Газодинамика проточной части газодинамических и химических лазеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, доктор технических наук Кталхерман, Марат Григорьевич

• Кталхерман, Марат Григорьевич
• доктор технических наук
• 1998

Оглавление диссертации доктор технических наук Кталхерман, Марат Григорьевич

Оглавление

Список основных обозначений

Введение

Газодинамический лазер

Химические лазеры

Газодинамика мощных лазеров. Проблемы и постановка задач исследования

1 Решетка плоских сопел

1.1 Состояние вопроса и задачи исследований

1.2 Исследование газодинамических сопел с различным контуром профилированных стенок

1.2.1 Радиусные сопла и сопла минимальной длины

1.2.2 Эллиптический контур

1.3 Структура потока над боковой стенкой плоского сопла

1.4 Влияние газодинамической структуры потока на оптические характеристики активной среды СО*2 — ГДЛ

1.5 Результаты тестирования некоторых моделей

расчета течения релаксирующей смеси газов в сопле

1.6 Влияние технологических факторов и особенностей конструкции соплового блока на газодинамическое качество потока

1.7 Основные результаты

2 Решетка осесимметричных сопел

2.1 Состояние вопроса и задачи исследования

2.2 Параметрический анализ характеристик полностью перемешанного потока

2.3 Экспериментальное исследование течения в области перемешивания

2.3.1 Влияние формы контура индивидуального микросопла на динамику выравнивания профилей газодинамических параметров

2.3.2 Характеристики сотовых блоков с различным углом раствора индивидуальных микросопел

2.3.3 Механизм затуханий возмущений плотности

2.3.4 Донное давление

2.4 Сопоставление осредненных и пульсационных характеристик потока в каналах с сотовым блоком и плоским соплом

2.5 Характеристики пограничного слоя на стенке канала

2.6 Сравнение результатов расчета с экспериментом

2.7 Коэффициент расхода индивидуального сопла

2.7.1 Методика экспериментов

2.7.2 Результаты измерений и их анализ

2.8 Течение лазерно-активной смеси

2.9 Основные результаты

Характеристика потока за срезом лопаточного соплового блока

3.1 Состояние вопроса и задачи исследования

3.2 Установка, модели и методика измерений

3.3 Характеристики пограничного слоя на срезе сопла

3.4 Результаты экспериментов и их анализ

3.4.1 Общая картина течения в канале

3.4.2 Донное давление

3.4.3 Профили газодинамических параметров в поперечных сечениях канала

3.4.4 Ядро потока

3.4.5 Характеристики потока на оси и границе следа

3.4.6 Толщина потери импульса

3.4.7 Обобщение опытных данных

3.5 Основные результаты

4 Псевдоскачок в прямоугольном канале

4.1 Обзор литературы и постановка задачи

4.2 Установка, методика измерений и условия экспериментов

4.3 Давление на стенке канала

4.4 Параметры потока в поперечных сечениях псевдоскачка

4.5 Протяженность псевдоскачка.Результаты измерений и обобщение

4.6 Эффективность восстановления давления

4.7 Влияние вязкости на характеристики псевдоскачка

4.7.1 Эффективность восстановления давления с учетом трения в области псевдоскачка

4.7.2 Расчет режима предельных потерь на трение при торможении сверхзвукового потока

4.7.3 Длина псевдоскачка при различной толщине пограничного слоя

4.8 Параметрический анализ эффективности восстановления давления в потоке за сотовым соплом

4.9 Интенсификация процесса смешения в псевдоскачке

4.10 Основные результаты

5 Сверхзвуковой диффузор

5.1 Состояние вопроса

5.2 Методика эксперимента

5.3 Результаты экспериментов

5.3.1 Давление на стенке

5.3.2 Условия запуска и срыва

5.4 Анализ результатов измерений

5.4.1 Критерии эффективности диффузоров

5.4.2 Эффективность восстановления давления

5.4.3 Влияние геометрии проточной части диффузора

на давление запуска и срыва

5.4.4 Характеристики коротких диффузоров

5.4.5 Обобщение экспериментальных данных. Сопоставление с другими работами

5.5 Масштабный фактор при исследовании характеристик диффузоров

5.6 Новые перспективные схемы диффузоров

5.7 Анализ характеристик диффузора химического кислород — йодного лазера

5.7.1 Исходные данные

5.7.2 Метод анализа

5.7.3 Результаты и обсуждение

5.8 Основные результаты

Заключение

Список литературы 384 Приложение

Акт об использовании материалов диссертации

с

Список основных обозначений

— декартовы координаты Н* — высота критического сечения сопла Н, Н — высота сопла на выходе; высота канала А — площадь сечения Ь — длина сопла

в, — текущий и начальный угол наклона контура сопла

с?* — критический диаметр сопла

с?е, Ае — диаметр и площадь сопла на выходе

«о — полуугол расширения осесимметричного сопла

— высота, ширина, длина и площадь горла диффузора 1(1 —длина диффузора

/о — расстояние между соплом и диффузором 18 — длина псевдоскачка

а — эффективный (эквивалентный) размер прямоугольного сечения

6, В — ширина канала

£ — толщина кромки сопловой лопатки

6 — толщина пограничного слоя

6* — толщина вытеснения пограничного слоя

(5** — толщина потери импульса пограничного слоя

в — толщина потери импульса следа

и> — угол наклона боковой стенки сопла

и — скорость потока

р — давление

Т — температура

р — плотность

к — показатель адиабаты

ро, То, ро — параметры торможения

р+ — давление запуска диффузора

/)_ — давление срыва течения в диффузоре

Р+, Р- — параметры идеального диффузора

Рь Р2 — давление в начальном и конечном сечениях псевдоскачка

а — коэффициент восстановления полного давления

Л — коэффициент скорости

д(А), у(Х) — газодинамические функции

ръ — донное давление

р'о — давление за прямым скачком

(т) — среднеквадратичная пульсация массового расхода

/г, ц* — коэффициент расхода сопла

С<1 — коэффициент сопротивления

М — число Маха

М° — геометрическое число Маха

11е — число Рейнольдса

Ко — коэффициент усиления слабого сигнала I — интенсивность излучения Е — запасенная колебательная энергия Т{ (г = 1 — 5) — колебательная температура

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Газодинамика проточной части газодинамических и химических лазеров»

Введение

Со времени открытия в 1959 г. принципа работы газового лазера [1] достигнут впечатляющий прогресс во всех областях науки, на стыке которых развиваются исследования в области мощных лазерных систем непрерывного действия: физической и химической кинетике, квантовой электронике, химии высоких энергий, спектроскопии и газовой динамики. За короткий период пройден путь от демонстрации принципиальной возможности получения генерации когерентного излучения до создания установки мегаваттного класса.

В настоящее время во всех газовых лазерах, обеспечивающих получение высокой мощности излучения в непрерывном режиме, используются высокоскоростные потоки газа. Известными в газодинамике способами можно управлять параметрами потока, влияя тем самым на скорость физических и химических процессов, ведущих к образованию инверсии населенностей.

Использование теплового возбуждения квантовой системы с целью генерации когерентного электромагнитного излучения предложено в [2], а в работе [3] описана принципиальная геометрия канала с быстрым охлаждением газа в сверхзвуковом сопле для получения инверсии населенности. Конкретное предложение о создании газодинамического лазера (ГДЛ) на смеси углекислого газа с азотом, расширяющейся в сверхзвуковом сопле, было выдвинуто в работе [4]. Очень скоро были установлены методы реализации тепловой накачки [5-7] и условия, необходимые для работы ГДЛ [8, 9]. Уже в конце 1970 г. сообщалось о создании непрерывного СО2-ГДЛ мощностью 60 кВт [10], работавшего на продуктах сгорания.

В конце 60-х — начале 70-х годов исследование мощных лазерных систем велось по нескольким направлениям. Были созданы электрораз-' рядные С02-лазеры с быстрым протоком газа и стабилизацией разряда с помощью электронного пучка [11, 12] и СО-лазеры со сверхзвуковым потоком в области разряда [13, 14].

Существенные успехи в эти годы были достигнуты в области химических лазеров, основные принципы которых были изложены в [15]. В этой работе было указано на возможность использования колебательно-возбужденных молекул, образующихся в ходе химических реакций, для создания химического лазера в инфракрасном диапазоне. Преимущества цепных процессов для создания химических лазеров рассмотрены в [16], а в работе [17] представлен анализ кинетических аспектов химических лазеров. Впервые генерация в химических лазерах получена при взрыве смеси водорода с хлором, инициированном фотолизом [18]. Более важным событием явилось создание сверхзвукового химического НГ-лазера диффузионного типа [19, 20]. В этой системе атомарный фтор образуется в камере сгорания в результате диссоциации. Затем поток, содержащий атомарный фтор, быстро расширяется в решетке малоразмерных сверхзвуковых сопел, благодаря чему концентрация фтора замораживается. На выходе из сопел в первичный поток вдувается водород. Лазерный эффект достигается в зоне горения.

Все многообразие других типов мощных лазеров непрерывного действия в принципиальном плане можно свести к описанным выше схемам: во всех случаях имеет место взаимодействие сильно неравновесных явлений и сложных, но во многом сходных течений газа.

Наибольший интерес среди дальнейших разработок представляет химический кислород-йодный лазер, интенсивные исследования которого начались в 1978 г. [21]. Энергетическим источником в этом лазере является гетерогенная реакция газообразного хлора с раствором пери-киси водорода и щелочи, в результате которой образуется, синглетный

кислород в состоянии О2 ('А)- Электронно-возбужденный кислород используется для диссоциации небольшого количества йода, впрыскиваемого в поток. Лазерная энергия, запасенная в О2 ^Д), передается затем атомам йода. Эта система работает при низком давлении (р = 520 Topp) с использованием гелия в качестве разбавителя [22].

Настоящая работа посвящена газодинамическим аспектам мощных газодинамических и химических лазеров непрерывного действия. В ней последовательно рассмотрены газодинамические процессы в проточной части лазерных систем, оказывающие сильное влияние на их энергетические и массо-габаритные характеристики. Работа была начата в начале 70-х годов. К этому времени газодинамические и химические лазеры стали реальностью. Во многих лабораториях интенсивно велись исследования, направленные на поиск оптимальных условий организации процесса, совершенствовались физические и расчетные модели. На небольших лабораторных установках исследователи занимались прак-' тически всем комплексом задач. В это время стала очевидной необходимость подключения к решению этой, на первый взгляд, физической проблемы узких специалистов из смежных областей науки. За счет такого объединения усилий стало возможным быстрое продвижение по пути создания высокоэффективных крупномасштабных установок. С другой стороны, благодаря такому сотрудничеству было положено начало формированию новых разделов науки, заметное место среди которых занимает газодинамика лазеров.

Место и роль газодинамики в комплексе проблем, связанных с созданием мощных лазерных систем, необходимо рассматривать в контексте общих тенденций в этой области с учетом особенностей физического процесса и ограничений технологического и технического характера.

Газодинамический лазер.

После появления первых публикаций по газодинамическим СО2-лазерам предпринимались попытки создания ГДЛ на активных смесях, в которых генерация осуществлялась на колебательно-вращательных переходах молекул СО, СБг, N20. По разным причинам эти системы оказались неподходящими для установок большой мощности. Анализ соответствующих исследований можно найти в монографиях [23, 24]. Вплоть до настоящего времени единственным (среди возможных) вариантом, пригодным для технической реализации, является СО2-ГДЛ, работающий на длине волны А = 10,6 мкм.

Рабочая смесь СО2-ГДЛ состоит из азота, углекислого газа и небольшого количества паров воды. На рис. 1. показана схема нижних энергетических уровней молекул СО2 и N2. Азот в рабочей смеси выполняет роль резервуара колебательной энергии, которую он эффективно передает на уровень (001) молекулы СО2, находящейся в близком к резонансному положению с первым колебательным уровнем N2. Роль паров воды состоит в ускорении опустошения нижнего лазерного уровня (100) молекулы СО2.

