DE2553390A1

DE2553390A1 - CHEMICAL LASER

Info

Publication number: DE2553390A1
Application number: DE19752553390
Authority: DE
Inventors: Joseph Miller
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1974-11-27
Filing date: 1975-11-27
Publication date: 1976-08-12
Also published as: SE7513325L; NL7513563A; IL48552A0; FR2293087B3; FR2293087A1; IT1056413B; JPS5182590A

Description

PATENTANWÄLTE D7 -1 1 1 Q7KPATENTANWÄLTE D7 -1 1 1 Q7K

DR-ING. H. FINCKE ⁸ monchen b. 27-11.1975DR-ING. H. FINCKE ⁸ monks b. 27-11.1975

MGIIentraee 31MGIIentraee 31 DIPL-ING. H. BOHR - ,awKtata DIPL-ING. H. BOHR-, awKtata

λ f- Γ- <-j λ λ λ Fernruf: (08») 266060λ f- Γ- <-j λ λ λ Telephone: (08 ») 266060

DIPL.- ING. S. STAEGEER ZOO JJjU Telearomme: Claim. MünchenDIPL.- ING. S. STAEGEER ZOO JJjU Telearomme: Claim. Munich Tal«x: 523903 Claim dValley «x: 523903 Claim d

Mopp.No. A 328 - Dr.K/höMop No. A 328 - Dr.K / Hö

Patentanwälte Dr. Findce ■ Bohr · Staagar · 8 MOnaSan 5 · MOIIantraSa 31 Bitte in dar Antwort angebenPatent attorneys Dr. Findce ■ Bohr · Staagar · 8 MOnaSan 5 · MOIIantraSa 31 Please state in the answer

TRW INC.TRW INC.

Redondo Beach, Calif. - USARedondo Beach, Calif. - UNITED STATES

"Chemischer Laser""Chemical Laser"

PRIORITÄT: 27. November 197¹J - USA - 527 732PRIORITY: November 27, 197 ¹ J - United States - 527732

Die Erfindung bezieht sich auf einen neuen und verbesserten chemischen Laser und insbesondere auf einen durch Verbrennung betriebenen chemischen CW-Laser mit einer zylindrischen Form. Bei einigen Anwendungen müssen chemische Laser sowohl eine hohe Energieabgabe als auch eine kompakteThe invention relates to a new and improved chemical laser, and more particularly to one by combustion powered chemical CW laser with a cylindrical shape. Some applications require chemical lasers both a high energy output and a compact one

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Bonkvarbindung ι Bayw. Vereinsbank Manchen, Konto «20 404 · Poitscheekkonto. München 270 44-862Bonkvar binding ι Bayw. Vereinsbank Manchen, account «20 404 · Poitscheek account. Munich 270 44-862

Konstruktion aufweisen. Oberflächlich gesehen, erscheint es einfach, daß eine Energiezunähme lediglich durch eine Kaßstabvergrößerung einer bereits bekannten Konstruktion erhalten werden kann. Die wichtigsten Teile, an denen eine solche Maßstabvergrößerung durchgeführt werden müßte, sind unter anderem die gegenwärtig üblichen flachen, in den Hohlraum gerichteten Injektoren, welche die Reaktionsteilnehmer in den Laserhohlraum führen,und die Spiegel, die die verfügbare Energie im Hohlraum in einen nutzbaren Laserstrahl verwandeln.Have construction. On the surface, appears it is simply that an increase in energy is merely due to a Magnification of an already known construction can be obtained. The most important parts on which such a scaling-up would have to be carried out are include the currently common flat injectors directed into the cavity, which guide the reactants into the laser cavity, and the mirrors, which convert the available energy in the cavity into a usable laser beam.

Jedoch ergibt eine bloße Maßstabvergrößerung der flachen, in den Hohlraum gerichteten Injektoren einen lasenden Bereich mit rechteckigem Querschnitt, wobei dieser Hohlraum entweder in der Querrichtung zur optischen Achse und zur Fließachse groß ist oder in Richtung der optischen Achse verhältnismäßig lang ist.However, merely increasing the scale of the flat injectors directed into the cavity results in a lasing effect Area of rectangular cross-section, this cavity either in the transverse direction to the optical axis and is large to the flow axis or is relatively long in the direction of the optical axis.

