примерно на порядок превышают оптимальные давления активной среды СОг-лазера, поэтому для обеспечения вывода использованного рабочего тела в схему лазера включают специальные устройства (диффузоры, эжекторы), а на полное давление накладывают определенные ограничения, обеспечп-1зающие надежную работу этих устройств.

6 целом совокупность рассмотренных факторов опреде- ляст характерные размеры сопла и параметры рабочего тела газодинамического СОг-лазера

- температура в ресивере - 1500 ... 2000 К;

- давления в ресивере-1,5...10МПа; ь

- размер критического сечения /г. (.)-0,2 ... 1,0 (0,4..; ... 1,0) мм;

- степень расширения 5о/5. - 25 ... 100.

При этом удельный запас [Пз] колебательной энергии £0 в единице массы активной среды, который, в принципе, может быть преобразован в лазерное излучение, составляет для СОг-ГДЛ:

М = fo/WcH = (f /mc«) -спрт Пн Пк = RncnPT к. (3.5)

где /Псм - масса рабочей смеси; Es = mcM - RT - полная тепловая энергия смеси. Тогда для характерных параметров СОг-ГДЛ значения энергозапаса [пз] = £о/тсм~ Ю... 100 кДж/кг. Отсюда следует, что для создания лазером мощности более 10 кВт необходимо обеспечить расход рабочего тела в количествах, превышающих несколько килограммов в секунду. Эти цифры реальны для СПРТ на основе газогенераторов, где сжигаются различные топливные композиции (подразд. 2.4). Так расход современных авиационных и ракетных двигателей может превышать многие сотни килограммов в секунду.

С другой стороны, расходные характеристики сопла ГДЛ, в котором собственно и происходит образование активной среды, составляют не более нескольких граммов в секунду для осесимметричных сопл и несколько десятков граммов в секунду для плоских. Поэтому в реальных газодинамических лазерах для создания активной среды с расходами в десятки килограммов в секунду применяют сложные конструкций многосопловых аппаратов (рис. 43).

Наиболее распространен сопловой блок из плоских сопловых лопаток (рис. 43, а), обеспечивающий эффективное

хзамораживание» колебательной смеси и хорошую работоспособность в условиях высоких тепловых и силовых нагру-!0к. Сопловые блоки современных мощных газодинамических [азеров состоят из нескольких сотен плоских сопловых ло-;аток высотой до полуметра и размером критического сече-:;ия 0,2.. .0,3 мм.

В осесимметричном сопле (рис. 43, б) из-за значительной скорости охлаждения газа возможно достижение более высоких, чем в плоском сопле, показателей эффективности пре-

Рнс. 43. Сопловые аппараты газодинамических лазеров: а - блок плоских сопловых лопаток; б - блок осесимметричных сопл; в - тарельчатые сопла

образования энергии. Однако для мощных лазеров необходимы сопловые блоки из десятков тысяч таких сопл. Если удастся решить конструкторские и технологические проблемы, возникающие при их разработке, то сопловые аппараты из осесимметричных сопл могут составить серьезную конкуренцию плоским сопловым решеткам.

Особенностью тарельчатых сопл (рис. 43, в) является интенсивное охлаждение смеси при расширении газа за срезом соплового аппарата. Такие конструкции получили развитие в непрерывных химических лазерах. К их достоинствам следует отнести компенсацию реактивной силы, возникающей при истечении газа из сопл, что особенно важно для размещения лазеров в космосе.

Ьесьма перспективным путем повышения эффективности тепловой накачки СО2ТДЛ является переход к селективному опловому возбуждению рабочего тела при смешении компонентов. Такие лазеры называются также лазерами на смешении. Увеличение относительной доли колебательной энергии азота в общей тепловой энергии смеси при росте температуры ограничивается началом заметной диссоциации СО2 при Г>2500 К, тогда как диссоциация азота начинается только при температурах выше 4500 К. При этом в одном килограмме чистого азота величина запасенной энергии может достигать 700 кДж, что на порядок превышает соответствующие значения для обычных СО2-ГДЛ. Кроме того, эффективность «замораживания» колебательной энергии в сопле определяется скоростью передачи колебательной энергии от N к СО2, в то время как при расширении чистого азота КПД сопла tjh - 1.

Чтобы создать активную среду, необходимо к такому сверхзвуковому потоку колебательно возбужденного N2 подмешать излучающий газ СО2 и создать условия для эффективной передачи энергии от азота к углекислому газу. Этот процесс удается реализовать в специальных смесительных сопловых аппаратах газодинамических СОг-лазеров с селективным возбуждением (рис. 44).

Наиболее сложной задачей при создании смесительных аппаратов СО2-ГДЛ является обеспечение высокой скорости перемешивания компонентов при минимальном уровне потерь колебательной энергии, определяемым конечностью времени смешения и возникновением газодинамических возмущений, сопровождающих процессы взаимодействия сверх- . звуковых струй. "!

