激光發(fā)射系統(tǒng)在目標(biāo)測(cè)距、干擾以及激光通信等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,具有反應(yīng)速度快,抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),近年來(lái)正在朝大口徑、多波段的方向發(fā)展,由此帶來(lái)了許多新的問(wèn)題,其中激光發(fā)射內(nèi)通道的凈化密封問(wèn)題對(duì)提高激光發(fā)射質(zhì)量和能量具有重要意義。本文提出了大口徑多波段激光發(fā)射內(nèi)通道的正壓凈化通風(fēng)密封方法,它能夠適應(yīng)任意波段的激光發(fā)射;而且可以?xún)艋瘍?nèi)通道,減小內(nèi)通道熱效應(yīng),提高激光發(fā)射質(zhì)量和能量;同時(shí)可以依靠?jī)艋諝獾恼龎鹤饔脤?shí)現(xiàn)內(nèi)通道的密封。分析了內(nèi)通道正壓凈化通風(fēng)密封方法的工作原理,說(shuō)明了保證內(nèi)通道結(jié)構(gòu)連接縫隙密封的重要性。對(duì)內(nèi)通道的不同連接進(jìn)行了靜密封和動(dòng)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并對(duì)密封設(shè)計(jì)的泄漏進(jìn)行了分析,結(jié)果表明靜密封設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)泄漏密封,而動(dòng)密封設(shè)計(jì)的泄漏量較小,可以在正壓凈化通風(fēng)時(shí)補(bǔ)償。采用數(shù)值計(jì)算的方法,研究和分析內(nèi)通道正壓凈化通風(fēng)方法的密封性能。從守恒型N-S方程出發(fā),在不可壓縮流場(chǎng)近似的基礎(chǔ)上建立了分析凈化空氣正壓性能的連續(xù)相模型;然后在連續(xù)相分析的基礎(chǔ)上,采用FLUENT中DPM模型來(lái)描述和追蹤顆粒在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡,建立了離散相模型。對(duì)內(nèi)通道中光場(chǎng)和流場(chǎng)的耦合相互作用做了近似處理,將激光的加熱作用作為穩(wěn)定熱源加入內(nèi)通道流場(chǎng)的計(jì)算中,得到流場(chǎng)的溫度分布,并在此基礎(chǔ)上研究其對(duì)激光傳輸?shù)挠绊憽＝⒘舜罂趶蕉嗖ǘ渭す獍l(fā)射內(nèi)通道正壓凈化通風(fēng)的基本仿真模型,并分別進(jìn)行了連續(xù)相和離散相的數(shù)值模擬。結(jié)果表明,在外界環(huán)境為六級(jí)風(fēng)的設(shè)計(jì)要求下,入口凈化空氣速度大于4m/s時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外界空氣的正壓密封,同時(shí)可以對(duì)空氣中各種粒徑的塵埃起到阻擋作用,保護(hù)光學(xué)元件。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,說(shuō)明正壓凈化氣流能夠凈化內(nèi)通道,而且對(duì)外界空氣及其中的塵埃具有正壓密封作用,能夠達(dá)到設(shè)備的凈化密封設(shè)計(jì)要求。在驗(yàn)證了正壓凈化通風(fēng)密封方法可行性和有效性的基礎(chǔ)上,對(duì)其在某大口徑多波段激光發(fā)射系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用展開(kāi)了研究,建立了其內(nèi)通道流場(chǎng)的仿真模型。通過(guò)對(duì)內(nèi)通道監(jiān)測(cè)面的法向速度和氣體流動(dòng)狀態(tài)的研究,發(fā)現(xiàn)凈化空氣不斷地和外界空氣混合同時(shí)發(fā)生能量的交換,并以此阻擋外界空氣。當(dāng)凈化空氣速度V≥3m/s時(shí),凈化氣流可以阻擋外界空氣接觸到主發(fā)射筒的最外光學(xué)元件-次鏡;當(dāng)凈化空氣速度V≥9m/s時(shí),正壓凈化通風(fēng)能滿(mǎn)足除塵效率大于90%的要求。而且凈化空氣速度越大,阻擋作用越大。當(dāng)凈化空氣速度在3m/s以上時(shí),激光對(duì)氣體和光學(xué)鏡面的加熱作用引起的內(nèi)通道氣體溫度變化在1°C以?xún)?nèi);正壓凈化通風(fēng)可以很大程度上降低內(nèi)通道氣體吸收激光能量產(chǎn)生的溫升,與沒(méi)有通風(fēng)時(shí)相比,降溫可以達(dá)到10°C以上。最后,仿真結(jié)果顯示內(nèi)通道流場(chǎng)的溫度變化引起的氣體折射率變化很小,流場(chǎng)對(duì)激光傳輸?shù)挠绊懸草^小,對(duì)于合束后的發(fā)射激光來(lái)說(shuō),這種影響可以接受而且可以通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)整進(jìn)行補(bǔ)償�；趦�(nèi)通道凈化密封的性能要求,首先對(duì)空氣凈化設(shè)備的除塵祛濕等凈化性能進(jìn)行了檢測(cè)和驗(yàn)證。然后,在室內(nèi)環(huán)境條件下,通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)檢測(cè),發(fā)現(xiàn)凈化空氣能夠在內(nèi)通道出口附近形成一定的風(fēng)速和正壓,而且在次鏡位置之前對(duì)六種粒徑的凈化效率都超過(guò)了90%,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的凈化密封效果。因此,正壓凈化通風(fēng)密封是一種簡(jiǎn)單有效的內(nèi)通道凈化密封方法。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類(lèi)】：TN249
【部分圖文】：