Eine zu große Querabmessung ergibt parasitäre Querwellen, welche die für den Laser verfügbare Energie verringern. Außerdem erfordern große Querabmessungen große Spiegel und ergeben eine überproportionale Zunahme der Spiegelkosten. Wenn dagegen mehrere Spiegel anstelle großer Spiegel verwendet werden, dann ist die Ausrichtung der einzelnen Spiegel äußerst schwierig. Ein optischer Hohlraum mit einem dünnen rechteckigen Querschnitt ergibt ebenfalls beträchtliche Schwierigkeiten hinsichtlich der Laserstrahlkonditionierung und/oder -Propagierung durch die Atmosphäre.Too large a transverse dimension results in parasitic transverse waves, which reduce the energy available for the laser. In addition, large transverse dimensions require large mirrors and result in a disproportionate increase in mirror costs. Conversely, when using multiple mirrors instead of large mirrors the alignment of the individual mirrors is extremely difficult. An optical cavity with a thin rectangular cross-section also presents considerable difficulties in terms of laser beam conditioning and / or propagation through the atmosphere.

Eine Alternative zu großen Querabmessungen des optischen Hohlraums besteht darin, einen lasenden Bereich vorzusehen, der entlang der optischen Achse eine große Länge aufweist. Wegen dieser großen Weglänge ist es bei einem solchen lasendenAn alternative to large transverse dimensions of the optical cavity is to provide a lasing area, which has a great length along the optical axis. Because of this long path, it is such a lasenden

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Bereich schwierig, einen nutzbaren Ausgangsstrahl zu erhalten. Die thermischen Belastungen des Spiegels sind hoch, und außerdem ist bei einer solchen Art von Laser der lasende Bereich für Brechungsindexeffekte empfindlich, die durch das Mischen eines mit Ultraschallgeschwindigkeit strömenden Flusses der Reaktionsgase im Hohlraum verursacht werden.Area difficult to get a usable output beam. The thermal loads on the mirror are high, and in addition, in such a type of laser, the lasing area is sensitive to refractive index effects caused by the mixing of a flow of the reaction gases flowing at ultrasonic speed can be caused in the cavity.

Schließlich ist es bei einigen Anwendungen von chemischen Lasern erforderlich, die Schubkräfte zu neutralisieren, die durch das Einspritzen des Laserbrennstoffs in den Hohlraum erzeugt werden. Aus diesem Grund ist eine Bauform wünschenswert, die von Haus aus die Schubkräfte neutralisiert, wie dies bei einem radialen Ausströmen der Fall ■ist. Finally, in some chemical laser applications, it is necessary to neutralize the thrust forces created by the injection of the laser fuel into the cavity. For this reason, a design is desirable that neutralizes the shear forces from the start, as is the case with radial outflow .

Gemäß der Erfindung werden die obigen Schwierigkeiten, die mit der Energieerhähung und der Schubneutralisation verknüpft sind, durch einen neuen und verbesserten chemischen Laser mit einer zylindrischen Form überwunden. Grundlegend besitzt der erfindungsgemäße chemische Laser einen länglichen Zylinder, dessen Inneres einen Verbrennungshohlraum definiert. Im Verbrennungshohlraum verbrannte Gase werden in einer radialen Strömung nach außen durch den Zylinder in einen Hohlraumabschnitt befördert, in welchem das Lasing stattfindet. Der lasende Bereich in dem Hohlraumabschnitt bildet einen ringförmigen Zylinder, durch den die Gasströmung quer hindurchgeht und der den Verbrenner umgibt. Ein kohärenter Strahl wird in einer axial z"um Zylinder verlaufenden Richtung ausgekoppelt. Die radial aus dem Hohlraum austretenden Abgase werden dann durch eine Abgassammelleitung geführt und aus dem System entfernt.According to the invention, the above difficulties, the associated with the energy increase and the thrust neutralization, through a new and improved chemical Laser surmounted with a cylindrical shape. Fundamental the chemical laser according to the invention has an elongated one Cylinder, the interior of which defines a combustion cavity. Gases burned in the combustion cavity become conveyed in a radial flow outward through the cylinder into a cavity section in which the lasing takes place. The lasing area in the cavity section forms an annular cylinder through which the gas flow passes transversely and which surrounds the combustor. A coherent one The jet is coupled out in a direction running axially z "around the cylinder. The exhaust gases emerging radially from the cavity are then passed through an exhaust manifold and removed from the system.

Diese zylindrische Bauform mit einer radialen Strömung ergibt einen ringförmigen lasenden Bereich mit einem sehrThis cylindrical design with a radial flow results in an annular lasing area with a very

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großen Injektionsbereich, wobei kompakte Spiegelabmessungen und praktische Laserweglängen erzielt werden.large injection area, with compact mirror dimensions and practical laser path lengths.

