一种用于HF/DF化学激光的高马赫数低温列阵喷管的制作方法

本发明属于HF/DF化学激光喷管设计领域，用于HF/DF化学激光的喷管设计。

背景技术：

HF/DF化学激光是目前最成功的两大化学激光之一。HF/DF化学激光的受激辐射发生在HF/DF分子的振-转激发态上,主流的燃烧驱动HF/DF化学激光采用燃烧法热解产生F原子，生成的F原子经超音速喷管降温和加速后与H₂/D₂反应生成振动激发态的HF/DF分子并在转动能级上产生粒子数反转。选择适当的耦合输出腔镜，即可实现HF/DF激光输出。

HF/DF化学激光器的关键部件是超音速喷管。在四十多年的发展历程中，随着HF/DF化学激光喷管技术的不断发展，HF/DF化学激光的功率得到不断提高。虽然HF/DF化学激光的出光功率已经达到MW级，但其体积效率(喷管单位体积上的出光功率)、能流密度(喷管出口单位面积的出光功率)和比功率(单位物料重量的出光功率)在理论上仍有很大的提升空间，新型喷管的设计是实现效率提升最直接和最有效的途径。HF/DF化学激光喷管经历了亚音速、超音速和高超音速的发展历程，早期采用亚音速喷管，超音速喷管的典型代表是2SLOT、3SLOT、TRIP、RAMP、DEFLECTOR和三维对称喷管，高超音速喷管的典型代表是HYWN和HYLTE喷管，上述喷管中大部分喷管的放大策略如下：主喷管为单狭缝喷管，加H2位置处于单狭缝主喷管出口沿扩张方向(即喇叭口)的两个边缘外侧，整个喷管由一系列的单狭缝主喷管单元平行排列组成。

俄罗斯的最新喷管采用了一种新的单元化分割方案，其基本思想还是基于单狭缝喷管的概念，只是对单狭缝喷管沿喷管的收缩-扩张平面做切片处理，进行单元化分割，在两个切片单元之间加入H2喷注器。

这种单元化分割方案可以实现在高马赫数下仍然有较大的喷管喉道高度，同时获得很小的H2气流向主喷管注入的穿透长度，混合效率更高。但俄罗斯新型喷管的H2注入策略仍然采用的是自由射流斜向加入方式，这种加入方式有极高的混合效率，但会造成主喷管很大的动能损失，导致光腔压力较高，温度较高，不利于出光介质增益和燃烧室工作压力的提升。俄罗斯最新喷管另一个关键技术是在喉道入口附近加燃烧室氦，这样做的好处就是能保证燃烧室里的氟原子在进入喷管喉道前的绝大部分时间里处于高温环境，不会因为大量冷氦的加入导致氟原子的严重复合，既保证了燃烧室氦调节喷管气动参数的功能，又能最大限度地减少氟原子的损失。

本发明采用了目前国内外流行的高马低温喷管设计概念，同时结合俄罗斯最新喷管的燃烧室氦加入策略，设计出一种新型喷管。这种喷管保持了高马低温喷管高效的氟原子冻结效率，同时大大提高了燃烧室的热解离效率，激光器的总体效率有望的得到大幅度的提升。

技术实现要素：

本发明结合高马低温喷管设计概念和俄罗斯最新喷管的燃烧室氦加入策略，提出的一种用于HF/DF化学激光的高马赫数低温喷管，目的是为了提高HF/DF化学激光总体效率。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种用于HF/DF化学激光的高马赫数低温列阵喷管，其特征在于：

列阵喷管由两个以上平行设置的喷管组装单元构成，两个喷管组装单元之间形成喷管单元，喷管单元为典型的二维狭缝拉法尔喷管；喷管单元入口端面向激光器燃烧室，喷管单元出口端面向激光器光腔；喷管单元出口扩张段末端的两侧喷管组装单元壁面上各开有一排氢气喷孔，在氢气喷孔与喉道之间的出口扩张段两侧喷管组装单元壁面上各开有一排主氦喷孔，在喷管单元入口端两侧喷管组装单元壁面上各自开有一排燃烧室氦喷孔，面向激光器光腔一侧的喷管组装单元的壁面为一平面，平面作为相邻两个喷管单元之间的泄压平台，泄压平台上开有两排以上的副氦喷孔；

于喷管组装单元内部设有氢气通道、主氦通道、副氦通道、燃烧室氦通道、冷却水通道；氢气通道与氢气气源相连，氢气喷孔与氢气通道相连通；主氦通道、副氦通道、燃烧室氦通道分别与氦气气源相连，主氦喷孔与主氦通道相连通，副氦喷孔与副氦通道相连通，燃烧室 氦喷孔与燃烧室氦通道相连通。