Принципиальная схема ГДЛ показана на рис. 2. Нагретая в ресивере и находящаяся в равновесном состоянии смесь газов поступает в область оптического резонатора через решетку сверхзвуковых сопел и затем с помощью диффузора выбрасывается в атмосферу. Геометрия индивидуального сопла выбирается такойб чтобы обеспечить быстрое охлаждение потока. Если скорость изменения поступательно-вращательной температуры больше скорости релаксации колебательной энергии смеси, поток в сопле становится неравновесным. Населенности возбужденных колебательных уровней N2 и уровней (001) молекулы СО2 в сверхзвуковой части сопла практически замораживаются, при этом их колебательная температура близка к температуре газа в критическом сечении сопла, в то время как колебательная температура

10

Я(сз, сг) оз

ю

Шсз) 01

-О-

'001

100

030

ого

ю

Р (С2, о ООО

и=1

_____то.

ООО ООО ___

сог(у2) со2^3)

у^О

10

Рис. 1. Схема нижних энергетических уровней молекул С02 и N2-

1

Рис. 2. Схема газодинамического лазера

/_ камера сгорания; г — диффузор; Л — сопловая решетка; ■) — .-:■. ^риый луч .

уровня (100) СО2 "следит" за термодинамической температурой потока. Таким образом в сверхзвуковой части сопла реализуются условия, необходимые для получения инверсии населенностей.

Основным источником лазерного излучения в СО2-ГДЛ является колебательная энергия азота. На входе в сопло ее доля в энтальпии смеси относительно невелика (~ 10% при Т — 2000 К). Квантовый к.п.д. СОг-лазера, равный отношению энергии фотона к энергии верхнего лазерного уровня составляет ~ 40%. С учетом этих факторов реально достигаемый к.п.д. мощных СО2-ГДЛ невысок (< 1%). Поэтому основное направление исследований было связано с попытками повышения эффективности преобразования энергии и удельной мощности излучения за счет увеличения доли запасаемой в потоке колебательной энергии и уменьшения релаксационных потерь в сопле.

Первая задача решалась путем повышения начальной температуры газа, а вторая — за счет оптимизации геометрии сопла и состава смеси. Мощные СО2-ГДЛ работают на продуктах горения углеводородных топлив, в составе которых есть все необходимые компоненты (СО2, Н2О, N2) или на "искусственных" смесях оптимального состава, нагреваемых в высокотемпературном регенеративном теплообменнике [25]. Простота получения больших расходов лазерно-активных сред делает СО2-ГДЛ конкурентоспособными с химическими и электроразрядными системами, обладающими более.высоким к.п.д..

За время существования газодинамических лазеров технология СО2-ГДЛ прошла несколько этапов развития. Согласно терминологии, предложенной Андерсоном [24], можно выделить три поколения СО2-ГДЛ. Хотя четкой границы между ними нет, каждому поколению лазеров соответствует определенный диапазон определяющих параметров, к числу которых относятся параметры торможения (ро? ?о), геометрия сопла (высота критического сечения 1г*, отношение площадей Ае/А*) и состав смеси. Не все из перечисленных параметров полностью независимы. Действительно, чтобы населенность нижнего лазерного уровня

была пренебрежимо малой, статическая температура потока на выходе из сопла Те (и близкая к ней колебательная температура симметричной моды СО2) должна быть на уровне « 300 К. При заданном значении То отношение Те/То определяет оптимальную степень расширения сопла ' Ае/А* (и число Маха Ме на выходе). С другой стороны, мощные СО2-ГДЛ работают с выхлопом в атмосферу, а диффузоры с фиксированной геометрией проточной части могут обеспечить эффективность восстановления давления не больше, чем в прямом скачке при числе Маха М = Ме. Таким образом, давление торможения определяется величиной Ае/А*. Кроме того, следует принять во внимание тот факт, что при заданных значениях То, Ае/А* для одинакового состава смеси одномерное течение в сопле подобно по параметру pol [23], где / — характерный размер сопла. В экспериментах и расчетах [24] для условий СО2-ГДЛ найдено оптимальное значение poh* « 1 атм-см. С учетом ограничения на значения р$ и То, наличия зависимости Ае/А* = /(То/Те) и связи между ро и h* поиск оптимальных режимов работы ГДЛ существенно упрощается, хотя число варьируемых параметров достаточно велико (результаты решения задачи многофазной оптимизации коэффициентов усиления и мощности газодинамического лазера приведены в [23].

Оптимальные значения определяющих геометрических и режимных параметров менялись по мере увеличения температуры торможения. Для ГДЛ первого поколения, типичным представителем которого является лазер Джерри [10], характерно следующее сочетание параметров: Т0 « 1200 К, ро « 2 МПа, h* « 1 мм; состав смеси: 5-10% С02, ~ 1 % Н2О, остальное N2. Характеристики лазеров первого поколения оказались очень чувствительными к концентрации молекул Н2О: помимо дезактивации нижнего лазерного уровня молекулы Н2О участвуют в процессе колебательно-поступательной релаксации, уменьшающей населенности верхнего лазерного уровня СО2 и уровня V = 1 азота.

Низкие значения допустимой концентрации Н2О, необходимые для

получения приемлемого коэффициента усиления (Ко « 0,5 м-1) и запасенной в лазере мощности (Етах «15 кДж/кг) жестко ограничивают перечень топлив, которые могут быть использованы для создания активной среды. В мощных непрерывных СО2-ГДЛ [10] оптимальное сочетание параметров получалось при сжигании в воздухе окиси углерода с небольшой добавкой водорода либо другого водородсодержаще-го соединения. Близкий к оптимальному состав можно было получить и при горении ацетилено-воздушных смесей. Однако характеристики перечисленных горючих не полностью соответствуют требованиям, предъявляемым к топливам для мощных СО2-ГДЛ и особенно для автономных систем. Окись углерода низкокалорийна и токсична, а ацетилен взрывоопасен. К тому лее в обоих случаях требуются громоздкие емкости для хранения топлива. Другие сочетания традиционных топлив и окислителей дают составы продуктов сгорания, в которых содержание Н2О существенно превышает 1 %.

В связи с этим усилия исследователей были направлены на поиск условий работы ГДЛ с повышенной концентрацией Н2О (см., например, [24]). В результате был найден диапазон параметров лазеров второго поколения: Т0 « 1600-1800 К, /г* = 0,3-0,5 мм, Ае/А* = 30-50, ро = 3-5 МПа. Лазеры второго поколения обладают большим запасом колебательной энергии (Етах возрастает в 4 раза при увеличении То от 1200 до 1800 К), но самое главное — в указанном диапазоне параметров торможения и геометрии сопла они лучше приспособлены для работы с увеличенной концентрацией Н2О. Максимум коэффициента усиления при То = 1800 К соответствует [Н2О] « 3 %, причем величина Ко слабо уменьшается с увеличением [Н2О] вплоть до 5-6 % [24]. Тем самым был расширен перечень горючих веществ для ГДЛ на горении. В их число попадают практичные в эксплуатации и недорогие жидкие топлива, такие как бензол, толуол, хинолин и др. Например, в продуктах сгорания бензоловоздушной смеси при То = 1800 К концентрация Н2О составляет 5 %. Еще более распространенные и более дешевые топлива,

такие как керосин и бензин также обеспечивают получение приемлемого состава смеси при Т0 = 1600 К ([Н20] « [СОг] ~ 7,3%). Перспективность применения обычных углеводородных топлив для ГДЛ на горении была подтверждена в серии экспериментов, проведенных в ИТПМ [26-28]: значение коэффициентов усиления слабого сигнала при использовании продуктов сгорания бензоловоздушных и керосиновоздушных смесей составила 0,85 и 0,6 м-1 соответственно при То = 1700 К.

Для лазеров второго поколения характерно использования кислорода воздуха в качестве окислителя. Причем нижний предел по давлению

3 МПа) можно обеспечить в комбинации с газотурбинным двигателем. Такое сочетание представляется наиболее перспективным направлением при создании мощных технологических автономных систем.

Дальнейшее повышение энергетических показателей СО2 -ГДЛ связано с переходом на еще более высокий уровень температур (То = 2000— 3000 К). Высокотемпературные смеси подходящего состава можно получить при использовании в качестве окислителя закиси азота (так, при То = 2500 К концентрации ЩО и С02 в продуктах сгорания смеси СбНб — N20 составляет 3,6 и 7,2 % соответственно) или при сжигании углеродных топлив в подогретом воздухе [29-31]. Последний метод реализуется "автоматически" при работе ГДЛ в сочетании с газотурбинной установкой.

В экспериментах на продуктах сгорания смеси керосин — закись азота получены значения Ко « 1 м-1 и Етах = 44 кДж/кг при То = 2300 К и рок* = 1 атм-см. Подробный численный анализ энергетических характеристик ГДЛ на продуктах сгорания углеводородных топлив выполнен в [33]. При этом авторы использовали детальную кинетическую модель, в которой помимо обычных каналов колебательного энергообмена, учтено влияние процессов с учетом 02, СО, N0, N20, Н2, ОН, Н. Роль последних увеличивается с ростом То- Результаты расчетов и экспериментов показывают перспективность высокотемпературных ГДЛ третьего поколения. Одновременно они отчетливо ил-

люстрируют трудности технической реализации подобных установок, работающих при высоких начальных параметрах. Рассматриваемые в [32, 33] сопла имеют высоту критического сечения к* < 0,1 мм, степень расширения А/А* > 100, а необходимое для выхлопа в атмосферу давление торможения ро > 10 МПа.

Помимо традиционной схемы организации процесса в ГДЛ на горении предпринимались попытки получить колебательно неравновесный поток уже на входе в сопло, увеличивая тем самым эффективность преобразования тепла химической реакции в энергию лазерного излучения. В принципиальном плане эффект сверхравновесной химической накачки колебательных уровней молекул СО2 в ходе быстрых реакций СО+^О и СО 4- О + М установлен в экспериментах на ударной трубе [34, 35]. Существенное продвижение в данном направлении наметилось после того, как была разработана рецептура высокоэнергетического твердого топлива, обеспечивающая самостоятельное горение с образованием молекул СО и N2 и небольшого количества Н2О и Н2. В предложенной в работе [36] схеме на второй стадии горения продукты сгорания твердого топлива смешивались с окислителем (80% N2 + 20% О2), подогретом в падающей и отраженной ударных волнах, и дожигались вблизи горла сопла с эффектом сверхравновесной химической накачки. Величина коэффициента усиления А'о = 2 м-1 (при То = 2500 К, ро = 1,3-1,6 МПа, Н* = 0,8 мм, А/А* — 40) существенно выше обычного уровня (Ко < 1 м-1) для тех лее исходных данных. Для оценки технической реализации подобной схемы необходимы дополнительные исследования.

Большие надежды на повышение энергетических показателей газодинамических лазеров связывались с идеей ГДЛ на смешении. В идеальной конструкции смесевого ГДЛ в форкамере нагревается только азот, а другие необходимые компоненты смеси (СО2 + Н2О) подмешиваются к сверхзвуковому потоку N2 на выходе из сопла. Поскольку в сопле расширяется только азот, релаксационные потери здесь сво-

дятся к минимуму, а в зоне перемешивания скорость процессов дезактивации будет существенно ниже. Преимущество лазера на смешении наглядно проявляется при высокой температуре торможения. Так, при То = 4000 К расчетное значение запасенной колебательной энергии азота на выходе из сопла превышает 700 кДж/кг [24]. В проведенных экспериментах были зафиксированы высокие значения Ко и Етлх даже при относительно небольших (для данного класса лазеров) температурах торможения. Так, в [37] максимальные значения Ко были выше 3 м-1 при То « 2500 К, а авторы работы [32] на основании измерений и расчетов прогнозируют значения Ко = 1,3 м-1, а Етах « 100 кДж/кг при То « 2800 К, что на 60-80% больше, чем в гомогенном варианте ГДЛ при той же температуре. (Подробная библиография работ по лазерам на смешении приведена в [23, 24, 32, 38]. Несмотря на столь обнадеживающие результаты лабораторных исследований не было сообщений о создании крупномасштабных установок. Основная трудность в данном случае заключается в создании простого и надежного источника горячего азота.