Da außerdem ein zylindrischer Laser eine radiale Strömung ergibt, findet eine natürliche Kühlung des Hohlraums statt. Daraus resultiert eine Zunahme des Lasernutzeffekts und der Energiedichte, da bei niedrigeren Hohlraumtemperaturen gearbeitet wird. Dieser Kühleffekt kann dazu ausgenutzt werden, die Einspritzmengen an inertem Verdünnungsmittel in den Hohlraum (beispielsweise Helium, Argon, Stickstoff usw.) zu verringern, wodurch eine Zunahme des Lasernutzeffekts erzielt wird.In addition, since a cylindrical laser produces a radial flow, the cavity is naturally cooled. This results in an increase in the laser efficiency and the energy density, since at lower cavity temperatures is being worked on. This cooling effect can be used to reduce the injection quantities of inert diluent in reduce the void (e.g. helium, argon, nitrogen, etc.), thereby increasing the laser efficiency is achieved.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.The invention will now be explained with reference to the accompanying drawings explained in more detail.

In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines ,teilweise in Achsrichtung aufgeschnittenen erfindungsgemäßen chemischen Lasers, wobei die wesentlichen Einzelheiten zu sehen sind;Fig. 1 is a perspective view of a, partially in the axial direction cut open chemical laser according to the invention, showing the essential details;

Fig. 2 und 3 Querschnittsansichten an den Linien 2, 3 von Fig. 1, wobei zwei Ausführungsformen des Verbrenners, der Einspritzdüsen, des Hohlraums und des Diffusors des Lasers zu sehen sind; undFigures 2 and 3 are cross-sectional views on lines 2, 3 of Fig. 1, two embodiments of the combustor, the Injectors, cavity and diffuser of the laser can be seen; and

Fig. 4 eine Querschnittsansicht, welche Einzelheiten mehrerer Hohlrauminjektordüsen erkennen läßt.4 is a cross-sectional view showing details of a plurality of cavity injector nozzles.

Der erfindungsgemäße chemische Laser von Fig. 1 besitzt einen hohlen, zylindrischen Verbrenner 10, der auf einem Gestell 11 befestigt, aber davon isoliert ist. Der Verbrenner wird von innen her durch Sammelleitungen 12, 13, 14 und 15>The chemical laser of FIG. 1 according to the present invention has a hollow, cylindrical combustor 10 which is mounted on a frame 11, but is isolated therefrom. The incinerator is from the inside through manifolds 12, 13, 14 and 15>

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die entsprechende Zufuhröffnungen 16, 17, 13 bzw. 19 aufweisen, gespeist. Durch diese Öffnungen wird folgendes in den Verbrenner eingeführt: a) ein Oxydationsmittel für die Verbrennung und ein Oxydationsmittel für den Hohlraum, wie z.B. P₂ oder NF,; b) ein Brennstoff für den Verbrenner, wie z.B. H₂, C₃H₂, C₂H₁₄, CgHg usw.; c) ein Verdünnungsmittel, wie z.B. He, N₂, Ar usw., welches dem Oxydationsmittel für den Verbrenner und/oder dem Brennstoff zugeführt werden kann; d) ein Brennstoff für den Hohlraum, wie z.B. D₂, DBr, CD₂J; und e) gegebenenfalls ein Kühlmittel für das System, wie z.B. Wasser oder Dampf.which have corresponding feed openings 16, 17, 13 and 19, respectively. The following is introduced into the combustor through these openings: a) an oxidizing agent for the combustion and an oxidizing agent for the cavity, such as P ₂ or NF; b) a fuel for the burner, such as H ₂ , C ₃ H ₂ , C ₂ H ₁₄ , CgHg etc .; c) a diluent, such as He, N ₂ , Ar, etc., which can be added to the oxidizing agent for the burner and / or the fuel; d) a fuel for the cavity, such as D ₂ , DBr, CD ₂ J; and e) optionally a coolant for the system, such as water or steam.