Наименьшие возмущения потока возникают при параллельном сверхзвуковом смешении струй (рис. 44, а, б), однако при этом скорость перемешивания определяется только диффузией компонентов и зависит, прежде всего, от масштаба смешения (расстояния между осями смешивающихся

струй 0см). По имеющимся оценкам полная длина перемешивания LcM для плоских или осесимметричных струй при характерных для СО2-ГДЛ условиях составляет: 1см~ «(40... 100)аем.

Рис. 44. Схемы смепшния и сопловые аппараты СО2-ГДЛ с селективным иозбуждением: а - параллельное .смешение плоских сверхзвуковых струй; б - вдув излучающего газа перпендикулярно основному потоку; в--сопловые блоки сотовой конструкции; г -вдув излучающего газа через пористую стенку; д - сопловая лопатка со щелевым соплом излучающего газа; е ~ вдув излучающего газа в критическом сечеини

сопла

За время смешения, естественно, происходят потери коле бательной энергии, которые можно характеризовать эффективностью смешения, определяемой как отношение колеба тельной энергии, запасенной в чистом азоте перед началом смешения, к колебательной энергии полностью перемешен ного потока -ц. Тогда для смесительных лазеров с селективным возбуждением эффективность накачки будет определяться аналогично (3.4): £о/£г = 11спрт " "Пн"Пк. оптимальных конструкций смесительных аппаратов Г1н~0,5.. . ...0,9. Интересно отметить, что, если для ГДЛ с предварительным смешением эффективность определяется временем пребывания газа в сопле (т. е. длиной сопла), а в смесительных лазерах зависит от масштаба смешения (т. е. размера выходного сечения сопла), то в конечном счете и в том и в другом случае следует использовать сопла минимальных размеров. Следовательно, и для смесительных лазеров необходимо создавать многосопловые аппараты сложной конструкции.

Тепловая накачка может быть использована не только в СОг-ГДЛ. Известны работы, в которых обсуждается возможность создания N2O газодинамического лазера, рабочие процессы в котором аналогичны рабочим процессам в СОг-ГДЛ. Однако смеси N2O-N2 невозможно получать в газогенераторах, к тому же закись азота N2O токсична.

Интересны перспективы СО-ГДЛ, однако высокая эффективность тепловой накачки СО требует исключительно низких степеней охлаждения активной среды, что вместе с необходимым уровнем ее плотности делает практически неразрешимой задачу создания источника рабочего тела (давление на входе в сопловой аппарат должно достигать тысяч атмосфер). Определенные перспективы создания эффективных СО-ГДЛ могут быть связаны с реализацией газодинамических схем со смешением.

Эффективность тепловой накачки сравнительно невелика (см. выражения (3.4), (3.5)), что, прежде всего, объясняется небольшой долей энергии, идущей на возбуждение колебательных степеней свободы при нагреве газа (рис. 40). Тем ие менее, интерес к газодинамическим лазерам достаточно высок, из-за возможности получения тепловой энергии в больших объемах при сжигании топлив и, следовательно, возможности создания мобильных автономных лазеров большой мощности.

3.5. Химическая накачка

Под химической накачкой понимается такой способ воз-оуждения активной среды лазера, при котором необходимая для этого энергия получается за счет неравновесного распределения химической энергии среди продуктов реакции непосредственно в системе накачки (реакторе).

Практический интерес к лазерам с химической накачкой объясняется прежде всего тем, что в ходе многих экзотермических химических реакций выделяется значительная энергия на единицу массы прореагировавшего вещества. Так, при сгорании современных высокоэффективных ракетных топлив епловой эффект реакций составляет более миллиона джо-; лей на килограмм рабочего тела. И если полезное исполь-ювание этой тепловой энергии в газодинамических лазерах может быть осуществлено с эффективностью, в лучшем случае не превышающей нескольких процентов, го эффективность химических лазеров может быть на порядок выше.

Как правило, энергии, выделяющейся в химических реакциях, достаточно для возбуждения колебательных степеней свободы молекул, хотя нельзя исключить и возможность возбуждения и даже ионизации некоторых атомов. Поэтому в настоящее время именно переходы между колебательными уровнями используются в подавляющем большинстве химических лазеров. Естественно, что максимальный интерес вызывают высокоэнергетические реакции между самыми эффективными горючими и окислителями, например реакция горения водорода или дейтерия во фторе:

H(D)+ F5->HF*(DF*)-f-F,

(3.6)

F + H2(D,)-*HF*(PF*) + H(D).

Энергия, выделяющаяся в ходе этих реакций, достигает 420,0 кДж/моль для первой «горячей» реакции и 136,0 кДж/моль для второй «холодной». Причем значительная часть энергии может быть сосредоточена в колебательных степенях свободы молекул HF*(DF*).

Еще одним важным свойство.м этих компонентов является возможность организации цепного процесса, в котором образующиеся химические реагенты воспроизводят новые активные центры, как видно из (3.6). В общем случае вместе с (3.6)- рассматривают еще реакции диссоциации: р2-ЬНР*->