного расчёта непрерывного химического HF-лазера диффузионного типа на основе уравнений Навье-Стокса (плоская и цилиндрическая геометрия соплового блока). - Препринт ФИАН СССР. № 182 - М., 1976. - 53 с.

34. Крутова В.Г., Степанов А.А., Щеглов В.А., Щетинкина Т.Ф. Об автономном варианте химического DF-лазера непрерывного действия // Журнал технической физики. - 1985. - Т. 55. - № 12. - С. 2354 - 2360.

35. Мартыщенко В.В., Степанов А.А. О возможности работы DF-HXJI в режиме одновременной генерации на молекулах DF и С02 // Труды НПО Энергомаш. -2006.-№24.-С. 315-328.

36. Александров Б.П., Степанов А.А. Сравнение наиболее известных кинетических моделей по их влиянию на расчётные параметры HF (DF)-HXJI // Труды НПО Энергомаш. - 2007. - № 25. - С. 423 - 434.

37. Cohen N., Bott J. F. A review of rate coefficients in the H2-F2 chemical laser system // Aerospace Corporation Rep. No. SAMSO-TR-76-82, 1976.

38. Cohen N. A review of rate coefficients in the D2-F2 chemical laser system // Aerospace Corporation Rep. No. SAMSO-TR-77-152,1977.

39. Cohen N., Bott J. F. Review of Rate Data for Reactions of Interest in HF and DF Lasers // Aerospace Corporation Rep. No. SD-TR-82-86, Oct. 1982.

40. Manke II G.C., Hager G.D. A Review of Recent Experiments and Calculations Relevant to the Kinetics of the HF Laser// J. Phys. Chem. - 2001. - V. 30. - P. 713 - 733.

41. Imbert M., Zeitoun D., Brun R. High pressure and diffusion coefficient effects on chemical laser flow // Proc. 7th International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers.-1988.-P. 414-418.

42. Imbert M., Zeitoun D., Brun R. Nozzle and cavity flowfields in gas chemical laser: Numerical study // Proc. 10th Int. Colloq. Dyn. Explos. and React. Syst. - 1986. -

P. 429-440.

43. Rapagnani N.L., Lankford D.W. Time-dependent nozzle and base flow/cavity model of CW chemical laser flow fields // AIAA Paper. -1981. - № 81-1135.

44. Лапин Ю.В., Стрелец M.X., Шур M.JI. Расчёт взаимодействия сверхзвуковых струй при наличии химических реакций, колебательной релаксации и когерентного излучения на основе полной системы уравнений Навье-Стокса // Численные методы механики сплошной среды (Новосибирск). - 1982. - Т. 13. - № 2. - С. 107 - 124.

45. Лапин Ю.В., Стрелец М.Х., Шур М.Л. Численное моделирование процессов в резонаторе непрерывного химического HF-лазера на основе уравнений Навье-Стокса // Физика горения и взрыва. - 1982. - Т. 18. - № 5. - С. 89 - 96.

46. Egorov Yu. Е., Rotinian М.А., Strelets М Kh., Shur M.L. Navier-Stokes numerical simulation of supersonic combustion in CW chemical laser with account of upwind influence of cavity processes on nozzle array flow // Proc. 7th Int. Conf. on Numerical Methods in Thermal Problems. - 1991. - V. 2. - P. 1185 - 1195.

47. Rotinian M.A., Shur M.L., Strelets M. Kh. Navier-Stokes numerical simulation of supersonic hydrogen-fluorine combustion in CW chemical lasers // Proc. 25th Int. Symp. On Combustion. - 1994.

48. Rotinian M.A., Strelets M. Kh., Shur M.L. Numerical simulation of the processes in the supersonic continuous wave HF chemical lasers with different nozzle array designs on the basis of the full Navier-Stokes equations // Proc. Int. Conf. Laser Optics. St. Petersburg. -1993.

49. Shur M.L. Compressibility scaling method for arbitrary Mach number Navier-Stokes simulation of internal gas mixture flow // Proc. 7th Int. Conf. on Numer. Meth. Laminar and Turbulent Flow. Stanford. USA. - 1991. - V. 2. - P. 1526 - 1536.