Der im Brenner 10 verbrannte Brennstoff wird durch eine Vielzahl von Hohlrauminjektionsdüsen 23 in den Laserhohlraum 2k geführt, welcher den Verbrenner umgibt und dazu parallel verläuft. Die Verbrennungsprodukte werden im Hohlraum mit dem Brennstoff für den Hohlraum umgesetzt, wobei ein lasendes Medium entsteht. Das Lasen findet in dem Hohlraum statt, in welchem ein kohärenter Ausgangsstrahl gebildet wird. Das optische System für die Bildung des Strahls und für die Auskoppelung aus dem System besteht aus zwei Spiegeln 25, 26, die durch Spiegelhalter 29, 30 in optischen Ringen 27, 28 festgehalten werden, wobei letztere auf dem Gestell 11 befestigt sind. Somit ist also das Spiegelsystem dem Verbrenner benachbart, aber von diesem getrennt. Viele verschiedene optische Anordnungen können mit dem ringförmigen lasenden Bereich gekoppelt werden. Bei der gezeigten Ausführungsform wird der kohärente Strahl durch eine Vielzahl von Fenster 31 hindurchgeführt und tritt in Form einzelner Strahlsegmente 32 aus, die dann konvergiert und geformt werden. Eine Vielzahl von opaken optischen .Keilen 33 sind am Spiegelhalter 30 befestigt, welche Strahlenergie absorbieren und ablenken, die ansonsten auf den Bereich zwischen den einzelnen Fenstern 31 auftreffen würden.The fuel burned in the burner 10 is guided through a plurality of cavity injection nozzles 23 into the laser cavity 2k , which surrounds the burner and runs parallel to it. The combustion products are reacted in the cavity with the fuel for the cavity, creating a lasing medium. Lasing takes place in the cavity in which a coherent output beam is formed. The optical system for forming the beam and for coupling it out of the system consists of two mirrors 25, 26 which are held in place by mirror holders 29, 30 in optical rings 27, 28, the latter being fastened to frame 11. The mirror system is therefore adjacent to the combustion engine, but separate from it. Many different optical arrangements can be coupled to the annular lasing area. In the embodiment shown, the coherent beam is passed through a plurality of windows 31 and emerges in the form of individual beam segments 32 which are then converged and shaped. A plurality of opaque optical wedges 33 are attached to the mirror holder 30, which absorb and deflect beam energy that would otherwise impinge on the area between the individual windows 31.

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Als Alternative zur Verwendung der Fenster 31» deren Material etwas Strahlenergie absorbieren wird, kann der Ausgangs strahl auch durch ein aerodynamisches Fenster ausgekoppelt werden.As an alternative to using the windows 31 »their material absorb some beam energy, the output beam can also be decoupled through an aerodynamic window will.

Ein axialer Fortsatz mit einem ringförmigen Spiegel 35 und einem konischen Spiegel 36 ist am Endteil des Gestells 11 befestigt. Dieser axiale Fortsatz bringt die Strahlsegmente 32 durch Reflexion am ringförmigen Spiegel 35 und dann durch Reflexion am konischen Spiegel 36 zum Konvergieren, wobei ein CW-Ausgangsstrahl 37 gebildet wird. Die Abmessungen des axialen Fortsatzes sind genau so berechnet, daß die einzelnen Strahlsegmente in einer Weise konvergieren, daß ein Ausgangsstrahl mit zylindrischer Form und mit verringerter Verdunkelung erhalten wird. Spiegelelemente 25, 26, 36, 36 und andere Formerelemente, automatische Ausrichtungselemente und/oder Einspritzsperrelemente können innerhalb oder außerhalb des Hohlraums angeordnet sein.An axial extension with an annular mirror 35 and a conical mirror 36 is at the end part of the frame 11 attached. This axial extension brings the beam segments 32 by reflection on the annular mirror 35 and then by reflection at conical mirror 36 to converge, forming a CW output beam 37. The dimensions of the axial extension are calculated in such a way that the individual ray segments converge in a way that an output beam with a cylindrical shape and with reduced obscuration is obtained. Mirror elements 25, 26, 36, 36 and other forming elements, automatic alignment elements and / or injection blocking elements can be arranged inside or outside the cavity.

Eine Vielzahl von Leitblechen 38 ist rund um den Rand des Laserhohlraums und parallel zur Längsachse des Verbrenners angeordnet. Bei Anwendung im Weltraum sind die Leitbleche nicht erforderlich. Beim Betrieb halten die Leitbleche den Druck im Laserhohlraum 24 zusammen, bevor die Gase ausströmen. Eine Abgassammelleitung 39 umgibt die Leitbleche 38· Die Reaktionsgase aus dem Laserhohlraum 24 streichen an den Leitblechen vorbei und werden durch die Sammelleitung 39 aus dem System abgeführt. Wenn der Laser in großen Höhen betrieben wird und wenn deshalb ein niedriger atmosphärischer Druck herrscht, dann können die Reaktionsprodukte direkt in die Atmosphäre abgelassen werden. Wenn die atmosphärischen Drücke ziemlich hoch sind, ,wie a.B. auf Meereshöhe, dann können die Reaktionsproduktgase durch Düseneffekte oderA plurality of baffles 38 are around the edge of the Laser cavity and arranged parallel to the longitudinal axis of the combustor. When used in space, the baffles are not mandatory. In operation, the baffles hold the pressure in the laser cavity 24 together before the gases flow out. An exhaust manifold 39 surrounds the guide plates 38 The reaction gases from the laser cavity 24 brush against the Baffles over and are discharged through the manifold 39 from the system. When the laser is at high altitudes is operated and therefore if there is a low atmospheric pressure, then the reaction products can be directly in the atmosphere will be deflated. If the atmospheric pressures are quite high, like a.B. at sea level, then can the reaction product gases by nozzle effects or

