混合型气动CO2激光器喷管/光腔流场特性及小信号增益特性研究

摘要

针对混合型气动CO2激光器（简称MGDL）在单兵战术激光武器及激光推进领域的应用需求，本文深入细致地研究了多种类型的混合型气动 CO2激光器喷管及光腔流场特性及小信号增益特性。
　　采用高速纹影实验与数值模拟相结合的方法，研究了基于筛形喷管的混合型气动CO2激光器光腔中的基本流场特性。
　　研究了纯氮气条件下混合型气动 CO2激光器主喷管中氮气振动能冻结效率的分布规律，并研究了主喷管入口总温和总压对氮气振动能冻结效率的影响。在此基础上，进一步研究了燃烧驱动混合型气动 CO2激光器主喷管中氮气振动能冻结效率的分布特性，并研究了CO2及H2O含量、主喷管型面等对氮气振动能冻结效率的影响。
　　针对某一特定结构参数的喷管和特定的工作参数，研究了基于筛形喷管的混合型气动 CO2激光器光腔中的小信号增益分布规律。在此基础上，深入研究了主喷管入口总温、主喷管面积比、副喷管入口总温、CO2含量、H2O含量、主/副喷管扩张段半锥角、催化剂种类（H2O或He）对光腔中小信号增益系数的影响规律及影响机制。
　　研究了基于“主喷管喉部喷射副气流”喷管构型的混合型气动CO2激光器主/副喷管的流场特性、小信号增益系数在主喷管扩张段及主喷管出口截面的分布规律。此外，详细研究了主喷管面积比、副喷管入口总压、副气流喷射位置、主/副喷管入口总温对基于“主喷管喉部喷射副气流”喷管构型的混合型气动 CO2激光器小信号增益系数的影响规律及影响机制。最后，对基于筛形喷管的混合型气动CO2激光器及基于“主喷管喉部喷射副气流”喷管构型的混合型气动 CO2激光器进行了比较。结果表明：采用“主喷管喉部喷射副气流”喷管构型时，获得的小信号增益系数峰值比采用筛形喷管时高，然而，其小信号增益系数分布的均匀性不如采用筛形喷管时好。
　　首次将基于周期性温度激励的主动控制技术引入混合型气动CO2激光器研究，研究了采用周期性温度激励时混合型气动 CO2激光器的混合特性、流场特性及小信号增益分布特性。在此基础上，详细研究了激励幅值、激励频率及激励施加位置对主/副气流混合特性及激光器小信号增益特性的影响。研究结果表明：在副喷管出口平面施加特定频率及特定幅值的周期性温度激励后，可以显著增强主/副气流的混合效果并提高混合喷管中的小信号增益系数；为了在混合喷管出口处获得最大小信号增益系数，激励频率和激励幅值均存在一个最佳值；与周期性温度激励施加在副喷管出口的情形相比，当周期性温度激励施加在主喷管出口时，主/副气流的混合效果变差，小信号增益系数也明显降低。
　　设计了燃烧驱动混合型气动 CO2激光器的高温氮气发生器方案，包括：（1）选取合适的燃料和氧化剂组合；（2）设计了液态N2O供应系统；（3）设计了基于N2O/C7H8的单喷嘴高温氮气发生器。
　　通过液态N2O供应系统试验，研究了该供应系统的供应特性。试验结果表明：设计的液态N2O供应系统能够实现N2O的液态供应，且供应系统的流量稳定。通过对基于N2O/C7H8的单喷嘴氮气发生器的点火试验，研究了N2O和C7H8在多种富燃工况下的点火和燃烧性能。试验结果表明：当选取合适的点火时序时， N2O/C7H8在设计的多种富燃工况下均能成功点火，且燃烧稳定性较好。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 混合型气动CO2激光器基本原理

1.3 国内外研究综述

1.4 本文主要研究内容

第二章 CO2激光器弛豫模型、弛豫方程及增益场计算方法

2.1 引言

2.2 CO2-N2-H2O激光体系的弛豫模型

2.3 弛豫方程

2.4 弛豫速率

2.5 混合型气动CO2激光器增益场计算方法

2.6 小结

第三章 基于筛形喷管的MGDL流场特性和小信号增益分布特性研究

3.1 引言

3.2 基于筛形喷管的MGDL光腔流场特性研究

3.3 纯氮气条件下主喷管中氮气振动能冻结效率研究

3.4 基于筛形喷管的MGDL小信号增益分布特性研究

3.5 小结

第四章 基于筛形喷管的MGDL小信号增益影响因素研究

4.1 引言

4.2 主/副喷管入口总温对光腔小信号增益分布的影响

4.3 CO2和H2O含量对光腔中小信号增益分布的影响

4.4 主/副喷管扩张段半锥角对光腔中小信号增益分布的影响

4.5 采用He作为催化剂对光腔中小信号增益分布的影响

4.6 小结

第五章 基于“主喷管喉部喷射副气流”喷管构型的MGDL流场特性和小信号增益特性研究

5.1 引言

5.2 流场特性及小信号增益分布特性研究

5.3 主喷管面积比对小信号增益分布的影响

5.4 副喷管入口总压对小信号增益分布的影响

5.5 副气流喷射位置对小信号增益分布的影响

5.6 主/副喷管入口总温对小信号增益分布的影响

5.7 基于筛形喷管的MGDL与基于“主喷管喉部喷射副气流”喷管

5.8 小结

第六章 周期性温度激励对MGDL混合特性及小信号增益系数的影响

6.1 引言

6.2 采用周期性温度激励对MGDL流场特性及小信号增益的影响

6.3 激励幅值对混合特性及小信号增益系数的影响

6.4 激励频率对混合特性及小信号增益系数的影响

6.5 激励施加位置对混合特性及小信号增益系数的影响

6.6 小结

第七章 燃烧驱动型MGDL氮气发生器方案及初步试验研究

7.1 引言

7.2 燃烧驱动型MGDL主喷管中氮气振动能冻结效率研究

7.3 燃烧驱动型MGDL氮气发生器方案设计

7.4 液态N2O供应系统试验研究

7.5 基于N2O/C7H8的氮气发生器点火试验研究

7.6 小结

第八章 结论与展望

8.1 主要工作与结论

8.2 主要创新点

8.3 下一步工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果