4-73  二次喉道扩压器对COIL出光性能的影响

蔡光明  刘  军  朱连贵  王永振

在氧碘化学激光器(COIL)中，为使激光器气体顺利进入大气，激光器光腔后需要接扩压器对其进行增压，增压后的气体通过引射器或泵抽吸顺利排出。从流动机理看，超音速扩压段的主要功能是降低排气流速，增加排气静压。在扩压器中，超音速气流会通过一系列的激波恢复转变为亚音速。这一段激波恢复区称为伪激波区，伪激波区会随着扩压器背压的改变而前后移动。在背压较高时，激波区会向光腔方向移动，从而导致光腔中的气流产生扰动，影响激光器的正常输出。

为稳定伪激波区，可以在超扩段采用第二喉道设计。超扩段中的伪激波区起着将超音速流动转变为亚音速流动，恢复流动静压的作用。伪激波区的位置和长度与超扩段的几何构形、超扩段入口的气流马赫数以及超扩段出口静压(背压)有关，在超扩段中引入超音速风洞设计中的第二喉道概念，可以将伪激波区的位置相对的固定在第二喉道内，从而减小超扩段出口静压(背压)的变化对伪激波位置的影响，使光腔内的超音速流动更稳定。由第二喉道临界面积公式P₁^* / P₂^* =A₂^* / A₁^*，可知，只需适当收缩扩压段截面面积A，使A< P₁^* A₁^* / P₂^*，则第二喉道即可形成。

在给定激光器光腔出口气流条件时，通过计算将二次喉道固定在扩压器入口特定点，将激波位置限制在扩压器入口处，使激波所造成的扰动限制在扩压器中，并在较短的区域内进行压力恢复。

通过二次喉道扩压器与8°扩张角扩压器的对比实验，可以得出：(1) 二次喉道扩压器能够有效隔离扩压器下游气流对光腔的干扰，显著减小转捩区长度，并将转捩区控制在扩压器内；(2) 在激光器背压升高时，二次喉道扩压器稳定光腔静压更有效率；(3) 二次喉道扩压器更适合于激光器在高背压条件下工作；(4) 随着背压的升高，二次喉道扩压器条件下激光器输出能量比8°扩压器的稳定性更强，出光条件更宽松。