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durch chemische oder mechanische Pumpen abgezogen werden.removed by chemical or mechanical pumps.

Die Fig. 2 und 3 erläutern den Fluß des Kühlmittels, der Brennstoffe und der Reaktionsteilnehmer durch den chemischen Laser in großen Höhen bzw. auf Meereshöhe.Figures 2 and 3 illustrate the flow of coolant, fuels and reactants through the chemical Lasers at great heights or at sea level.

In Fig. 2 sind die einzelnen Verbrennerelemente 4l des Verbrenners 10 zu sehen.In Fig. 2, the individual combustion elements 4l of the burner 10 can be seen.

Die Verbrennerelemente 41 sind keilförmig und besitzen typischerweise einen Winkelquerschnitt von 30°. Wenn sie zusammengesetzt sind, so ergeben sie eine Reihe von Elementen, die insgesamt die zylindrische Form des Verbrenners von Fig. 1 ergeben.The combustion elements 41 are wedge-shaped and typically have an angular cross-section of 30 °. If you are assembled, they result in a number of elements which, as a whole, form the cylindrical shape of the combustor of Fig. 1 result.

Jedes Verbrennerelement 41 besitzt eine Verbrennungszone 42, in welchem Verdünnungsmittel enthaltender Brennstoff gemischt und verbrannt wird. Die Verbrennungszone wird durch eine Vielzahl von Injektorelementen 43 gespeist, wobei jedes Element gesondert Brennstoff, wie z.B. Wasserstoff, ein Oxydationsmittel, wie z.B. Fluor, und ein Verdünnungsmittel, wie z.B. Helium oder Stickstoff zuführt.Each combustor element 41 has a combustion zone 42, in which fuel containing diluent is mixed and burned. The combustion zone is through fed a plurality of injector elements 43, each Element separately fuel, such as hydrogen, an oxidizing agent, such as fluorine, and a diluent, such as helium or nitrogen.

Das Verdünnungsmittel kann zusammen mit dem Brennstoff und/ oder dem Oxydationsmittel zugeführt werden. Jedes Injektorelement 43 besitzt eine Bohrung 44, die von einem bogenförmigen geschlitzten Kanal 45 gespeist wird. Hierdurch wird ein Element des Reaktionsteilnehmersystems, wie z.B. Wasserstoff und gegebenenfalls ein Verdünnungsmittel eingeführt. Das andere Reaktionsteilnehmerelement, welches ein Halogen, wie z.B. Fluor, sein kann, wird durch eine Vielzahl von kreisförmigen Zuführkanälen 46 zu einem Punkt geführt, der sich neben den Austritten der Bohrungen 44 befindet .The diluent can be added together with the fuel and / or the oxidizing agent. Every injector element 43 has a bore 44 formed by an arcuate slotted channel 45 is fed. This will add an element of the reactant system, such as e.g. Hydrogen and optionally a diluent introduced. The other respondent element, which is a Halogen, such as fluorine, is fed through a plurality of circular feed channels 46 to a point where which is located next to the exits of the bores 44 .