Химические лазеры

Со времени появления первой публикации по химическим лазерам были были исследованы многочисленные системы импульсного и непрерывного действия. Результаты этих работ отражены в монографиях [39-41]. Наиболее значительные успехи в создании непрерывных химических лазеров (НХЛ) были достигнуты при разработке сверхзвукового диффузионного лазера на НР (БР) и кислород-йодного лазера. Мощная система мегаваттного уровня создается в рамках системы СОИ и предназначена для использования в космосе [42, 43], в то время как кислород-йодные лазеры могут найти применение в технологических процессах[44, 45]. Энергию для возбуждения НР (БР) лазеров обеспечивают "холодные" реакции

Р + Н2 -> НГ(г/) + н

или

Р + Б2 Е¥(ь) + Б.

Почти 70 % выделяющегося в этих реакциях тепла переходит на колебательные уровни молекул НР(БР). Энергия продуктов реакции достаточна для возбуждения молекулы НР вплоть до -уровня V = 3. Для получения усиления требуются низкие вращательные температуры 300 К), и лазерный эффект реализуется при частичной инверсии населенностей в диапазоне длин волн А = 2,5-3 мкм (НР) и 3,5-4 мкм

(ОР).

Проточная часть сверхзвукового диффузионного НР(БР)-лазера (рис. 3) состоит из тех же элементов, что и тракт ГДЛ: камера сгорания (или другой источник нагрева), сопловой блок, резонатор и диффузор. Однако конструкция соплового блока и давление торможения у этих лазеров различны. Необходимый для реализации накачки атомарный фтор обычно получают в камере сгорания, куда подаются горючее (Б2 или Н2) и фторсодержащее соединение (№3, ^Р.* и др.) в количестве, превышающем стехиометрическое соотношение, а также инертный разбавитель (Не). При Т0 « 1500 К и ро = 0,1 МПа избыток Р2 практически полностью диссоциирован.

Полученная окислительная смесь быстро расширяется в малоразмерных сверхзвуковых соплах (Ме & 5), благодаря чему концентрация атомарного фтора замораживается. Топливо (Н2 или Б2) инжектируется в поток на выходе из сопла. В результате реакции образуются возбужденные молекулы НР(БР), энергия которых в резонаторе преобразуется в когерентное излучение. Лазер работает с большим избытком

Зеркало оптического резонатора.

Канал

охладители Перфорированная

4,8 мм

Л» V* ' ■ -т - ;

Рис. 3. Схема сверхзвукового химического НР(Т)Р)-лазера.

горючего. Избыток топлива и разбавитель поглощают выделившееся тепло, препятствуя тем самым запиранию течения. Выхлоп отработанной смеси в атмосферу осуществляется с помощью диффузора и эжектора.

Поскольку процессы г; —г;— и v — Т-обмена в активной среде протекают очень быстро, давление в резонаторе необходимо поддерживать на низком уровне 5 Topp). Несмотря на это протяженность резонатора по потоку очень мала 5 см) и его размещают в зоне химической реакции, где одновременно происходят смешение, горение и релаксация.

Потери давления вследствие тепловыделения, смешения и наличия пристенных пограничных слоев столь велики, что на входе в диффузор поток близок к запиранию. В этих условиях основной вклад в восстановление давления вносит эжектор. При этом расход эжектирующего газа в десятки раз превышает расход лазерной смеси.

Химические HF(DF)^a3epbi обладают очень высокими энергетическими показателями. В недавно появившихся работах [46-48] сообщается о последних достижениях, полученных в ходе экспериментальных исследований. С использованием в камере сгорания реагирующей смеси N2F4 — и при отсосе охлажденной (вблизи стенки) части потока уровень удельной энергии излучения составил 495 кДж/кг [47], что почти в два раза больше обычных значений. Коэффициент полезного действия (с учетом затрат тепла в камере сгорания) достигает нескольких процентов (например, 3,5 % в [49]). Отнесенная к площади поперечного сечения мощность излучения близка к значению 40 Вт/см2 [48]. Активная среда HF-лазера имеет высокие значения коэффициента усиления. Так, согласно [48], в области резонатора Kq = 0,05-0,15 1/см.

Существенные успехи в последние годы отмечены в разработке HF-лазера, работающего на обертоне (переход v = 2 —> v = 0, А = 1,33 мкм). В работе [46] сообщается о результатах исследований на лабораторной модели лазера мощностью 117 кВт. Удельная энергия зафиксирована на уровне 150-230 кДж/кг, что составляет 40-50% со-

ответствующей величины для лазера на переходах Ау = 1.

В отличие от систем на НГ(БГ) химический кислород-йодный лазер (КИЛ) работает при температуре рабочей смеси, близкой к нормальной, с использованием недорогих исходных компонентов. Длина волны излучения лазера (А = 1,35 мкм) попадает в область малых потерь кварцевых волоконных оптических световодов. В сочетании с присущими ему высокими значениями удельных энергетических параметров перечисленные достоинства выводят кислород-йодный лазер в число реальных кандидатов на роль мощного источника излучения, пригодного для технологического применения.

Действие лазера основано на возможности создания инверсной населенности уровней 2Р\/2 — 2Тз/2 атомарного йода за счет столкно-вительной передачи энергии от молекулярного синглетного кислорода О^Д). Диаграмма электронных уровней компонентов активной среды, показанной на рис. 4, поясняет принцип действия кислород-йодного лазера. Газообразный синглетный кислород получают в гетерогенной реакции хлорирования щелочного раствора перекиси водорода:

Н202 + 2КаОН + С12 02(гД) + 2КаС1.

Электронно-возбужденный кислород используется для диссоциации небольшого количества 12 (12/02 « 0,02). Энергия, запасенная в Ог^Д), передается затем атомарному йоду:

1(^3/2) + 02(!Д) -> 1(2Р1/2) + 02(3£)

и лазерный эффект имеет место на длине волны А = 1,315 мкм.

Химическая реакция, в которой получают 02(гД), чрезвычайно экзотермична, и почти 100 % образующегося в реакции кислорода находится в электронно-возбужденном состоянии. Однако гетерогенные и гомогенные дезактивационные процессы снижают долю возбужденного

1

о

о ю

Т "

-о^ч

-оSi)

uxî

7КП {Ulf пм)

■

■ vu ■

Рис. 4. Диаграмма электронных уровней компонентов активной среды химического кислород-йодного лазера.

кон . н,о,

(ВНР)

I

о ОСНЕЯАТОП CONDENSER

Н.0 ^

USER CAIN REGION (1*)

I I

к a

h,O

SUPtRSOWC NOZZLE

OpScW CWV*Y A»*T. Owe« СЫ4 Тгжр ТпгаМпАму.

fkm Vtfv«

Г^лкКМ

Рис. 5. Схема сверхзвукового химического кислород-йодного лазера.

кислорода. Подробный анализ потерь запасенной энергии выполнен в [50].

Технология кислород-йодных лазеров прошла несколько стадий развития. Согласно [51], можно выделить четыре основных этапа: дозвуковые системы (1977-1984 гг.); демонстрация возможности создания сверхзвуковых систем (1982-1984 гг.); инженерное воплощение сверхзвуковых лазеров (1984-1989 гг.) и, наконец, стадия повышения эффективности, продолжающаяся по настоящее время. За этот период достаточно полно исследованы физико-химические процессы получения 02(1А) (см., например, [50, 51]), релаксационный механизм в активной среде (например, [52]), процессы смешения в потоке О2 — Не и диссоциации I2 [50], газодинамика сопла [53], улучшено понимание основных источников потерь запасенной энергии [50]. Переход к сверхзвуковым скоростям прокачки позволил существенно уменьшить габариты рабочей части, снизить температуру в резонаторе (увеличив тем самым эффективность лазера) и уменьшить градиенты плотности в резонаторе, ухудшающие качество излучения.

Важной проблемой при создании эффективного сверхзвукового кислород-йодного лазера является получение синглетного кислорода высокого давления. Среди исследованных концепций [50, 54] одной из наиболее перспективных следует считать струйный генератор. В недавно опубликованной статье [55] сообщается о работе компактного струйного генератора при давлении кислорода ~ 100 Topp с долей 02(2А), примерно равной 60%.

Уже в условиях дозвуковых скоростей прокачки были созданы установки киловаттного класса [51, 56] с эффективностью преобразования теплоты химической реакции в излучение г/ « 10 % и плотностью энергии излучения J = 5-7 Вт/см2. С переходом на сверхзвуковой режим эти показатели значительно улучшились. Так, коэффициент полезного действия самого мощного на сегодняшний день кислород-йодного лазера 1] = 24 %, а значение S = 172 Вт/см2.

Газодинамика мощных лазеров. Проблемы и постановка задач исследования.

Описанный выше принцип работы газодинамических и (рассматриваемых здесь) химических лазеров реализуются в устройствах, схема которых приведена на рис. 2, 3, 5. Несмотря на различие способов получения инверсии населенности, состава смеси и параметров потока, можно констатировать принципиальное сходство проточной части мощных лазерных систем, состоящей из камеры сгорания (в случае кислород-йодного лазера ее роль выполняет генератор 0-2(1Д)), блока сверхзвуковых сопел, рабочей части с резонатором и системы выхлопа в атмосферу. На рис. 3 мы видим те же элементы конструкции (камеры сгорания, сопла, диффузоры, эжектора), которые входят в состав авиационных двигателей и аэродинамических труб. Поэтому знания и опыт, накопленные в процессе их создания, были использованы применительно к лазерным системам. В целом, уровень знаний в области газодинамики на момент появления каждого нового типа проточного лазера оказывался достаточным для демонстрации принципиальной возможности создания мощных систем. Однако в процессе развития и совершенствования лазеров возникали новые проблемы, требовавшие новых подходов к их решению. Среди них имеются как задачи газовой динамики и динамики вязкой жидкости, так и задачи физико-химической газодинамики с привлечением методов и аппарата физической оптики.

К числу элементов, для конструирования которых не требовалось принципиально новых решений, следует в первую очередь отнести камеры сгорания СО2-ГДЛ и НГ-лазеров. Имеющийся "задел позволял создавать эффективные конструкции, опираясь на опыт разработки авиационных и ракетных двигателей. Свидетельством этого является отсутствие в научной литературе публикаций по газодинамике камер сгорания для лазерных систем.

Менее изучены процессы в генераторах синглетного кислорода. Здесь имеет место слолсное двухфазное течение (газ — пленка, барбо-таж, газ — струи, газ — капли) с гетерогенными реакциями. Сходные процессы массообмена идут в камерах сгорания авиационных двигателей, а также в химических и энергетических аппаратах. В каждом случае строится соответствующая физическая модель-, учитывающая специфику процесса. Поэтому при создании технологических комплексов на основе кислород-йодного лазера также потребуется уточнение соответствующих физической и математической модели.

Конструирование эжекторов таклсе в основном опирается на опыт их разработки в энергетике и применительно к аэродинамическим трубам. Определенные трудности возникли при создании парового эжектора в ходе наземных испытаний HF-лазера ALPHA, предназначенного для работы в космосе. Однако после проведения дополнительных исследований все трудности были преодолены [57 .

