氧碘化学激光器输出功率的估算

第１８卷第５期　２００６年５月　强　激　光　与　粒　子　束　Ｈ【ＧＨ　ＰＯＷＥＲ　ＬＡＳＥＲ　ＡＮＤ　ＰＡＲＴＩＣＬＥ　ＢＥ，ＡＭＳ　Ｖｏｌ＿１８，Ｎｏ．５　Ｍａｙ，２００６　

文章编号：　１００１—４３２２（２００６）０５—０７３６　０５　

ＶＩＣＯＮ程序模拟氧碘化学激光器　

３维喷管流场的可行性探讨　

李　艳，　李守先，　余　真　

（北京应用物理与计算数学研究所。北京１０００８８）　

摘要：　用ＶＩＣＯＮ程序对化学氧碘激光器（Ｃ（）ＩＬ）喷管冷流场进行了３维模拟，得出的计算区几何较准　确地反映了模拟装置的几何变化。主气流方向和副气流方向的分点数反映出了此２维平面内的气动特性，对　不同流量的模拟结果对比分析得出穿透过度与穿透不够一样，致使主副气流混合不好。对带化学反应的情况　进行了模拟，显现出副气流从喷孔出来后穿进主气流的马蹄形结构的变化过程，这些说明ＶＩＣＯＮ程序可用来　模拟研究ＣＯＩＬ喷管流场特性　关键词：　ＶＩＣＯＮ程序；３维喷管；ＣＯＩＬ　网格点数；　数值模拟　中图分类号：ＴＮ２４８．５　文献标识码：Ａ　

典型的ＣＯＩＬ的工作原理是由氦、碘组成的副气流垂直注入由氧、氦、氯气和水蒸气组成的主气流。混合反　

应气体通过超音速喷管在光腔内经过受激辐射得到激光。ＣＯＩＬ流场中多相流、分子扩散、化学非平衡、热非　

平衡和光子受激辐射等现象耦合在一起，非常复杂，给精确模拟ＣＯＩＬ系统带来巨大挑战［１－　。本文利用计算　

流体力学程序ＶＩＣＯＮ对ｃＯＩＬ　３维喷管层流进行了初步模拟，本模拟仅考虑分子扩散效应。　

１基本方程和算法　

ＶＩＣＯＮ程序（由俄罗斯激光器件公司开发的计算流体力学程序）。其基本方程包括Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程、　

组分方程、湍流　方程等，主要计算２维和３维粘性可压缩多组分单相层流和湍流。　

Ｉ　ＵｄＶ＋　（Ｆ＋Ｇ）ｄＳ：Ｉ　ＨｄＶ　（１）　

式中：Ｆ和Ｇ分别表示非粘性项和粘性项；Ｈ表示源项。　

在时间间隔［￡，　十△￡］内，根据物理过程分裂将（１）式分为两个相继的问题　

第１　４卷第３期　２００２年５月　强　激　光　

ＨＩＧＨ　ＰＯＷＥＲ　Ｉ　ＡＳＥＲ　与　粒　子　束　

ＡＮＤ　ＰＡＲＴＩＣＩ　Ｅ　ＢＥＡＭＳ　Ｖｏｌ＿１　ｄ。Ｎｏ．３　Ｍａｙ，２００２　

文章编号｛１００１—４３２２（２００２）０３—０３４１—０４　

ＣＯＩＬ简化模型计算’　

柱燕贻，　刘兴荣，　衷小建，　王元璋，　李守先　

（北京应用物理与计算数学研究所，北京１０００８８）　

摘　要　采用简化动力学、增益模型，分折了常规虚共焦非稳腔和吉屋脊镜折叠非稳腔这两种腔型在　

ＣＯＩＬ中的应用，计算表明，折叠腔在改善ＣＯＩＬ近场光强分布均匀性和提高近场输出功率方面明显优于常规　

腔。　关键词　氧碘化学激光；增益介质；折叠非稳腔　

中图分类号：ＴＮ２４８，０４３７　文献标识码：Ａ　

激光器近场光束质量的高能性，均匀性和稳定性是靶上光束质量的重要基础。本文采用ＣＯＩｌ，简化增益模　

型　］，研究了常规虚共焦非稳腔和含屋脊镜的折叠虚共焦非稳腔对改善ＣＯＩｌ　近场光束质量，获得高能激光　

输出光束的可行性。计算分析表明，常规虚共焦型非稳腔的优点是可以直接得到准直平面波输出，但对于低增　

益激光器，如ＣＯＩｌ　，其小信号增益系数为１　ｃｍ一。左右，要得到高光束质量输出有其局限性：放大率Ｍ不可能　

做得很大，故要达到几十甚至上百万瓦的高输出功率比较困难。实际激光器其增益介质沿流方向的不均匀性导　

致近场光强分布的倾斜。而折叠腔在这两方面有着明显的优点：可以实现气体增益区上下游介质区的增益交　

流从而改善沿气流方向的输出光束的不均匀性；有效的增益区长度增加，再适当提高放大率，可以较大的提高　

近场激光输出功率；从而明显改善近场光束质量　

１理论模型　

模型建立依据：（１）为计算非稳腔内光场的传输，耦台与衍射阔题，采用快速Ｆｏｕｒｉｅｒ变换方法０　（ＦＦＴ）。　

同时用基于非稳腔球面波理论的展宽坐标系统“　来解决非稳腔中球面波传输时其光束扩散性造成人射和出射　

美

国

激

光

武

器

的

现

状

与

发

展

趋

势

计算机科学与技术

计科**

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********** 1 引言

八十年代初 ,随着“星球大战”计划的实施 ,高能反导激光武器发展迅速 ,同时低能激光武器在战术中的作用也越来越明显 ,激光武器无论在进攻还是在防御上都显示出极强的发展势头 ,八十年代后期以来 ,“星球大战”计划取消 ,战术激光武器成为激光武器发展的重点 ,软杀伤激光武器的研制比重大大提高 ,同时 ,激光反导、激光反卫星的研制仍然部分保留。本文从这两个阶段来探讨十多年来美国激光武器的发展历程。