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Jedes Verbrennerelement 4l kann gekühlt werden. Für diesen Zweck sind Kühlmittelkanäle 47, 48 vorgesehen. Der Kanal 47 sorgt für eine Kühlmittelzufuhr, wie z.B. Kühlwasser, während der Kanal 48 für den Rückfluß des Kühlmittels dient. Gesonderte Einrichtungen (nicht gezeigt) sind vorgesehen, um die Kühlmitteltemperatur nach dem Durchfluß wieder zu senken, wenn ein geschlossenes Kühlmittelsystem verwendet wird. Eine regenerative Kühlung unter Verwendung der Reaktionsteilnehmer kann ebenfalls angewendet werden. Typische Arbeitstemperaturen in der Verbrennungszone 42 liegen zwischen ungefähr l400°K bis 3000⁰K wenn eine vollständige Fluordissoziierung gewünscht wird. Typische Reaktionsdrücke in der Verbrennungszone liegen zwischen 0,7 und 14 kg/cm . Die Reaktion des Brennstoffs und des fluorhaltigen Oxydations luittels in der Verbrennungszone 42 ergeben eine Reaktionstemperatur, die ausreicht, die überschüssige Fluorverbindung in freies Fluor zum Dissoziieren zu bringen, welches hier als F bezeichnet ist. Typische Reaktionen sind wie folgt:Each combustor element 4l can be cooled. Coolant channels 47, 48 are provided for this purpose. The channel 47 provides a supply of coolant, such as, for example, cooling water, while the channel 48 serves for the return flow of the coolant. Separate means (not shown) are provided to lower the coolant temperature again after the flow when a closed coolant system is used. Regenerative cooling using the reactants can also be used. Typical operating temperatures in the combustion zone 42 are between about l400 ° C to 3000 ⁰ K when a complete Fluordissoziierung is desired. Typical reaction pressures in the combustion zone are between 0.7 and 14 kg / cm. The reaction of the fuel and the fluorine-containing oxidation fluid in the combustion zone 42 results in a reaction temperature which is sufficient to dissociate the excess fluorine compound into free fluorine, which is designated as F here. Typical reactions are as follows:

H₂ + F₂ (Überschuß) > HF + F + F₂ H ₂ + F ₂ (excess)> HF + F + F ₂

C₆Hg + NF, (Überschuß) » CF^ + HF + N₂ + F + F₂ C ₆ Hg + NF, (excess) »CF ^ + HF + N ₂ + F + F ₂

Wie in Fig. 4 gezeigt, bilden die Einspritzdüsen 23 die Auslässe aus jedem Verbrennungselement 41. Verdünnungsmittel und Reaktionsprodukte, wie z.B. HF + F, bewegen sich in der durch die Pfeile gezeigten Richtung mit Überschallgeschwindigkeiten durch die Düsen 23 und in den zylindrisch geformten Hohlraum 24.As shown in Figure 4, the injectors 23 form the outlets from each combustion element 41. Diluent and reaction products such as HF + F move in the direction shown by the arrows at supersonic speeds through the nozzles 23 and into the cylindrically shaped cavity 24.

D₂ wird von Zuführöffnungen 50 und 51 über Kanäle 52 und 53 eingeführt und in den Hohlraum 24 durch Düsen 49 eingespritzt, wc es mit dem freien Fluor reagiert, wodurch lasende SpeziesD ₂ is introduced from feed ports 50 and 51 via channels 52 and 53 and injected into cavity 24 through nozzles 49 where it reacts with the free fluorine, creating lasing species

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DP* gebildet werden. Der Eintrittsdruck in den Hohlraum liegt vorzugsweise zwischen 1-20 Torr und die Eintrittstemperaturen in den Hohlraum variieren von ungefähr 300⁰K bis 600⁰K. Es ist auch möglich, H_P und D₉ zu vertauschen, wobei die lasenden Spezies HP im LaserhohLfaum gebildet werden.DP * can be formed. The inlet pressure in the cavity is preferably between 1-20 Torr, and the inlet temperature into the cavity vary from about 300 K to 600 ⁰ ⁰ K. It is also possible to interchange H _P and D _9, wherein the lasing species HP formed in LaserhohLfaum will.

Eine stimulierte Emission des DP -Moleküls über aufeinanderfolgende erregte Schwingungszustände zum Grundzustand ergibt ein Lasing im Hohlraum 24. Das Lasing im zylindrischen Kohlraum, welcher den Verbrenner umgibt und parallel hierzu verläuft, geschieht somit in Querrichtung zum Fluß der Reaktionsteilnehmer. Die Gase werden vom Hohlraum an den Leitblechen 38 vorbei und durch die Abgassammelleitung 39 geführt, wo sie abgezogen, abgepumpt oder einfach abgelassen werden. Die Leitbiechform von Fig. 2 kann in großen Höhen verwendet werden, wo durch den niedrigen atmosphärischen Druck die Abgase aus dem Laserhohlraum abgeführt werden,· ohne daß eine Pumpe oder eine andere Abzugsvorrichtung verwendet werden muß.A stimulated emission of the DP molecule over consecutive excited oscillation states to the ground state results in a lasing in the cavity 24. The lasing in the cylindrical The coal space, which surrounds the burner and runs parallel to it, thus takes place in the transverse direction to the flow of the reactants. The gases are from the cavity on the baffles 38 passed and through the exhaust manifold 39, where they are withdrawn, pumped out or simply drained. The Leitbiechform of Fig. 2 can be used at great heights where the low atmospheric pressure removes the exhaust gases from the laser cavity without a pump or other extraction device must be used.