Газодинамические проблемы мощных лазерных систем со сверхзвуковой прокачкой газа в значительной степени обусловлены сопловым устройством. На рис. 2, 3, 5 показаны типичные конфигурации сопловых блоков, применяемых в газодинамических и химических лазерах. Чаще всего они выполняются в виде набора плоских сопел. Поскольку во всех случаях требуется быстрое расширение потока, используются короткие сопла с малой высотой критического сечения.

Форма сверхзвуковой части (при фиксированном значении других параметров) существенно влияет на скорость физических и химических процессов в сопле. В этой связи валшой проблемой является выбор оптимального контура. Требования к однородности потока в выходном сечении сопла несколько различны для рассматриваемых типов лазеров, но во всех случаях недопустимо появление в потоке интенсивных скачков уплотнения.

В газодинамических лазерах проблема градиентов плотности и обусловленные ими ухудшения характеристик лазерного луча гораздо бо-

лее существенны, чем в химических лазерах. Изменение фазы поперек луча пропорционально плотности, длине области усиления и вариации плотности. Давление в резонаторе ГДЛ достигает десятков килопаскалей, а необходимая длина усиливающей зоны относительно большая (так как коэффициент усиления активной среды сравнительно мал). В этих условиях для обеспечения удовлетворительных оптических характеристик луча возмущения плотности в ядре потока на выходе из сопла должны быть очень малы. Качество потока на срезе сопла должно быть почти таким же, как в аэродинамических трубах, но при этом высота критического сечения сопла (/г* «'0,1-0,5 мм) существенно меньше, чем в аэродинамических установках, а количество сопел может достигать нескольких десятков.

Из сказанного следует, что изготовление соплового блока ГДЛ с расчетным профилем сверхзвуковой части представляет сложную техническую проблему. В связи с этим представляет интерес поиск упрощенных (технологических) контуров, обеспечивающих приемлемое качество потока.

Помимо возмущений, вызванных отличием контура сопла от идеального, в потоке наблюдается семейство ударных волн, берущих начало на верхней и нижней стенках резонатора, обусловленные трехмерным характером течения в сопловой решетке. Эффекты взаимодействия пограничного слоя с внешним потоком вблизи боковой (плоской) стенки сопла очень трудны для расчета. В этих условиях необходимы экспериментальные исследования течения над боковой стенкой сопла и поиск путей уменьшения неблагоприятного воздействия боковых скачков уплотнения.

Наряду с блоком, составленным из профилированных сопловых лопаток, в лабораторной практике находят применение так называемые сотовые сопла, представляющие собой пластину с просверленными в ней мелкими профилированными отверстиями. Сотовые блоки проще в изготовлении, однако в крупных установках они пока не нашли при-

менения.

Чтобы определить потенциальные возможности лазера с сотовым соплом, необходима оптимизация геометрии индивидуального микросопла и всего блока в целом, направленная на улучшение газодинамического качества потока в резонаторной полости, уменьшение потерь давления, связанных с особенностями конструкции блока, и увеличение энергетических характеристик.

Процессы смешения представлены в лазерной газодинамике спектром сложных задач. Эти процессы имеют место во всех мощных лазерах. В гомогенных ГДЛ вдув воздуха часто используют для управления пограничным слоем в диффузорах. В ГДЛ с селективным возбуждением поток углекислого газа перемешивается с колебательно возбужденным азотом. В НГ-лазерах вблизи среза сопла к потоку окислителя подмешивается горючее, а в кислород-йодном лазере струи ¡2 перемешиваются с основным потоком, содержащим синглетный кислород. За исключением первого примера перемешивание сопровождается химическими или физическими процессами. И во всех случаях требуется быстрое смешение до молекулярного уровня. Поэтому обычно вторичный поток вдувают через систему мелких отверстий под углом к основному течению. Трехмерный характер течения и многопараме-тричность задачи затрудняют анализ и интерпретацию полученных результатов. В проблеме смешения системы струй, вдуваемых под углом к основному потоку, пока недостаточно данных общего характера. Поэтому найденную для конкретных условий совокупность определяющих параметров зачастую невозможно непосредственно использовать в других условиях. Так, например, авторы работы [51] считают, что потребуется новая оптимизация хорошо отработанной конструкции смесительного устройства установки 11о1;оС01Ь при переходе на режим работы с увеличенным давлением торможения.

Специфика течения в резонаторной полости состоит в том, что оно формируется многосопловым устройством. При этом газодинамиче-

ские процессы в резонаторе газодинамического и кислород-йодного лазеров в значительной мере сходны. В отличие от традиционного и хорошо исследованного течения в следе, развивающегося в безграничном потоке, здесь имеет место система параллельных следов в ограниченном (осями соседних сопел) пространстве. Необычен и генератор следа — сопловая лопатка. На систему следов в резонаторе накладываются возмущения, возникающие при обтекании кромок сопел, которые по условиям механической прочности имеют конечную толщину. Знание структуры потока за срезом соплового блока необходимо для создания методов расчета резонатора, адекватно учитывающих реальные свойства активной среды лазера.

Для большинства исследованных вариантов НР-лазера проблема газодинамики следа не столь актуальна. (Исключение представляет конструкция " источникового" сопла [46], где след имеет те же особенности.) На первый план здесь выходят процессы смешения. Чтобы интенсифицировать перемешивание в потоке низкой плотности, используют механические турбулизаторы [58] или вдув газа в сопле, предшествующий впрыску горючего [46]. Инертный газ подается также в обширные донные области в плоскости среза соплового блока, потребность в которых обусловлена возможностью теплового запирания. Выбор оптимальной геометрии узлов вдува и параметров нескольких потоков представляет очень сложную проблему, решение которой идет путем последовательной оптимизации многочисленных вариантов соплового блока [46] с использованием результатов численных расчетов, основанных на физических и расчетных моделях различной сложности (см., например, [48, 59]).

Две чисто газодинамические проблемы резонатора связаны с размещением зеркал. Чтобы избежать воздействия потока на "глухие" зеркала, последние размещают в глубоких полостях (нишах). Вдуваемый в полость инертный газ снижает концентрацию излучающего газа и уменьшает температуру смеси. Течение в прямоугольных нишах ис-

следовалось ранее [60], однако для оптимизации геометрии узла вдува необходимо изучить процессы массообмена вторичного потока с парой вихрей в полости.

"Выводные" зеркала мощных лазерных систем располагаются вне проточной части установки. Разность давлений между атмосферой и средой внутри резонатора поддерживается с помощью аэродинамического окна. Хорошие результаты получены с использованием конструкции [61], показанной на рис. 6. В целом проблему вывода мощного излучения из резонатора можно считать решенной.

Серьезные трудности при создании мощных лазерных систем вызвало конструирование сверхзвукового диффузора. Габариты и масса лазерного диффузора вносят основной вклад в соответствующие характеристики всей установки в целом. Оба эти параметра оказались совершенно неприемлемыми для автономных технологических комплексов. При этом эффективность восстановления давления оказалась существенно ниже, чем в аэродинамических трубах, где она и так весьма мала и не превышает перепада на прямом скачке.

Сечение канала на входе в лазерный диффузор имеет вид вытянутого прямоугольника, в то время как основная часть экспериментальных данных получена для осесимметричных каналов. Непосредственное использование этих результатов для проектирования лазерных диффузоров показало, что механизм псевдоскачка в них реализуется не полностью. Некоторую неопределенность в интерпретацию результатов измерений вносит конструкция соплового блока. Например, в [62] высказывалось предположение, что в установках с сотовым соплом дополнительные потери, обусловленные его конструкцией, должны существенно снизить эффективность восстановления давления. В целом можно согласится с автором обзора [63], опубликованном в 1978 г, что успеха в решении проблемы диффузора можно достичь, если рассматривать ее как одну из основных задач исследования мощных лазерных систем. Впоследствии в ряде работ (в том числе и выполненных авто-

Подвод газа

Подвод газа

Высокое давшие ■ Р-Рг

О '

Низкое давление а р--р,

(газ В резонаторе)

Высокое давление Р~-Рг

сброса

(ШШШШШЖ

Косая ударная волна

I

Низкое давление (газ в резонаторе)

Высокое давление Р-Рг

о'

Низкое давление Р=Р1

(газ В резонаторе)

Рис. Типы аэродинамических окон

ром) особенности торможения сверхзвукового потока в прямоугольном канале были установлены, в результате чего характеристики лазерных диффузоров были значительно улучшены.

Выше были рассмотрены основные задачи газовой динамики применительно к газодинамическим и химическим лазерам. Часть из них составляет предмет исследований настоящей работы.

Основная цель работы — проведение комплекса исследований, направленных на газодинамическое совершенствование проточной части газодинамических и химических лазеров.

В ходе выполнения работы решались следующие основные задачи:

— изучение течения в малоразмерных плоских соплах с различным контуром сверхзвуковой части;

— исследование влияния газодинамических возмущений, обусловленных контуром сопла, на оптические свойства инверсной среды газодинамического лазера;

— исследование газодинамических параметров потока, формируемого сотовым соплом;

— анализ энергетических характеристик активной среды ГДЛ с сотовым соплом;

— изучение структуры потока в резонаторной полости;

— исследование закономерностей перехода от сверхзвуковой к дозвуковой скорости потока в прямоугольном канале;

— анализ эффективности восстановления давления в канале за сотовым соплом;

— исследование влияния определяющих параметров на характеристики сверхзвуковых диффузоров прямоугольного сечения с целью оптимизации его внутренней геометрии.

Необходимо отметить некоторые особенности диссертации.

1. Вошедшие в диссертацию материалы — результаты многолетних исследований в области газодинамики лазеров. Поэтому постановку задач и полученные результаты нужно рассматривать в историческом

аспекте, с учетом тенденций развития техники мощных лазерных систем.

2. Результаты исследований в большей степени соответствуют условиям работы газодинамических лазеров. Однако значительная их часть применима и для анализа рабочего процесса в химических лазерах со сверхзвуковой прокачкой газа.

3. При решении ряда задач расширялся диапазон вариации параметров, благодаря чему результаты исследований приобрели более общий характер и могут быть использованы в смежных областях знаний.

Первая глава диссертации посвящена газодинамическим проблемам лопаточного соплового блока и влияния реальной структуры потока на оптические характеристики среды С02 — ГДЛ. Приведены результаты экспериментального исследования течения в малоразмерных соплах с различным контуром сверхзвуковой части. Особое внимание уделяется характеристикам простых в изготовлении сопел, обеспечивающих получение высокой однородности потока на выходе. Подробно описаны эксперименты, в которых изучаются особенности течения вблизи боковой (плоской) стенки сопла, условия формирования бокового скачка уплотнения и методы компенсации неблагоприятного влияния скачка на поток. Рассмотрены проблемы соплового блока, обусловленные неидеальностью сборки, и влияние технологических факторов на однородность потока. Представлены результаты исследования течения релаксирующей смеси газов в плоских соплах и анализируется соответствие полученных экспериментальных данных различным расчетным моделям.

Вторая глава посвящена анализу характеристик потока, формируемого сотовым соплом. Приводятся результаты расчетов параметров полностью перемешанного потока, полученных в широком диапазоне определяющих параметров. Дается описание экспериментов, в ходе которых исследовалась динамика выравнивания полей газодинамических параметров по мере удаления от среза сопла. Проводятся результаты

измерения пульсационных характеристик потока.