50. Jinbao Chen, Weihong Hua, Zhongfu Jiang. Performance of HF overtone chemical lasers // Proc. SPIE. - 1999. - V. 3612. - P. 71 - 78.

51. Jinbao Chen, Zhongfu Jiang, Weihong Hua, Zejin Liu, Baihong Shu. Numerical simulation of hydrogen fluorine overtone chemical lasers // Proc. SPIE. - 1998. - V. 3549. -P. 234-240.

52. Weihong Hua, Zhongfu Jiang, Yijun Zhao. Nozzle design in cw hydrogen fluoride chemical laser// Proc. SPIE. - 1996. - V. 2889. - P. 135 - 140.

53. Александров Б.П., Безноздрев B.H., Парфеньев M.B., Семенов С.Н., Степанов А.А. Энергетические возможности двухчастотного HF/DF-HXJI с одновременной генерацией излучения на молекулах HF и DF // Труды НПО Энергомаш. - 2007. — №25.-С. 423-433.

54. Александров Б.П. Численное моделирование одно- и двухдиапазонных непрерывных химических лазеров на молекулах HF, DF и НВг: Дис. канд. физ.-мат. наук.-М., 2009.

55. Александров Б.П., Степанов А.А. Исследование HF(DF)-HXJI при разбавлении вторичного горючего инертными газами на основе полной системы уравнений Навье-Стокса // Труды НПО Энергомаш. - 2007. - № 25. - С. 435 - 448.

56. McGregor R. D., Haflinger D. Е., Lohn P. D., Sollee J. L., Behrens H. W. Modeling of HF Chemical Laser Flowfields Using the Direct Simulation Monte Carlo Method

// AIAA Paper. - 1992. - № 92-2980.

57. Waldo R.E. Advanced CW Hydrogen Fluoride Chemical Laser Performance // AIAA Paper. - 1993. - № 93-3184.

58. Waldo R.E. Advanced CW Hydrogen Fluoride Chemical Laser Performance // Proc. SPIE. - 1993. - V. 1871. - P. 232 - 244.

59. Wisniewski C.F., Hewett K.B., Manke II G.C., Truman C. R., Hager G.D. Hydrogen fluoride overtone laser: 2D CFD modeling of the small signal gain // Proc. SPIE. -2004. - V. 5448. - P. 1127 - 1135.

60. Shi Jian-hua, Jiang Zong-fu, Yuan Sheng-fu, Hua Wei-hong. Experimental and simulative investigation of HYLTE nozzle's mixed flowfield in DF/HF chemical lasers // High Power Laser and Particle Beams. - 2004. - V. 16. - № 10. - P. 1240 - 1244.

61. Shi Jian-hua, Yuan Sheng-fu, Hua Weihong, et al. Mass flow rate coefficient in relation to secondary flow of HYLTE nozzle in DF/HF chemical lasers // J. High Power Laser and Particle Beams. - 2003. - V. 15. - № 7. - P. 639 - 642.

62. Shao Yan, Zhou Jin, Wu Haiyan, Lai Lin, Lei Jing. Unsteady Simulation of HYLTE Nozzle Flowfields with Supersonic Angled Injection // Symposium on Photonics and Optoelectronic (SOPO). - 2010.

63. Yan Shao, Jin Zhou, Lin Lai. Numerical Simulation of a CW Supersonic DF-C02 Transfer Chemical Laser Based on HYLTE Nozzle // Proc. International Quantum Electronics Conference and Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim 2011, (Optical Society of America, 2011), paper C574.

64. Li Lan, Yuan Sheng-fu, Hua Weihong, Jiang Zong-fu. Numerical investigation of jet's influence on TRIP gain generator // High Power Laser Part. Beams J. - 2009. - V. 21. -P. 826-830.

65. Li Lan. Numerical Study of Gain Generator Structure and Operation Mode of Continuous Wave DF/HF Chemical Lasers: A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Engineering in Optical Engineering, China, 2010.