Die Leitblechform von Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform zum Abführen der Abgase zur Atmosphäre gleichzeitig mit einer Druckaufrechterhaltung der mit Überschallgeschwindigkeit im Hohlraum strömenden Gase. Es ist eine Vielzahl von Injektoren 55 vorgesehen, welche den Laserhohlraum 24 umgeben. Jeder Injektor besitzt Stufendüsen 56, 57, die für einen Überschallgeschwindigkeit aufweisenden Gasstrom sorgen, der ein größeres Trägheitsmoment als die Hohlraumgase aufweist. Infolgedessen wird der im Hohlraum aufrechterhaltene Gasdruck ausreichend erhöht, daß die Gase zur Atmosphäre abgeführt werden, während ein geeigneter Druck im Laserhohlraum 24 aufrechterhalten wird. Hilfsleitbleche 58 sind an den Austritten der Injektoren angesetzt, um für eineThe baffle shape of Fig. 3 shows an embodiment to discharge the exhaust gases to the atmosphere simultaneously with a pressure maintenance at supersonic speed gases flowing in the cavity. A plurality of injectors 55 are provided which surround the laser cavity 24. Each injector has stage nozzles 56, 57, which for provide a supersonic gas flow having a greater moment of inertia than the cavity gases. As a result, the gas pressure maintained in the cavity is increased enough to release the gases to atmosphere while a suitable pressure is maintained in the laser cavity 24. Auxiliary baffles 58 are placed at the outlets of the injectors in order for a

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laminare Gasströmung zu sorgen.to ensure laminar gas flow.

Beim Betrieb wird ein geeignetes Kühlmittel, ein geeignetes Verdünnungsmittel und ein Brennstoffsystem, das bei Verbrennung freie atomare Spezies ergibt (beispielsweise F) in den Verbrenner 10 über die Einführö" ff minien 16, 17,18 und 19 geführt, und zwar zum Kühlmittelkanal 47 und zu den Verbrennerinjektoren 43, 44, 45 und 46. Bei einem typischen Brennstoffsystem, wie z.B. C₂H^-NF,, besteht das C₂ ^H4 aus dem Brennstoff. Das Oxydationsmittel und die fluorhaltige Verbindung, die eine Quelle für freies Fluor ergibt, besteht aus NF, in stöchiometrischem Überschuß. Andere Brennstoff systeme sinu H₂-F₂; ^D2"^F2 ^usw*In operation, a suitable coolant, a suitable diluent and a fuel system which, when burned, yields free atomic species (e.g. F) is fed into the combustor 10 via the inlet openings 16, 17, 18 and 19 to the coolant channel 47 and to combustor injectors 43, 44, 45 and 46. In a typical fuel system such as C ₂ H ^ -NF ,, the C ₂ ^H 4 consists of the fuel, the oxidizer and the fluorine-containing compound that provides a source of free fluorine , consists of NF, in stoichiometric excess. Other fuel systems sinu H ₂ -F ₂ ; ^D 2 " ^F 2 ^etc *

Im Anschluß an die Reaktion des Brennstoffsystems innerhalb des Verbrenners 42, wobei F gebildet wird, werden die Reaktions· teilnehmer und das Verdünnungsmittel mit Überschallgeschwindigkeit aus dem Verbrenner in den Laserhohlraum 24 geführt. Im Laserhohlraum wird das Fluor mit Dp umgesetzt, das gesondert in den Hohlraum eingeführt wird, wobei die lasenden Spezies DF gebildet werden. Wenn das.in der Verbrennungszone 42 verwendete Reaktionssystem aus D₂-Fp besteht, dann wird dabei DF gebildet. H₅ wird dann in den Hohlraum 24 eingeführt, wobei die lasenden Spezies HF gebildet werden.Following the reaction of the fuel system within the combustor 42, with F being formed, the reaction participants and the diluent are passed from the combustor into the laser cavity 24 at supersonic speed. In the laser cavity, the fluorine is reacted with Dp, which is introduced separately into the cavity, with the lasing species DF being formed. If the reaction system used in the combustion zone 42 consists of D ₂ -Fp, then DF is formed in the process. H ₅ is then introduced into cavity 24, forming the lasing species HF.