Исследуется зависимость коэффициента расхода индивидуального микросопла от основных геометрических и режимных параметров. Рассмотрены результаты численного расчета течения реагирующей смеси газов в отдельном микросопле и в канале постоянного сечения, пристыкованного к сотовому блоку.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования течения в канале за лопаточным сопловым блоком. Рассмотрены детали структуры потока и поля газодинамических параметров в области резонатора при вариации толщины кромки сопла и угла наклона контура сопла в выходном сечении. Анализируется зависимость для интенсивности нарастания толщины следа и затухания скорости на оси. Дается сопоставление с характеристиками несжимаемого следа в безграничном потоке. Приведены результаты измерения донного давления на торце сопловой лопатки в условиях толстого пограничного слоя.

Закономерности течения в псевдоскачке служат основой для проектирования сверхзвуковых диффузоров. В четвертой главе рассмотрены особенности перехода от сверхзвукового к дозвуковому течению в прямоугольном канале с различным соотношением сторон. Приведена универсальная зависимость для определения длинь: псевдоскачка, полученная с учетом данных других авторов. Анализируются результаты измерений эффективности восстановления давления и вопрос о потерях давления, обусловленных вязкостью. Рассмотрены методы интенсификации процессов в псевдоскачке.

Обширные исследования характеристик сверхзвуковых диффузоров прямоугольного сечения составляют содержание пятой главы. Здесь представлены результаты измерений характеристик типичных конструкций прямоугольных диффузоров. В ходе экспериментов исследовалась роль основных режимных и геометрических параметров. Особое внимание уделялось изучению характеристик коротких диффузо-

ров. Приведены обобщающие зависимости для определения давления запуска, полученные с использованием всех имеющихся литературных данных. Рассмотрены новые концепции компактных и высокоэффективных диффузоров для лазеров.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Кталхерман, Марат Григорьевич

Основные результаты и выводы можно сформулировать следующим образом.

1. Подтверждена целесообразность использования в газодинамических лазерах сопловых лопаток, сверхзвуковой контур которых выполнен по дуге эллипса. Разработана методика нахождения оптимального эллиптического контура, с высокой точностью аппроксимирующего расчетный профиль сопла минимальной длины, эффективность применения которого обоснована экспериментально в диапазоне параметров, характерных для ГДЛ. Детально изучены эффекты вязко-невязкого взаимодействия над боковой стенкой плоского сопла с угловой точкой и рассмотрены некоторые способы управления течением, ослабляющие неблагоприятное воздействие на оптическое качество излучения бокового скачка уплотнения, обнаруживаемого в соплах с малой высотой критического сечения.

2. На основе исследований аэрофизических характеристик течения обоснована перспективность использования в газодинамических лазерах блока осесимметричных сопел, создающего на расстоянии, приемлемом по условиям физического процесса, практически однородный поток с низким уровнем турбулентности. С помощью простых физических моделей показана преобладающая роль донного сопротивления и пограничного слоя на срезе сопла в механизме затухания неоднородностей вниз по потоку. Обнаружена восходящая ветвь зависимости коэффициента расхода индивидуального сопла блока от угла сужения, появление которой обусловлено спецификой геометрии входа.

Обоснованность выводов по сотовым соплам подтверждена расчетом энергетических характеристик ГДЛ, работающего на перспективных топливных композициях.

3. Установлена локальная автомодельность течения в следе за сопловой лопаткой, развивающегося в ограниченном внешнем потоке в присутствии продольного градиента давления и волновых возмущений. Влияние возмущающих факторов учтено в рамках линеаризованной модели следа. Показано, что зафиксированный в экспериментах высокий уровень давления на донном срезе лопатки, ослабляющий неблагоприятное воздействие волновых возмущений от торцов лопаток, позволяет обеспечить тем самым большую жесткость конструкции соплового блока. Из анализа результатов измерений установлен допустимый (по условиям однородного течения) угол наклона контура сопловой лопатки на срезе, определяющий длину технологичного сопла.

4. Детально исследовано течение в прямоугольном канале в режиме псевдоскачка и приведена методика определения его основных характеристик. Показана возможность эффективного управления процессом в псевдоскачке путем введения в поток искусственных возмущений (плохообтекаемые тела, поперечный вдув струй). Установлено, что роль начального пограничного слоя в механизме псевдоскачка можно учесть выбором определяющего числа Маха в начальном сечении. Определен эффективный размер сечения прямоугольного канала, с помощью которого получена обобщающая зависимость длины псевдоскачка от характерного числа Маха, совпадающая с аналогичной для цилиндрических труб.

5. В результате исследований газодинамики лазерных диффузоров показано, что давление запуска установок с оптимизированной внутренней геометрией определяется относительной длиной диффузора и относительным расстоянием между соплом и диффузором. С использованием введенного в работе эффективного размера прямоугольного канала получена обобщающая зависимость для определения давления запуска. Предложены и исследованы новые перспективные концепции высокоэффективных диффузоров, основанных на принципах многорядносги плоских секционных конструкций и искусственной интенсификации процесса восстановления давления в области псевдоскачка. Показана возможность создания компактных лазерных диффузоров, давление запуска которых близко к давлению запуска идеального диффузора.

6. В целом на основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований обоснованы требования к внутренней геометрии основных элементов проточной части газодинамических лазеров (а в части диффузоров — и химических лазеров) с точки зрения достижения высокой эффективности рабочего процесса при соблюдении технологичности изготовления конструкции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Кталхерман, Марат Григорьевич, 1998 год

Список литературы

[1] Javan A. Possibility of production of negative temperature in gas discharges // Physical Review Letters. 1959. V. 3, P. 87-89.

[2] Басов H. Г., Ораевский А. H. Получение отрицательных температур методом нагрева и охлаждения системы // ЖЭТФ. 1963. Т. 44, № 5. С. 1742-1745.

[3] Hurle I. R. and Hertzberg A. Electronic population inversions by fluid-mechanical techniques // Physics of fluids. 1965. V. 8, P. 1601.

[4] Конюхов В. К., Прохоров A. M. Инверсная населенность при адиабатическом расширении газовой смеси // Письма в ЖЭТФ. 1966. Т. 3, № 11. С. 436.

[5] Басов Н. Г., Ораевский А. Н., Щеглов В. А. Тепловые методы возбуждения лазеров // ЖТФ. 1967. Т. 40, № 1. С. 339.

[6] Бирюков А. С., Гордиец Б. Ф., Шелепин Л. А. // ЖЭТФ. 1968. Т. 55, № 10. С. 1456.

[7] Бирюков А. С., Шелепин Л. А. // ЖЭТФ. 1970. Т. 40, № 12. С. 2575.

[8] Конюхов В. К., Матросов И. В., Прохоров А. М. Колебательная релаксация молекул С02 и N2 в расширяющейся сверхзвуковой газовой струе // Письма в ЖТФ. 1969. Т. 10, № 2. С. 8486.

[9] Басов Н. Г., Михайлов В. Т., Ораевский А. Н. и др. Получение инверсной населенности молекул в сверхзвуковом потоке бинарного газа в сопле Лаваля // ЖТФ. 1968. Т. 38, № 12. С. 2031-2037.

[10] Gerry Б. Т. Gasdynamic Lasers // IEEE Spectrum. 1970. V. 7, No . P. 51-58.

[11] Beaulieu A. J. Transversely Exited Atmospheric Pressure CO2 Lasers // Applied Physics Letters. 1970. V. 16, P. 504-505.

[12] Fertensmacher C. A., Nutter M. J., Levand W. T. and Bayer K. Electron Beam Controlled Electrical Discharge as a Method of Pumping Large Volumes of CO2 Laser. Media at High Pressure // Applied Physics Letters. 1972. V. 17, P. 55-60.

[13] Rich J. W., Thomson H. M., Treanor С. E. and Daibeiv J. W.

/

An Electrically Exited Gasdynamic Carbon Monoxide Laser // Applied Physics Letters. 1971. V. 19 P. 230-232.

[14] Bhaymic M. L., Lacina W. B. and Mann M. M. Characteristics of a CO Laser // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1972. V. QE-8, № 2. С. 150-160.

[15] Polanyi J. C. Proposal for an infrared maser dependent on Vibrational excitation // J. Chem. Phys. 1961. V. 34, No 1. P. 347348.

[16] Ораевский A. H. Возникновение отрицательных температур при химических реакциях // ЖЭТФ. 1963. Т. 45, № 2. С. 177179.

[17] Тальрозе В. Л. К вопросу о генерировании когерентного индуцированного излучения в химических реакциях // Кинетика и катализ. 1964. Т. 5, № 1. С. 11-27.

[18] Kasper J. V. and Pimental G. C. HC1 Chemical Laser // Phys. Rev. Lett. 1965. V. 14, No 10. P. 352-354.

[19] Airey J. R. and McKay S. F. A Supersonics Mixing Chemical Laser // Applied Physics Letters. 1969. V. 15, No 12. P. 401-403.

[20] Spencer D. J., Jacobs T. A., Mirels H. and Gross R. W. F.

Continuous-wave Chemical Laser // International Journal of Chemical Kinetics. 1969. V. 28, No 9. P. 493-494.

[21] McDermott W. E., Pchelkin N. R., Benard D. J. and Bousek R. R. // Appl. Phys. Lett. 1978. V. 32. P. 469.

[22] Hon J. F., Plummer D. N., Crowell P. G. et al. euristic Method for Evaluating COIL Performance // AIAA Paper. No 942422.

[23] Лосев С. А. Газодинамические лазеры. M.: Наука, 1977.

[25] Антропов Е. Т., Карпухин В. Т., Конев Ю.Б. Теоретическое исследование характеристик высокотемпературных газодинамических лазер // Препринт ИВТАН № 5-37. М., 1997.

Ананьевский М. Г., Карпухин В. Т. и др. О возможности применения в металлургии газодинамического лазера с высокотемпературным нагревателем рабочего тела // ТВТ. 1981. Т. 19, № 2. С. 391-394.

[26] Кталхерман М. Г., Мальков В. М., Петухов А. В. Коэффициент усиления в газодинамическом лазере на продуктах горения бензола // Квантовая электродинамика. 1977. Т.'4, № 1. С. 173.

[27] Кталхерман М. Г., Мальков В. М., Петухов А. В., Харитонова Я. И. Экспериментальное исследование коэффициентов

[24] Андерсон Дж. Газодинамические лазеры. Введение. М.: Мир,

1979.

усиления в газодинамическом СОг-лазере на продуктах горения ряда жидких углеводородных топлив // Физика горения и взрыва. 1977. Т. 13, № 6. С. 939.

[28] Кталхерман М. Г., Мальков В. М., Шевырин А. Ю., Шейтельман Г. Ю. Влияние параметров торможения, размеров и контура сопла на коэффициент усиления в ГДЛ на продуктах сгорания жидких углеводородных топлив // . Физика горения и взрыва. 1979. Т. 15, № 6. С. 64-76.

[29] Saunders R. S, Otten S. J. Preheated Combustion-driven Gasdynamic Lasers. // AIAA Paper. 1976. No 76-58. '

[30] Хилл P. Дж., Джуэл H. Г., Джонс А. Г, Прайс В. Б.

Воздушные газодинамические лазеры // Ракетная техника и космонавтика. 1978. Т. 16, № 3. С. 119.

[31] Гордеев В. В., Сериков Р. И., Старик А. М. Энергетические характеристики воздушных газодинамических лазеров // Тр. ЦИАМ. 1980. № 950.

[32] Кассади П. Э., Пиндро А. Л., Ньютон Дж. Ф. Потенциальные возможности перспективных схем газодинамического лазера // Ракетная техника и космонавтика. 1979. Т. 17, № 8. С. 5970.

[33] Сальников В. А., Старик А. М. Численный анализ энергетических характеристик газодинамических лазеров на продуктах сгорания углеводородных топлив // Теплофизика высоких температур. 1995. Т. 33, № 1. С. 121-133.