除上述特征外，还包括:

1 喷管单元喉道高度在0.15-0.30mm之间，其入口收缩段和出口扩张段的型面尺寸由流体力学软件计算得到，出口高度为9.5mm。

2 喷管组装单元上氢气喷孔孔距为5mm，氢气喷孔的中心连线与喉道狭缝平行；主氦喷孔孔距为5mm，主氦喷孔中心连线与喉道狭缝平行。

3 氢气喷孔的喉道部分为圆孔，直径0.3mm，出口端为圆形锥孔，出口处直径为1mm；主氦喷孔的喉道部分为圆孔，直径0.3mm，出口端为圆形锥孔，出口处直径为1mm。

4 主氦喷孔在气流流动方向上刚好处于氢气喷孔的正后方，即沿气流流动方向依次为主氦喷孔、氢气喷孔，主氦喷孔距氢气喷孔7mm。

5 泄压平台宽度为10mm。

6 副氦喷孔可以为两排或三排以上，副氦喷孔孔距为5mm，副氦喷孔中心连线与喉道狭缝平行；副氦喷孔为直孔，直径在0.2-0.3mm范围内。

7 燃烧室氦喷孔距喉道3-5mm；燃烧室氦喷孔孔距为5mm，燃烧室氦的中心连线与喉道狭缝平行；燃烧室氦喷孔为直孔，直径为0.5mm。

8 列阵喷管整体可以是一体化加工制作；也可以是先制作系列喷管组装单元，然后组装完成。

9 喷管组装单元主体为金属铜，表面进行镀镍处理。

有益效果：

本发明对比已有技术具有以下创新点：

1.本发明采用高马低温喷管设计理念，保持了高马低温喷管高效的氟原子冻结效率，引入俄罗斯新型喷管的燃烧室氦加入策略，大大提高了燃烧室的热解离效率。

2.本发明设计的高马低温喷管，其入口收缩段和出口扩张段的型面尺寸由流体力学软件计算得到，出口马赫数与传统高马低温喷管相比，更能达到理论计算值，出口气流物理参数(温度、压力、流体线速度等)分布更加均匀，边界浮面层窄。

3.与传统喷管相比，光腔温度和压力更低，可以提高光腔的增益和燃烧室的工作压力，从而提高HF/DF化学激光体积效率、能流密度和比功率。

附图说明

图1喷管组装单元结构图-孔结构；

图2喷管组装单元结构-出口方向孔分布图；

图3局部放大图A；

图4喷管组装单元结构-入口方向孔分布图；

图5喷管列阵-组装图-喷管出口端(接光腔)；

图6局部放大图B；

图7喷管列阵-组装图-喷管入口端(接燃烧室)；

图8局部放大图C。

图中：1为氢气喷孔；2为主氦喷孔；3为副氦喷孔；4为燃烧室氦喷孔；5为水冷通道；6为局部放大A；7为局部放大B；8为喷管喉道；9为局部放大C。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

根据本发明的设计思想，设计了如下的喷管，喷管组装单元和喷管列阵组装图如下：

其中，喷管的马赫数设计值为5.5；每个喷管单元由相邻两个喷管组装单元组装构成，喉道高度0.2mm，其入口收缩段和出口扩张段的型面尺寸由流体力学软件计算得到，出口高度为9.5mm；氢气喷孔孔距为5mm，氢气喷孔的中心连线与喉道狭缝平行；氢气喷孔的喉道部分为圆孔，直径0.3mm，出口端为圆形锥孔，出口处直径为1mm；主氦喷孔在气流流动方向上刚好处于氢气喷孔的正后方，主氦喷孔距氢气喷孔7mm；主氦喷孔孔距为5mm，主氦喷孔中心连线与喉道狭缝平行；主氦喷孔的喉道部分为圆孔，直径0.3mm，出口端为圆形锥孔， 出口处直径为1mm；泄压平台宽度为10mm；副氦喷孔可以为两排或多排，副氦喷孔孔距为5mm，副氦喷孔中心连线与喉道狭缝平行；副氦喷孔为直孔，直径在0.3mm；燃烧室氦喷孔距喉道3mm；燃烧室氦喷孔孔距为5mm，燃烧室氦的中心连线与喉道狭缝平行；燃烧室氦喷孔为直孔，直径为0.5mm；冷却水通道位于喷管喉道两侧的金属体内；喷管整体由喷管单元列阵构成；喷管组装单元主体为金属铜，表面进行镀镍处理。