Der zylindrische Laser gemäß der Erfindung ergibt in einer kompakten Konstruktion eine viel höhere Energieabgabe als eine flache Hohlrauminjektorkonstruktion. .Beispielsweise besitzt ein zylindrischer Laser von 40,6 cm Durchmesser und mit einer Länge von 254 cm annähernd 3,22 m Strömungsquerschnittsfläche zum Hohlraum. Dies entspricht einer flachen Lochplatte von 127 x 254 cm ( ΐΓ-mal die Spiegelabmessungen des zylindrischen Lasers) oder einer Lochplatte von 40,6 χ 797 cm (ir-mal die Weglänge des optischen Hohlraums). , 'The cylindrical laser according to the invention gives a much higher energy output in a compact construction as a flat cavity injector design. For example, has a cylindrical laser 16 inches in diameter and with a length of 254 cm, approximately 3.22 m of flow cross-sectional area to the cavity. This corresponds to a flat one Perforated plate of 127 x 254 cm (ΐΓ times the mirror dimensions of the cylindrical laser) or a perforated plate of 40.6 χ 797 cm (ir times the path length of the optical cavity). , '

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Im Vergleich zu einem flachen Hohlrauminjektor ist die zylindrische Laserkonstruktion der vorliegenden Erfindung offensichtlich kompakter. Außerdem kann besser Wärme aus dem Laserhohlraum abgeführt werden und zwar wegen des Kühleffekts des expandierenden Flusses. Dies ergibt eine niedrigere Temperatur und eine verbesserte Wirksamkeit. Daraus läßt sich eine Energiedichte- und Nu'czeffektverbesserung in der Größenordnung von 25$ im Vergleich zu flachen Hohlrauminjektoren bei Verwendung der gleichen Reaktionsteilnehmer erzielen. Schließlich kann der Kühleffekt auch dazu verwendet werden, den erforderlichen Verdünnungsmittelfluß zu verringern.Compared to a flat cavity injector is the cylindrical laser construction of the present invention obviously more compact. In addition, better heat can be dissipated from the laser cavity because of the The cooling effect of the expanding river. This gives a lower temperature and improved effectiveness. This results in an energy density and usable effect improvement on the order of $ 25 compared to achieve flat cavity injectors using the same reactants. Finally, the cooling effect can can also be used to reduce the required flow of diluent.

Schließlich heben sich beim Betrieb die Schubkräfte in einem zylindrischen Laser gegenseitig auf. Dies gestattet also die Verwendung in einem Raumfahrzeug ohne daß der Schub ausgeglichen werden muß.Finally, in operation, the thrust forces in a cylindrical laser cancel each other out. This allows that is, the use in a spacecraft without the need to compensate for the thrust.

609823/075 9 Patentansprüche :609823/075 9 claims:

Claims

PATENT CLAIMS

l.jA chemical CW laser operated by combustion, which has the following characteristics in combination:

a cylindrical combustor;

a device for the supply of reactants and diluents to the combustor to there to be implemented;

a laser cavity surrounding the combustor and an annular lasing area transverse to the flow of combustion gases creates;

means for injecting diluents, reactants and combustion gases radially inward outside of the combustion engine into the cavity with upper sound velocity, so that an active laser gas is created that vibrates a population of Includes molecules;

a body for creating a stimulated Emission of radiation from the active laser gas; and

a device for removing the exhaust gases from the laser room.

2. Laser according to claim 1, characterized in that Cooling devices for the combustor and the injector are provided.

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3. Laser according to claim 1, characterized in that a plurality of guide plates at the .Laseraustritt is provided, wherein the baffles are shaped so that they maintain a pressure of the exhaust gases.

4. Method for operating a laser after a start. Proverbs 1 to 3, characterized in that one for cylindrical combustor continuously a stoichiometric Excess of a halogen compound and a compound reactive therewith introduces and mixes therein; the halogen compound completely in the atomic state dissociated; a reactant and atomic halogen radially from the combustor into one surrounding the combustor Laser cavity, the cavity having an annular lasing area transverse to the flow of atomic halogen; Generating lasing species within the reactant and the atomic halogen, so that an active Laser gas is produced in the cavity, which has an inverse population of molecules that are vibrated; passing the laser gas through the means for generating a stimulated emission of radiation; and removes the reactants from the cavity.

5. The method according to claim 4, characterized in that Diluents are supplied to the combustor and the cavity.

6. The method of claim 4 or ij, characterized in that in the combustor, a pressure of 0.7 to 14 kg / cm and at temperatures of about 1400 - 3000 ⁰ K prevail and that the pressure at the inlet to the cavity between about 1 and 20 Torr and the temperature at the entrance to the

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. Cavity is between approximately 300 and 600 ° K.

7. The method according to any one of claims 4 to 6, characterized ge ken
are.

characterized that HF and DP are the lasing species

PAIENTAHWÄTS

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