[34] Кудрявцев Н. Н., Новиков С. С., Светличный И. Б. Влияние неравновесной химической накачки на усиление излучения СОг-лазера в продуктах реакции СО + N2O // Докл. АН СССР. 1976. Т. 231, № 5. С. 1113-1114.

[35] Ковтун В. В., Кудрявцев Н. Н., Новиков С. С. и др. //

Докл. АН СССР. 1978. Т. 241, № 2. С. 337-341.

[36] Воробьев М. В., Новиков С. С., Светличный И. В., Шагов П. Н. Двухстадийное горение высокоэнергетических конденсированных систем как источник активной среды газодинамического С02-лазера // Докл. АН СССР. 1995. Т. 344, № 3. С. 337340.

[37] Taran J. P. Е., Charpenel М., Borghi R. Investigate^ of а Mixing С02 GDL // AIAA Paper. 1973. No 73-622.

[38] Солоухин P. И., Фомин H. А. Газодинамические лазеры на смешении. Минск: Наука, 1980.

[39] Химические лазеры / Под ред. Н. Г. Басова. М.: Наука, 1982.

[40] Химические лазеры / Под ред. Р. Гросса и Дж. Ботта. М.: Мир, 1980.

[41] Аблеков В. К., Денисов Ю. Н. Проточные химические лазеры. М.: Энергоатомиздат, 1987.

[42] Wildt D. Space Based Chemical Lasers in Strategic Defense // AIAA Paper. 1992. No 92-2976.

[43] Wildt D., Griff N. and Kline D. Space Based Laser Overview //

[44] Fujii H., Yoshida S., Iizuka M., and Atsuta T. Development of High-power Chemical Oxygen-iodine Laser for Industrial Application // J. Appl. Phys. 1990. V. 67, No 9. P. 3948-3953.

[45] Schall W. O., Bonn W. L., Handke J. Der Chemische Sauerstoff-Iodlaser der DLR // DLR Nachrichten. 1995. H. 79. P. 37-41.

[46] Duncan W., Patterson S., Graves B. Recent Progress in Hydrogen Fluoride Overtone Chemical Lasers // AIAA Paper. 1991. No 91-1480.

[47] Warren W. R., Schneider L. E. and Warren D. N2F4/D2 Combustion Drivers for CW HF Lasers // AIAA Paper. 1993. No 933232.

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

[49] Spencer D. J., Bixer H. A., Durran D. A. // Appl. Phys. Lett. 1972. V. 43, No . P. 1151.

[50] Truesdell K. A., Lamberson S. E. and Hager G. D. Phillips Laboratory COIL Technology Overview // AIAA Paper. 1992. No 92-3003.

[51] Truesdell K. A., Helms C. A. and Hager G. D. COIL

Development in the USA // AIAA Paper. 1994. No 94-2421.

[52] Дидюков А. И., Кулагин Ю. А., Шелепин JI. А., Ярыги-

на В. H. // Квантовая электроника. 1989. Т. 16, № . С. 892.

[53] Scott J. Е., Shaw J. L. R., Truesdell K. A., Hager G. D., and Helms C. A. Design Consideration for the Chemical Oxygen-iodine Supersonic Mixing Nozzle // AIAA Paper. 1994. No 94-2436.

[54] McDermot W. E. The Generation of Singlet Delta Oxygen — a Technology Update // AIAA Paper. 1993. No 93-3219.

[55] Азязов В. H., Загидуллин М. В., Николаев В. Д., Свистун М. И., Хватов Н. А. Струйный генератор Ог^Д) с давлением кислорода до 13,3 кПа // Квантовая электроника. 1994. Т. 21, № 2.

[56] Вагин Н. П., Карапетян Д. Г., Коношенко А. Ф., Крюков П. Г., Пазюк В. С., Томашов В. Н., Юры-

шев Н. Н. Экспериментальное исследование химического кислородно-йодного лазера // Тр. Физического института им. П. Н Лебедева. 1989. Т. 194.

[57] Hook D., Magiawala K., Haflinger D., and Behrens H. An

Ejector System for Space Simulation of the ALPHA Laser // AIAA Paper. 1992. No 92-2981.

[58] Дрисколл P. Дж. Интенсификация процесса смешения в химических лазерах // Аэрокосмическая техника. 1987. № 6. С. 111121.

[59] Лапин Ю. В., Стрелец М. X. Внутренние течения газовых смесей. М.: Наука, 1979.

[60] Чжен П. Отрывные течения. Т. 2. М.: Мир, 1973.

[61] Parmentier Е. М. Supersonic flow aerodynamic window for high power lasers. // AIAA Paper. No 72-710. 1972.

[62] Петров Г. И. Задачи газовой динамики применительно к газодинамическим лазерам. — В сб.: Газодинамические лазеры и лазерная фотохимия. М.: Изд-во МГУ, 1978.

[63] Hertzberg A. High-power Gas Lasers Applications and Future Developments // J of Energy. 1977. V. 1, No 6. P. 331-346.

[64] Пирумов И. Г., Росляков Г. С. Газовая динамика сопел. М.: Наука, 1990.

[65] Кталхерман М. Г., Мальков В. М., Рубан Н. А. Влияние газодинамических возмущений в сверхзвуковом потоке на оптические свойства мнверсной среды СО2-ГДЛ // Теплофизика высоких температур. 1980. Т. 18, № 3. С. 572-476.

[66] Бирюков А. С., Сериков Р. И., Старик Л. И., Шеле-

пин Л. А. Влияние неоднородностей параметров потока на характеристики рабочих сред С02- и ^О-газодинамических лазеров // Квантовая электроника. 1977. Т. 4., № 4. С. 787-792.

[67] Чефанов В. М. Течения газа в области горла сверхзвукового сопла // В сб. Газодинамика двигателей летательных аппаратов. Вып. 1, С. 18-22. Казань, 1978.

[68] Денисов И. Н., Мосеев Ю. В., Сивиркин В. Ф., Цыби-

зов Ю. И. Результаты экспериментального исследования плоских и осесимметричных сопел Лаваля //В межвуз. сб. Газодинамика двигателей летательных аппаратов. Казань, КАИ. 1980.

[69] Цыбизов Ю. И. Течение на входе в сверхзвуковую часть регулируемого сопла Лаваля ГТД // Изв. вузов. Авиационная техника. 1996. № 3. С. 63-67.

[70] Макаров В. Н. Туник Ю. В. Определение оптимальных параметров сопла в газодинамическом лазере // ПМТФ. 1978. № 5. С. 23-26.

[71] Киреев В. И., Минин С. Н., Шиповских А. В. Влияние профиля сопла на характеристики газодинамического лазера // Изв. АН СССР. МЖГ. 1982. № 6. С. 163-167.

[72] Верховский В. П. Численный расчет плоских сверхзвуковых сопл с изломом контура. Таблицы координат сопл на числа М =3-7 // Тр. ЦАГИ. 1975. Вып. 1680.

[73] Кталхерман М. Г., Мальков В. М., Рубан Н. А. Экспериментальное исследование течения в соплах газодинамических лазеров // Изв. АН СССР. МЖГ. 1980. № 5. С. 178-182.

[74] Васильев Ю. Л., Минин С. Н., Шиповских А. В. Исследование структуры течения в соплах с участком постоянной высоты в области минимального сечения // Изв. АН СССР. МЖГ. 1990. № 6. С. 160-166.

[75] Сальников В. А. Об особенностях течения колебательно ре-лаксирующего газа в соплах с участком постоянного сечения в области горла // ПМТФ. 1984. № 3. С. 61-63.

[76] Тагиров Р. К., Чефанов В. М. Расчетно-экспериментальное исследование газодинамики плоских симметричных сопел, имеющих участок постоянной высоты и две точки излома контура в области критического сечения // Изв. АН СССР. МЖГ, 1983. N°. 4. С. 100-105.

[77] Director М. N. Aerodynamic parameters affecting practical gas dynamic laser design // AIAA Paper. No 73-626. 1973.

[78] Zimet E., Leverance R. A., Winder E. M. Density nonuniformitice in a gas dynamic laser cavity // AIAA Paper. N 73627. 1973.

[79] Deuto B. G., O'Neil B. D., Forgham J. L., Hedin V. A.

Optical history of the high energy gas dynamic laser.

[80] Simons G. A. Decay of a boundary-layer induced shock // AIAA J. 1971. V. 9, N 7. C. 1417.

[81] Simons G. A. The effect of boundary layers on GDL medium homogeneity // AIAA Paper. No 72-709. 1972.

[82] Лапин Ю. В., Стрелец M. Л. Внутренние течения газовых смесей // М.: Наука. 1989.

[83] Виленский Ф. А., Кталхерман М. Г., Мальков В. М., Поляшев Н. Н., Соловьев А. В., Соломатин В. В., Шитов В. И. Авторское свидетельство N 269998 1.02.1988.

[84] Новоселов А. Г., Полуэктова И. Л., Пустогаров А. А., Шарков В. Ф., Шиповских А. В. Интерферометрические исследования оптического качества активной среды СО2-ГДЛ //В

сб. Газодинамика проточной части ГДЛ. Новосибирск, ИТПМ. 1987.

[85] Гесснер Ф. Б., Фергюсон С. Д., Лод К. X. Экспериментальное исследование сверхзвукового течения в канале квадратного сечения // Аэрокосмическая техника. 1987. № 12. С. 40.

[86] Дейвис Д. О., Гесснер Ф. Б. Дальнейшее экспериментальное исследование сверхзвукового течения в канале квадратного сечения // Аэрокосмическая техника. 1990. № 4. С. 138.

[87] Кузнецов А. Е., Стрелец. M. X., Шур М. Л. Расчет стационарных трехмерных течений вязкого газа в каналах и соплах // ТВТ. 1993. Т. 33, № 1. С. 395.

[88] Кталхерман М. Г., Мальков В. М.. Влияние определяющих параметров на коэффициент усиления в ГДЛ на продуктах сгорания // Исследование рабочего процесса газодинамических и химических лазеров. С. 33-83. Новосибирск, 1979.

[89] Ktalkherman M. G., Malkov V. M., Ruban N. A. Influence of flow structure on optical gain in gasdynamic lasers // Prog. Astron.

аис[ fcü>r>y. 88, P. 411-424. NY: AIAA, 1983.

[90] Кталхерман M. Г., Левин В. А., Мальков В. М., Туник Ю. И. Поле течения и коэффициенты усиления в резона-торной полости ГДЛ на продуктах горения керосина. Двумерный расчет и сравнение с экспериментом // ФГВ, 1979. Т. 15, № 1. С. 84-89.

[91] Walter R. F., Brown С. T., Rapagnani N. L. Vibration relaxation in streams of hydrocarbon combustion products // Flame structure. V. 2, Novosibirsk: Nauka, 1991.

[92] Левин В. А., Туник Ю. И. Движение редактирующей смеси газов в двумерных плоских соплах // Изв. АН СССР. МЖГ. 1976. № 1. С. 118.

[93] Мальков В. М., Соловьев А. В. Об одном методе численного интегрирования параболизованных уравнений Навье — Стокса, использованных для расчета течения в соплах ГДЛ // Газодинамика проточной части ГДЛ. Новосибирск. 1987.

[94] Кталхерман М. Г., Мальков В. М., Климчик Г. В., Рубан Н. А. Характеристики потока за блоком плоских сверхзвуковых сопел // Отчет ИТПМ СО РАН. № 2090. Новосибирск.

1991.

[95] Кталхерман М. Г., Мальков В. М., Рубан Н. А., Климчик Г. В. Газодинамические возмущения в потоке, обусловленные неидеальностью стыковки соплового блока ГДЛ с резонатор-ной полостью // Отчет ИТПМ СО РАН. № 2157. Новосибирск.

1992.