2 “星球大战”计划时期美国激光武器的发展

“星球大战”计划 ,正式名称为“战略防御计划 (ＳＤＩ)”*1 +,是美国前总统里根于 1 983年 3月 2 3日提出的关于用反弹道导弹系统确保美国本土安全的战略防御倡议。国防部为此制定出详细的多层拦截作战总构想[2 ]。“星球大战”计划所依仗的是全新的“太空武器”系统 (又称“空间武器”系统 )。它包括定向能武器和动能武器。激光武器就是定向能武器的主要组成部分 ,包括化学激光器、自由电子激光器、准分子激光器和Ｘ射线激光器。为满足“星球大战”计划的需要 ,在“瓦鲁普”计划的基础上 ,美国国防部防务研究规划局于 1 982年至 1 987年执行一项称为“空间激光三组件”的研究计划。这三个部件是 :目标捕捉、指示与跟踪系统 ,大功率激光系统 ,以及大型光学系统。其中激光器部分称为“阿尔法 (Ａｌｐｈａ) ,是由伍尔德里奇 (ＴＲＷ )公司建造的一台 5ＭＷ的ＨＦ化学激光器。除“星球大战”计划中的高能战略激光武器之外 ,战术激光武器也得到了迅速的发展。在激光致盲方面 ,美军先后制定了多项研究计划。八十年代初 ,美国陆军开始研制一种称为Ｃ -ＣＬＡＭ的近战战场反传感器激光进攻武器[3 ]。该武器可以输出 1 0.6μｍ、1.0 6μｍ、0 . 53μｍ三个波长上的激光。接着 ,陆军开始研制“鱼工鱼 (ＳＴＩＮＧＲＡＹ)”激光武器。“鱼工鱼”是一种安装于坦克和直升飞机上的光学和光电对抗低能激光武器 ,工作于近红外波段。它除了可以用于探测敌方探测器和致盲、损坏敌方潜望镜、夜视仪和瞄准具之外 ,还可以作为常规武器的激光雷达。八十年代末 ,“鱼工鱼”激光器被装备于美空军“贵冠王子 (ＣｏｒｏｎｅｔＰｒｉｎｃｅ)”系统中 ,用于军航防卫。美军另外一种拟装备于“阿帕奇”直升机上

第２３卷第５期　２０１１年５月　强　激　光　与　粒　子　束　

ＨＩＧＨ　ＰＯＷＥＲ　ＬＡＳＥＲ　ＡＮＤ　ＰＡＲＴＩＣＬＥ　ＢＥＡＭＳ　Ｖ０１．２３，ＮＯ．５　Ｍａｙ，２０１１　

文章编号：　１００１—４３２２（２Ｏ１１）０５—１２１卜Ｏ４　

氧碘化学激光器直线分段扩开型扩压器实验研究　

黄知龙　，　张国彪　，　耿子海　，　陈吉明　。　

（１．空气动力学国家重点实验室，四川Ｉ绵阳６２１０００；　２．中国空气动力研究与发展中心，四Ｊｌ『绵阳６２１０００）　

摘要：　研究了不同几何外形参数对直线分段扩开型氧碘化学激光器（Ｃ０ＩＬ）扩压器性能的影响，实验　

结果表明：光腔上下壁扩开全角８。时，选取４。超扩段扩散角可获得较好的压力恢复和隔离光腔流场的能力；超　扩段增加２　ｍｍ竖隔板可降低光腔后部壁面静压，且截止反压提高约１２　；在相同腔压下，ｌＯ。截角唇口的截止　反压比直角唇口和１／４圆弧唇口截止反压高出约７．６　；超扩段人口四壁增加人工粗糙带能明显改善光腔壁　面静压的分布，并有效提高扩压器效率。　关键词：　扩压器；　压力恢复；　化学激光器；　隔板；　唇口　中图分类号：０３５４．３　文献标志码：　Ａ　ｄｏｉ：ｌＯ．８７８８／ＨＰＬＰＢ２０１１２３０５．１２１１　

氧碘化学激光器（Ｃ０ＩＬ）单重态氧发生器的工作环境压力约为１０　ｋＰａｌ】　］，而光腔出光的最佳压力约为　

０．５　ｋＰａ，超声速喷管贝０成为其最好的转换器，发生激励的气体以超声速通过，使光腔达到所需的工作压力。由　

于光腔内壁面静压远小于出口外界压力，要建立超声速流动和实现连续稳定的出光，必须将激光器废气连续地　

排入周围环境。首先需通过扩压器尽可能地将高速气流动能转化为压力能，剩余的压升则通过引射器或其它　

抽吸装置（如真空罐或低温吸附塔）来完成。在不影响光腔出光质量的前提下，尽力为下游系统提供最高的截　

止反压就成为扩压器设计的主要目标。ＣＯＩＬ扩压器内的流动具有下述特点ｌ】　ｊ：（１）入口横截面为形状比