[50-51]。不同的激光武器，它的激光發(fā)射系統(tǒng)有不同的設(shè)計(jì)要求。如圖1.1所示的高能激光發(fā)射系統(tǒng)組成框圖，有多種因素會(huì)影響到遠(yuǎn)處目標(biāo)靶面上的激光能量集中度這一核心特征量，如激光器質(zhì)量、光束質(zhì)量、跟瞄精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性等因素，不僅需要對(duì)它們進(jìn)行逐一分析、優(yōu)化，而且還必須綜合研究，才能在總體上實(shí)現(xiàn)較高的特征量。因此激光發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要有：高光束質(zhì)量激光器技術(shù)；精密跟蹤瞄準(zhǔn)技術(shù)；光束控制發(fā)射技術(shù)；激光大氣傳輸效應(yīng)研究和自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)等[32,49,52]。圖 1.1 激光發(fā)射系統(tǒng)組成(1) 高光束質(zhì)量激光器技術(shù)高光束質(zhì)量激光器是激光發(fā)射系統(tǒng)的核心，它產(chǎn)生高光束質(zhì)量的激光束，是形成殺傷破壞作用的關(guān)鍵部分。因此，在工程應(yīng)用中，一般要求激光器具有能量轉(zhuǎn)換效率高、光束發(fā)散角小、脈寬適當(dāng)、大氣傳輸損耗低等特性。激光發(fā)射系統(tǒng)

就會(huì)容易發(fā)生光學(xué)表面沾染。而光照射到沾染面造成嚴(yán)重?fù)p壞，影響光學(xué)表面的透射和反射，而且光起散射[61]。水分和 CO2等分子會(huì)增強(qiáng)內(nèi)通道中空氣對(duì)激溶膠等顆粒會(huì)因?yàn)樯⑸涞仍蚴辜す饽芰慨a(chǎn)生衰減，并于激光在內(nèi)通道中傳輸時(shí)，光束直徑小，能量密度高，更加的明顯。甚至，空氣中的某些氣體成分會(huì)直接對(duì)光壞性影響。以上所述這些問(wèn)題都將嚴(yán)重影響激光發(fā)射，為了保護(hù)激光發(fā)射系統(tǒng)的內(nèi)部元件，保證設(shè)備的正常系統(tǒng)的性能，增強(qiáng)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，提高設(shè)備的使用壽通道的防塵除濕等凈化密封設(shè)計(jì)及其相關(guān)的內(nèi)通道熱效射內(nèi)通道密封方法簡(jiǎn)介的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，單一波段或者單一寬波段的激光發(fā)射系統(tǒng)個(gè)晶體透射窗口[76-79]，如圖 1.2 所示。而且口徑小的激動(dòng)窗口密封[80-86]，如圖 1.3 所示。

還有鏡子自重作用下的變形、安裝的卡夾變形用產(chǎn)生的變形等機(jī)械變形，這些都會(huì)對(duì)光束傳輸質(zhì)量產(chǎn)生較可知，平面透鏡晶體窗口對(duì)于大口徑多波段激光發(fā)射系統(tǒng)想的密封方式。式能氣動(dòng)激光器或者高能化學(xué)激光器的光腔內(nèi)必須是低壓的，激光器通常采用晶體透射窗口來(lái)保證激光腔相對(duì)環(huán)境的激光輸出功率不斷增大，由于晶體窗口不可避免的熱吸收作，晶體窗口就會(huì)因?yàn)榉磸?fù)的吸熱導(dǎo)致的熱應(yīng)力而產(chǎn)生熱畸影響，使設(shè)備無(wú)法正常工作。雖然很多研究人員通過(guò)研究晶應(yīng)，來(lái)尋找更好的材料或者采用冷卻技術(shù)，但是都只能有一能徹底解決這一難題[93-95]。上難題，科學(xué)家們找到了所謂氣動(dòng)窗口的辦法，它是采用對(duì)沒(méi)有吸收作用的氣體，利用氣動(dòng)技術(shù)采用特殊設(shè)計(jì)的射流來(lái)口，以此來(lái)取代晶體窗口，并用這個(gè)氣簾窗口來(lái)密封激光

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