[96] Кталхерман М. Г., Мальков В. М., Петухов А. В. Стационарный ГДЛ, на продуктах сгорания смеси СО-Н2 в воздухе // Аэрофизические исследования. Вып. 5. Новосибирск, 1975.

[97] Кталхерман М. Г., Мальков В. М., Петухов А. В., Харитонова Я. И. Установка для исследования усилительных свойств сред газодинамических лазеров на продуктах горения // Всесоюзный симпозиум по методам аэрофизических исследований. Тезисы докладов. Новосибирск, 1979.

[98] Кталхерман М. Г., Мальков В. М., Рубан Н. А. Аэродинамика сопел газодинамических лазеров // Исследование рабочего процесса газодинамических и химических лазеров. Новосибирск. 1979.

[99] Кталхерман M. Г., Мальков В. M. Влияние определяющих параметров на коэффициент усиления в ГДЛ на продуктах сгорания // Исследование рабочего процесса газодинамических и химических лазеров. Новосибирск. 1079.

[100] Кталхерман М. Г., Мальков В. М., Пустогаров А. А., Шарков В. П., Шиповских А. В. Сопловая решетка газодинамического лазера / Авторское свидетельство N 1391419, 22 декабря 1987.

[101] Ktalkherman M. G., Malkov V. M.,Klimchik G. V. Flowfield structure near the side wall of supersonic rectangular nozzle // Proc. IGMAR-93. Novosibirsk, 1993.

[102] Кталхерман M. Г., Мальков В. M., Климчик Г. В. Исследование течения над боковой стенкой сопла ГДЛ // Теплофизика высоких температур. 1994. Т. 32, № 4. С. 583-589.

[103] Пэнкхерст Р., Холдер Д. Техника эксперимента в аэродинамических трубах. М.: ИЛ, 1955.

[104] Handbook of supersonic aerodynamics. Sect. 17. Ducts, nozzles and diffusera. P.233-234. Washington, 1964.

[105] Kassady P.E., Newton J., Rose P. A new mixing gasdynamics lasers // AIAA Paper No 76-343. 1976.

[106] Борейшо А. С., Лебедев В. Ф., Лобачев В. В., Морозов А. В. Расчет характеристик смесительного СО-2-ГДЛ с сопловым блоком сотовой конструкции // ИФЖ. 1984. Т. 47, № 1. С. 53-59.

[107] Борейшо А. С., Сосинович В. А., Трофимов И. В., Фомин И.А., Цыганов В. А. Статистическая модель турбулентного смешения релаксирующих газов за решеткой.мелкомасштабных сопл // ИФЖ. 1988. Т. 55, № 1. С. 16-25.

[108] Рассел, Нейз, Роуз Сопловые решетки для газодинамических лазеров // РТК. 1975. Т. 13, № 5. С. 65-74.

[109] Vaydyanathan Т. S., Russel D. A. Wave-generated disturbance downstream of a nozzle array // AIAA J. 1985. V. 25, N 5. P. 749757.

[110] Sutton G. W. Effect of turbulent fluctuations in an optically active fluid medium // AIAA J. 1969. V. 7, N 9. C. 1737-1743.

[111] Филатов А. П. Экспериментальное исследование сверхзвуковых диффузоров при малых числах Re // Ученые записки ЦАГИ. 1977. Т. VIII, № 2. С. 115-122.

[112] Тихомиров Ю. А. Исследование влияния числа Re на коэффициент восстановления давления в диффузоре гиперзвуковой трубы. // Ученые записки ЦАГИ. 1977. Т. VIII, № 2. С. 110-114.

[113] Demetriades A. Observation on the transition process of two-dimensional supersonic wake // Phys. Fluids. 1969. V. 12, N 1. P. 2432.

[114] Demetriades, A. Turbulent mean flow measurements in a two-dimensional supersonic wake // Phys. Fluids. 1969. V. 12, N 1. P. 2432.

[115] Demetriades A. Mean flow measurements in an axisymmetric compressible turbulent wake // AIAA J. 1968. V. 6, N 3. P. 432439.

[116] Гогиш JI. В., Степанов Г.Ю. Турбулентные отрывные течения. М.: Наука, 1979.

[117] Тагиров Р. К. О необходимости донного торца для оптимальной кормовой части двумерного тела при наличии пограничного слоя // МЖГ. 1993. N2 4. С. 199-202.

[118] Лебига В. А. Вопросы измерения характеристик турбулентности осесимметричных течений // Методы и техника аэрофизических исследований. Новосибирск. 1978.

[119] Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука. 1969.

[120] Jonson D. A., Rose W. С. Laser velocimeter and hot-wire anemometer comparisons in a supersonic boundary layer // AIAA J. 1978. V. 13, No 4. P. 512-515.

[121] Тагиров P. К. Влияние пограничного слоя на расход и удельный импульс сужающегося сопла // Изв. ВУЗов. Авиационная техника. 1988. № 1. С. 71-81.

[122] Смит мл., Мате. Теоретический метод определения коэффициентов расхода для трубки Вентури, работающей в критическом режиме // Тр. амер. общ-ва инж.-механиков. Техническая механика. 1962. Т. 84, № 4. С. 23-38.

[123] Spalding D.B. GENMIX: A General Computer Program for Two-Dimensional Parabolic Phenomena. Pergamon Press, 1977. 1

[124] Fenain M., Dutougnet L.,Solignac J.-L. Calcul des performances d'une tuyere propulsive convergente comparison avec l'experience // Recherche Aerospatiale. 1974. № 5, P. 261-275.

[125] Косолапов Ю. С., Сивоброд В. А. Расчетно-теоретическое исследование истечения газа из плоских щелей и осесимметричных отверстий // Изв. АН СССР. МЖГ. 1984. №> 2, С. 109-115.

[126] Идиятулина Ф. Л., Лаврухин Г. Н., Михайлов Б. Н., Тагиров Р. К., Ягудин С. В. Расчетные и экспериментальные исследования влияния радиуса кривизны контура в области критического сечения на характеристики сверхзвуковых сопел // Ученые записки ЦАГИ. 1980. T. XI. С. 159-164.

[127] Абалаков Г. В., Чефанов В. М., Герасимов А. П. Экспериментальное исследование критических расходомерных сопел с прямолинейными образующими проточной части // Изв. ВУЗов. Авиационная техника. 1987. № 2. С. 3-7

[128] Мельников Д. А., Пирумов У. Г., Сергиенко А. А. Сопла реактивных двигателей. Аэродинамика и газовая динамика. М.: Наука, 1976. С. 53-75.

[129] Денисов И. Н. Экспериментальное исследование сужающихся сопел // Изв. ВУЗов. Авиационная техника. 1974. № 3. С. 49-55.

[130] Торнок, Браун Экспериментальное исследование течения вязкой жидкости в сужающихся конических соплах и сравнение с теоретическими результатами // Тр. амер. общ-ва инж.-механиков. Теоретические основы инженерных расчетов. 1972. № 4. С. 234241.

[131] Masure В. Problems de mesure sur magnette de la ponssee d'um arriese-corps d'avien supersonique tuyeres de reference. Inlets and Nozzles for Aerospace Engines, AGARD-CP-91-71.

[132] Ефремов H.À. Расходные характеристики сужающихся- расширяющихся сопел с цилиндрическим участком минимального сечения // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 1993. № 2. С. 164165.

[133] Тагиров Р. К. Теоретическое исследование истечения идеального газа в сужающихся соплах // Изв. АН СССР. МЖГ. 1978. № 2. С. 198-202.

[134] Зудов В. Н. Плоские несимметричные сопла в системе комбинированной силовой установки. // Методы аэрофизических исследований (V школа по методам аэрофизических исследований, 7-16 июля, Абакан). Новосибирск. ИТПМ. 1990.

[135] Абалаков Г. В., Чефанов В. М., Герасимов А. П. Влияние диаметра входа и радиуса скругления входной кромки горловины на коэффициент расхода сопел с прямолинейными образующими // Изв. ВУЗов. Авиационная техника. 1989. № 3. С. 78-80.

[136] Каффел, Бэк, Массье. Поле трансзвукового течения в сверхзвуковом сопле с малым радиусом кривизны сечения горла // РТК. 1969. № 7. С. 184-186.

[137] Головичев В. И. Учет вязких эффектов при анализе неравновесных течений в соплах ГДЛ. / Газодинамика течений в соплах и диффузорах. Новосибирск, ИТПМ, 1982.

[138] Golovichev V. I., Sinitsin А. P. Numerical modeling of vibrationally nonequilibrium flow in the presence of radial expansion // Gas flow and chemical lasers. Institute of Physics conference, series number 72. 1984.

[139] Patankar S. V., Spalding D. B. Heat and mass transfer in boundary layers. London: Intertext book, 1976.

[140] Баев В. К., Кталхерман М. Г., Мальков В. М., Рубан Н. А. Характеристики потока и восстановление давления в прямоугольном канале за решеткой осесимметричных сопел / Газодинамика течений в соплах и диффузорах. Новосибирск, ИТПМ, 1982.

[141] Аникин М. А., Кталхерман М. Г., Мальков В. М., Сини-

цин А. П. Зависимость параметров потока от угла раскрытия индивидуального микросопла / Газодинамика течений в соплах и диффузорах. Новосибирск, ИТПМ, 1987.

[142] Зиновьев В. Н., Кталхерман М. Г., Лебига В. А., Мальков В. М., Рубан Н. А. Осредненные и пульсационные характеристики сверхзвукового потока в аэродинамической трубе

с сотовым соплом // Известия Сибирского отделения Академии наук СССР. 1989. Вып. 5ю С. 37-42.

[143] Кталхерман М. Г., Мальков В. М. Аэрооптика сопловых блоков газодинамических лазеров // ПМТФ. 1993. № 6.

[144] Malkov V. М., Ktalkherman М. G. Same aspects of aero-optics of GDL nozzle banks // AiAA Paper. 94-2447. 1994.

[145] Зиновьев В. H., Кталхерман М. Г., Лебига В. А., Мальков В. М., Рубан Н. А. Сверхзвуковой поток в аэродинамической трубе за сотовым соплом / Международный семинар "Проблемы моделирования в аэродинамических трубах". Сборник трудов. Т. II, С. 209-218. Новосибирск, 1989.

[146] Кталхерман М. Г., Мальков В. М., Рубан Н. А., Сини-

цин А. П. Расчетно-экспериментальное исследование структуры потока за сотовым соплом. / Газодинамика и акустика струйных течений. Новосибирск, 1987.

[147] Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969.

[148] Таундсенд А. А. Структура турбулентного потока с поперечным сдвигом. М.: ИЛ, 1959.

[149] Badri-Narayanan М. A., Raghy S., Tulapurkora Б. G. The

nonequilibrium region of a mixing layers // AIAA J. 1985. V. 23, No 7. P. 987-991.

[150] Gartshore Jan S. Two dimensional turbulent wakes // J. Fluid Mech. 1967. V. 30, pt. 31 P. 547-560.

[151] J. P. Bonnet, T. Alziari de Roquefort The structure of two-dimensional, supersonic, high Reynolds number turbulent wake. In: Structure of Complex turbulent shear flow. IUTAM Symposium, Marseile. France. 1982.

[152] Demitreades A. Linearized theory of gas-dynamic-laser nozzle wake and applications // Aeronutronic Ford publication. No 4-6276. October 1978.

[153] Kubota T. Laminar wakes with streamwise pressure gradient. / CALCIT Hypersonic Research Project IM No 9.California Institute of Technology. Pasadena, California, May, 1962.

[154] Peterson C. W. Measurements of flowfield properties in a gasdynamic laser nozzle wake // AIAA J. 1979. V. 17, No 8. P. 854862.