66. Shi Jian-hua. Investigation On Flowfield of Combustion Driven CW DF/HF Chemical Laser Employing HYLTE Nozzle. A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Engineering in Optical Engineering, China, 2004.

67. Yuan Sheng-fu. Theoretical design of latest gain generator for continuous wave DF/HF chemical lasers. A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Engineering in Optical Engineering, China, 2002.

68. Wilson L.E., Hook D.L. Deuterium fluoride cw chemical lasers // ALAA Paper. -1976.-№76-344.

69. Wilson L.E. Deuterium fluoride cw chemical laser // Journal de Physique. Colloque C9. - 1980. - V. 41. - P. C9.1 - C9.8

70. Driscoll R.J., Tregay G.W. Flowfield Experiments on a Tripped DF Chemical Laser // AIAA Paper. - 1981. - № 81-1271.

71. Cenkner A. A. Laser Doppler Velocimeter Measurements on Supersonic Mixing Nozzles that Employ Gas Trips // AIAA J. - 1982. -V. 20. - P. 383 - 389.

72. Driscoll R.J. The Effect of Reactant-Surface Stretching on Chemical Laser Performance // AIAA J. - 1984. -V. 22. - P. 65 - 74.

73. Driscoll R.J. Mixing Enhancement in Chemical Lasers / Part 1: Experiments // AIAA J. - 1986. - V. 24. - P. 1120 - 1126.

74. Hook D., Waypa J. Патент США 331/94.56 - 1980. - № 4237429.

75. Jeffers W.Q. Патент США 06/700.123 - 1985. - № 4760582.

76. Duncan W., Patterson S., Graves В., Holloman M. Recent progress in hydrogen fluoride overtone chemical lasers // AIAA Paper. - 1991. - № 91-1480.

77. Галаев И.И., Конкин C.B., Латышев А.Д. и др. Влияние рабочих параметров на эффективность обертонной генерации непрерывного сверхзвукового химического HF-лазера // Квантовая электроника. - 1996. - Т. 23. - № 3. - С. 222 - 224.

78. Duncan W., Patterson S., Graves В., et al. Advanced nozzle characterization for hydrogen fluoride overtone chemical lasers // AIAA Paper. - 1992. - № 92-2977.

79. Patterson S., Graves В., Betts J., Waldo R. HF fundamental and overtone testing using the HYLTE water cooled module // AIAA Paper. - 1999. - № 99-3472.

80. Sentman L.H., Eyre A. J., Wootton B.P., Cassibry J.T. Comparison of CW HF Laser Performance for Several Nozzles // AIAA Paper. - 1999. - № 99-3469.

81. Григорьев П.Г., Степанов A.A., Щеглов В.А. О возможности реализации импульсно-периодического режима лазера с проточной химически активной средой // Краткие сообщения по физике. ФИАН СССР. - 1979. - № 6. - С. 28 - 34.

82. 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. — С. 490 - 494.

83. Воробьев А.П., Исхаков В.А., Машенджинов В.И., Ревич В.Э., Ротинян М.А., Шур M.JI. Химический HF-лазер с модулированной добротностью резонатора // Квантовая электроника. - 1998. - Т. 25. - № 7. - С. 606 - 610.

84. Александров Б.П., Каторгин Б.И. Импульсно-периодический режим сверхзвукового HF-HXJI с горючим CS2 // Труды НПО Энергомаш. - 2010. - № 27. -

С. 394-412.

85. Купренюк В.И., Максимов Ю.П., Машенджинов В.И., Родионов А.Ю., Ротинян М.А., Федоров И.А. Численное моделирование непрерывного химического HF-лазера, работающего в режиме модуляции добротности резонатора // Квантовая электроника. - 2007. - Т. 37. - № 3. - С. 248 - 254.

86. Александров Б.С., Купренюк В.И., Максимов Ю.П., Машенджинов В.И., Родионов А.Ю., Ротинян М.А., Судариков В.В., Третьяков Н.Е., Федоров И.А., Эцина

A.JI. Расчетно-экспериментальное исследование непрерывного химического HF/DF-лазера, работающего в режиме модуляции добротности резонатора // Квантовая электроника. - 2007. - Т. 37. - № 6. - С. 522 - 526.