[155] Demetriades A.Transition and turbulence in gas-dynamic laser nozzle wakes. Aeronautics publication No U-6328. Ford Aerospace and Communications Corp., Newport Beach, Calif., April, 1977.

[156] Hama F. R. Experimental studies on the lip-shock // AIAA J. 1968. V. 6, No 2.

[157] Murthy S. N. B. and Osborn J. R. Base flow fenomena with and without injection: experimental results, theories, and bibliography / Progress in Astronautics and Aeronautics. V. 40, Aerodynamics of Base Combustion. Washington: AIAA, Inc., 1976.

[158] Korst H. h. A theory for base pressure in transonic and supersonic flow // J. Appl. Mech. 1956. V. 23, No 4.

[159] Gocke S. Flight-measured pressure characteristics of aft-facing step in high Reynolds number flow at Mach number of 2.20, 2.50 and 2.89 and comparison with other data / NASA TM-72855. 1978.

[160] Tanner M. Boundary layer thickness and base pressure // AIAA J. 1985. V. 23, No 12. C. 1985-1989.

[161] Hastings R. C. Turbulent flow past two-dimensional bases in supersonic streams / ARC RM No 3401. 1963.

[162] Tanner M. Steady base flows // Progress of Aerospace Sciences. 1989. V. 21, No 2. C. 81-157.

[163] Oswatisch K. Grundlagen des Gasdynamic. Springer Verlag, New York, 1976.

[164] Tanner M. Base pressure in supersonic flow, further thoughts about a theory // AIAA J. 1991. V. 30, No 2. P. 565-566.

[165] Magi E. C., Gay S. L. Supersonic base pressure and lip-shock // AIAA J. 1987. V. 26, No 3. P. 370-372.

[166] Neumann E. P. and Lustwerk F. Supersonic Diffusers for Wind Tunnels // J. Appl. Mech. 1949. V. 16, N 2.

[167] Массье П., Рошке E. Экспериментальное исследование диффузоров для ракетных двигателей на жидком топливе. — В кн.: Исследование ракетных двигателей на жидком топливе. — М.: Мир, 1964.

[168] Гурылев В. Г., Трифонов А. К. Псевдоскачок в простейшем воздухозаборнике в виде цилиндрической трубы // Ученые записки ЦАГИ. 1976. Т. VII, № 1.

[169] Третьяков П. К. Псевдоскачковый режим горения // ФГВ. 1993. № 6.

[170] Lustwerk F. The Influence of Boundary Layer on the Normal Shock Configuration. / Massachusets Institute of Technology, Cambridge, Mass, Meteor Rept. 9661, Sept. 1950.

[171] Vidal R. J., Wittliff С. E., Catlin P. A. and Sheen B. h.

Reynolds Number Effects on the Shock Wave-Turulent Bondary layer Interaction at Transonic Speeds // AIAA Paper No 73-61. 1973.

[172] Merkli P. E. Pressure Recovery in Rectangular Constant Area Supersonic Diffusers // AIAA J. 1976. V» 14, No 2. P. 168-172.

[173] Om D., Vilgas J. R. and Childs M. E. Multiple Transonic Shock Wave/ Turbulent Boundary-Layer Interaction in Circular Duct // AIAA Paper 82-0990. 1982.

[174] От D. and Childs M. E. Multiple Transonic Shock Wave/ Turbulent Boundary-Layer Interaction in Circular Duct // AIAA J. 1985. V. 23, No 10. P. 1506-1511.

[175] Carrol B. F. and Dutton J. C. Characteristics of Multiple Shock Wave/ Turbulent Boundary-Layer Interaction in Rectangular Duct // J. Propulsion. 1990. V. 6, No 2. P. 186-193.

[176] Waltrup P. J. and Billing F. S. Structure of Shock Waves in Cilindrical Ducts // AiAA J. 1976. V. 11, No 10. P. 1404-1408.

[177] Caffel R. F. and Back L. H. Flow and Heat Transfer Measurements in a Pseudo-Shock Region with Surface Cooling // AiAA J. 1976. V. 14, No 12. P. 1716-1722.

[178] Waltrup P. J. and Cameron J. M. Wall Shear and Boundary-Layer Measurements in Shock Separated Flow // AiAA J. 1974. V. 12, No 6. P. 878-880.

[179] Острась В. H., Пензин В. Н. Экспериментальное исследование силы горения в канале при наличии псевдоскачка // Ученые записки ЦАГИ. 1974. Т. V, № 2, С. 151-155.

[180] Волощенко О. В., Острась В. Н., Серманов В. Н. Исследование теплообмена в области псевдоскачка.— В кн. Пионеры освоения космоса и современность. Теория и конструкция двигателей летательных аппаратов. С. 62-67.

[181] Богданов В. В., Гурылев В. Г., Трифонов А. К. Пульсации полного давления в потоке за псевдоскачком на входе простейшего воздухозаборника в виде цилиндрической трубы // Ученые записки ЦАГИ. 1977. Т. VIII, № 3. С. 64-73.

[182] Ikui Т., Matsuo К., Nagai M., and Honjo M. Oscillation Phenomena of Pseudo-Shock Waves. Bulleten of the JSME. 1974. V. 17, No 112. P. 1278-1285.

[183] Крокко JI. Одномерное рассмотрение газовой динамики установившихся течений. — В кн.: Основы газовой динамики / Под ред. Г. Эммонса. — М.: ИЛ, 1963.

[184] Хасингер, Миллер Экспериментальное исследование сверхзвукового диффузора прямоугольного сечения. // Ракетная техника и космонавтика. 1975. Т. 13, № 4.

[185] Кузьмин В. А. Торможение сверхзвукового потока в прямоугольных каналах. — В кн.: Газодинамика двигателей летательных аппаратов. Казань. КАИ. 1978.

[186] Fishburn Б. S., Snedecer R. С. and Dup Donaldson.

Investigation of Gas Dynamic Phenomena Associated with High Power Lasers // A.R.A.P. Report N 228. 1974.

[187] Краузе 3. Экспериментальное исследование сверхзвуковых диффузоров с большим соотношением сторон поперечного сечения и низкими числами Рейнольдса // РТК. 1981. Т. 19. № 1.

[188] Пензин В. И. Взаимодействие псевдоскачка с препятствием. Ученые записки ЦАГИ. 1983. Т. XIV, № 5, С. 39-45.

[189] Пензин В. И. Псевдоскачок и отрывное течение в прямоугольном канале // Ученые записки ЦАГИ. 1988. Т. XIX, № 1. С. 105112.

[190] Horkovich J. A. Airborn Laser Pressure Recovery Sistem Numerical Simulftions // AIAA Paper. No 93-3186. 1993.

[191] Lukasiewicr J. Diffusers for Supersonic: Wind Tunnels // J. of Aero. Sci. 1953. V. 20, P. 617

[192] Массье П., Рошке Е. Экспериментальное исследование выхлопных диффузоров для ракетных двигателей на жилком топливе —-В кн.: Исследование ракетных двигателей на жидком топливе. М.: Мир, 1964.

[193] Джонсон III., By. Восстановление давления в сверхзвуковых диффузорах // Тр. амер. общ-ва инженеров-механиков. Серия Д. Теоретические основы инженерных расчетов. 1975. Т. 97, № 3.

[194] Шишков А. А., Силин Б. М. Высотные испытания реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1985.

[195] Шушин Н. А. Экспериментальное исследование запуска плоских сверхзвуковых аэродинамических труб с полостями в рабочей части и тангенциальным вдувом в диффузор. // Труды ЦАГИ. Вып. 2208. Установки для исследования аэродинамики и прочности летательных аппаратов. М., 1984.

[196] Weizman, Rom J. and Timnat Y. M. Optimization of Diffusers for High Power Gas Flow Lasers. — In: Gas Flow and Chemical Lasers. 1984. Institute of Phisics Conference. Series Number 72.

[197] Антропов E. Т., Астахов A. H., Борисов В. В. и др. Разработка и исследование образцов генераторных блоков газодинамического CO-2-лазера. Препринт ИВТАН № 5-170. — М., 1985.

[198] Конотоп В. А., Тихомиров Ю. А. О влиянии положения замыкающей системы скачков уплотнения на коэффициент восстановления давления в гиперзвуковой аэродинамической трубе. — Ученые записки ЦАГИ. 1976. Т. VII, № 2.

[199] Поуп А., Гейн К. Аэродинамические трубы больших скоростей. М.: Мир, 1968.

[200] Тихомиров Ю. А. Исследование влияния числа Re на коэффициент восстановления в диффузоре гиперзвуковой трубы. — Ученые записки ЦАГИ. 1977. Т. VIII, № 2.

[201] Driscoll and Moon L. F. Pressure Recovery in Chemical Lasers // AIAA Journal. 1977. V. 15, No 5. P. 665-673.

[202] Horkovich J.A. Laser Pressure Recovery System Numerical Simulations // AIAA Paper No 93-3186. 1993.

[203] Zumpano F. R., Guile R. N., Haos M. and Sobel D. R. Radial Flow Diffuser Technology Program. UTRC R-84-958412-1, UTRC, East Hartford, Ct.,april 1982.

[204] Hook D., Magiwala K., Haflinger D. and Behrens H. An

Ejector System for Space Simulation of the ALPHA Laser // AIAA Paper No 92-2981. 1992.

[205] Cylindrical Gas Dynamic Laser. AFWL-TR-74-5, june 1974.

[206] Nagai M. Mechanism of Pseudo-Shock Wave in Supersonic Jet. Bulletin of JSME, 1983, V. 26, No. 212.

[207] Васильев И. Ю., Захаров H. H., Иванов Е. С., Николен-ко В. Ю., Пичков К. Н. Запуск аэродинамической трубы с многоканальным диффузором // Изв. ВУЗов. Авиационная техника. 1986. № 2. С. 28-32.

[208] Березовский А. Б., Панченко В. И., Владимиров А. Г.

Влияние ниш и ширины крайних каналов на запуск сверхзвукового диффузора. — Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей. Межвузовский научный сборник. № 14. Уфа, 1991.

[209] Бабченко И. В., Шушин Н. А. Влияние типа соплового блока на характеристики диффузора с тангенциальным вдувом // Изв. ВУЗов. Авиационная техника. 1986. № 2. С. 28-32.

[210] Исследование ракетных двигателей на жидком топливе. М.: Мир. 1964.

[211] Березовский А. Б., Панченко В. И., Владимиров А. Т.

Торможение сверхзвукового потока в каналах некруглого поперечного сечения // Изв. ВУЗов. Авиационная техника. 1989. № 2. С. 23-26.

[212] Кталхерман М. Г., Мальков В. М., Рубан Н. А. Псевдоскачок в прямоугольном канале постоянного сечения. // Газодинамика течений в соплах и диффузорах. Новосибирск, ИТПМ СО АН, 1982.

[213] Кталхерман М. Г., Мальков В. М., Рубан Н. А. Влияние определяющих параметров на эффективность работы сверхзвуковых диффузоров прямоугольного сечения. // Газодинамика проточной части ГДЛ. С. 116-162. Новосибирск, ИТПМ СО АН, 1987.

[214] Кталхерман М. Г., Мальков В. М., Рубан Н. А. Торможение сверхзвукового потока в прямоугольном канале постоянного сечения. // ПМТФ. 1984. № 6.

[215] Ktalkherman M. G., Malkov V. M., Ruban N. A.

Experimental investigation of GDL diffusers. // AIAA Paper N 891512, presented at 21st Plasmodynamics and Lasers Conference, 1990.

/216/ Кталхерман M.Г., Мальков В.M., Климчик Г.В. Влияние определяющих параметров на коэффициент расхода осесимметричных сверхзвуковых сопел с прямолинейными образующими.// Теплофизика и аэромеханика. 1996. Т.4, M. С. 345-351.