87. Эмануэль Н. М., Кнорре Д. Г. Курс химической кинетики. - М.: Высшая школа. - 1984. - 340 с.

88. McBride В .J., Gordon S. СЕТ93 and CETPC: An Interim Updated Version of the NASA Lewis Computer Program for Calculating Complex Chemical Equilibria with Applications // Technical report TM-4557. NASA. - 1994.

89. Термодинамические свойства индивидуальных веществ / Под ред. Глушко

B.П. Справочник в 4-х томах. - Т. 1. - Кн. 2. - М.: Наука. - 1978. - 328 с.

90. Wilke C.R. A viscosity equation for gas mixtures // J. Chem. Phys. - 1950. -V. 18.-P. 517-519.

91. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие / Пер. с англ. под ред. Б. И. Соколова. - 3-е изд., перераб. и доп. - JI.: Химия, 1982.-592 с.

92. Mason Е.А., Saxena S.C. Approximate Formula for the Thermal Conductivity of Gas Mixtures // Phys. Fluid. - 1958. - V. 1. - P 361 - 369.

93. Каторгин Б.И., Степанов A.A., Щеглов B.A. Основы кинетики, газодинамики и оптики неравновесных сред. - М.: МАИ, 2002. - Т.2. - 662 с.

94. Гиршфельдер Д., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей.-М.: ИЛ. 1961.-930 с.

95. Arunan Е., Setser D.W., Ogilvie J.F. Vibration-rotational Einstein coefficients for HF/DF and HC1/DC1 // J. Chem. Phys. - 1992. - V. 97. - P. 1734 - 1741.

96. Самарский A.A., Гулин A.B. Численные методы. - M.: Наука, 1989. - 432 с.

97. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. -М.: Мир, 1980. - 618 с.

98. Поспелов В.А. Эффективная разностная схема расчёта характеристик HF химического лазера непрерывного действия // Численные методы механики сплошной среды. - 1982. - Т. 13. -№ 3. - С. 99 - 105.

99. Абрамов А.А., Андреев В.В. О применении метода прогонки к нахождению периодических решений дифференциальных и разностных уравнений // ЖВМ и МФ. - 1963. - Т. 3. - № 2. - С. 377 - 381.

100. Башкин А.С., Гуров Л.В., Каторгин Б.И., Петрова С.Н., Полиновский Д.В. Расчетный анализ возможности получения одновременной эффективной генерации в двух спектральных диапазонах на молекулах HF и DF в автономном фтороводород-ном НХЛ // Труды НПО Энергомаш. - 2007. - № 25. - С. 395 - 411.

101. Башкин А.С., Гуров Л.В., Каторгин Б.И., Степанов А.А. Расчетное исследование трехдиапазонного НХЛ с одновременной генерацией на молекулах HF, DF и С02 // Труды НПО Энергомаш. - 2008. - № 26. - С. 207 - 223.

102. Звелто О. Принципы лазеров / Пер. с англ.- 3-е перераб. и доп. изд. -М.: Мир, 1990.-560 с.

103. Микаэлян А.Л., Тер-Микаэлян M.J1., Турков Ю.Г. Оптические квантовые генераторы на твёрдом теле. - М.: Сов. Радио, 1967. - 384 с.

104. Башкин A.C., Игошин В.И., Леонов Ю.С. и др. Исследование генерации химического лазера на обертоне молекулы HF // Квантовая электроника. - 1977. -Т. 4. - С. 1112-1114.

105. Warren W.R., Schneider L. Е. Pulsed Hydrogen Fluoride Overtone Chemical Laser Studies // Report PAR-TM-93-103 (Pacific Applied Research, Rancho Palso Verdes, CA.. 1992).

106. Александров Б.П., Степанов A.A., Трощенков C.B., Щеглов В.А. Оптическое качество активных сред мощных непрерывных химических лазеров // Квантовая электроника. - 1999. - Т. 27. - № 3. - С. 216 - 222.