eng
Выпуск #4/2015
А.Борейшо, И.Евдокимов, И.Киселев, М.Коняев, В.Скорняков, М.Загидуллин, Н.Хватов
Лабораторный стенд-демонстратор технологий химического кислородо-йодного лазера
Лабораторный стенд-демонстратор технологий химического кислородо-йодного лазера
Просмотры: 4442
Лабораторный комплекс–демонстратор технологий химического кислород-йодного лазера, разработанный по заказу Чжуншаньского института науки и технологии (Тайвань), был успешно введен в эксплуатацию на стенде заказчика. Менее чем за год была разработана одна из самых технически сложных лазерных систем и подтверждены все требуемые технические параметры. Впервые для такого рода лазера был продемонстрирован полный цикл работы от подготовки активной среды до ввода мощного излучения в оптическое волокно и передачи его на большие расстояния с высокой эффективностью, а также утилизация отработанной активной среды лазера с использованием криосорбционного насоса с различными сорбентами.
Теги: chemical oxygen-iodine lasers extremely high power laser сверхмощные лазеры химические кислород-йодные лазеры
Несмотря на успехи в развитии и широком применении в различных областях мощных непрерывных волоконных лазеров, химические кислород-йодные лазеры (ХКИЛ) потенциально остаются единственным источником излучения сверхвысокой мощности (более 100 кВт) в автономном режиме и при высоком оптическом качестве. Это обусловливает сохраняющийся в мире интерес к этим лазерным системам, отличающимся настолько сложными и многообразными рабочими процессами, что в мире существует всего несколько научных лабораторий и групп ученых и инженеров, сумевших реализовать проекты ХКИЛ в полном объеме.
Интенсивные исследования технологий ХКИЛ, которые проводились в России, США, Китае, Японии, Германии, Израиле и ряде других стран с момента демонстрации первого лабораторного лазера в 1977 году в США [1–4], к настоящему времени достигли высокого уровня развития. Наивысшей точкой стала реализация программы ABL (Airborne Laser, США) [5], в рамках которой был создан и испытан лазерный комплекс мегаваттного класса на базе химического кислород-йодного лазера, размещенный на самолете и предназначенный для уничтожения баллистических ракет на дистанциях до 400 км.
Учитывая высокий уровень разработки и понимания основных рабочих процессов в ХКИЛ, максимальный интерес сейчас вызывают вопросы комплексирования этой сложной лазерной системы, оптимизации всей технологической цепи от хранения исходных компонентов до подачи излучения к месту использования и утилизации отработанной активной среды.
Примером решения такой задачи на современном уровне может служить лабораторно-демонстрационный комплекс ХКИЛ, разработанный специалистами НПП "Лазерные Системы", учеными БГТУ "Военмех" им. Д.Ф.Устинова и Самарского филиала Физического института РАН и успешно запущенный в эксплуатацию на стенде Заказчика в Чжуншаньском институте науки и технологии (Тайвань).
Лабораторно-демонстрационный комплекс ХКИЛ представляет собой непрерывный (продолжительность одного пуска до 30 с) химический кислород-йодный лазер (лазерный модуль) номинальной мощностью 200 Вт с системой хранения и подачи компонентов, двухрежимную систему откачки отработанной среды (систему вакуумирования), систему управления и сбора данных, а также волоконно-оптическую систему. Схема комплекса приведена на рис.1, а основные технические характеристики установки представлены в табл. 1.
Система хранения и подачи компонентов (СХПК)
СХПК (рис.2) включает в себя следующие основные подсистемы: систему приготовления и подачи щелочного раствора перекиси водорода (ЩРПВ), систему хранения и подачи хлора, систему хранения и подачи йода, систему хранения и подачи азота.
Генератор синглетного кислорода (ГСК)
Одним из основных элементов ХКИЛ является ГСК, предназначенный для получения электронно-возбужденного кислорода в состоянии O2 (1∆) (синглетный кислород) в ходе газожидкостной реакции газообразного хлора со щелочным раствором перекиси водорода.
Для лабораторной установки был использован центробежный барботажный генератор синглетного кислорода (ЦБГСК) (рис.3). В ЦБГСК жидкий раствор подается к внутренней поверхности вращающегося цилиндра. Через цилиндрические сопла барботера, погруженные в слой раствора, продувается газообразный хлор. В результате образуются пузырьки, которые под действием центробежного ускорения двигаются в радиальном направлении, и на границе раздела фаз вырабатывается газообразный О2 (1∆).
ЦБГСК позволяет получить низкое отношение расхода раствора к расходу хлора до 1 л/моль [6], что очень важно для мобильных систем. Кроме того, ЦБГСК обеспечивает высокую степень утилизации хлора (не менее 90%) и выхода синглетного кислорода (более 60%).
Лазерный модуль
Лазерный модуль (рис.4) включает в себя сопловой блок, лазерную камеру с оптическим резонатором и сверхзвуковой диффузор.
Сопловой блок лазера представляет собой одиночное профилированное щелевое сопло, предназначенное для получения сверхзвукового потока в полости оптического резонатора и йодного инжектора. Первичный поток, содержащий синглетный кислород, подается из ГСК в форкамеру сопла. Вторичный поток, содержащий пары молекулярного йода, подается в трансзвуковую область перпендикулярно первичному потоку.
Проточная часть лазерной камеры выполнена с расширением, чтобы компенсировать тепло, выделяющееся в потоке в результате химических реакций. На торцах коробок резонатора размещаются юстировочные подвесы с зеркалами.
Резонатор
Оптический резонатор и его конструкция обеспечивают формирование выходного лазерного излучения с заданными пространственными, временными и спектральными параметрами. В установке используется устойчивый резонатор, малочувствительный к разъюстировкам и позволяющийт максимально эффективно использовать объем активной среды. В данном варианте – резонатор многомодовый c внутрирезонаторной диафрагмой. Резонатор и выходные зеркала показаны на рис.5.
Внутрирезонаторная диафрагма обеспечивает фильтрацию поперечных мод для эффективного снятия мощности по центру активной среды и формирует круглый профиль выходного излучения для последующего ввода в волокно.
Волоконно-оптическая система
Волокно использовалось для транспортировки лазерного излучения на дистанцию 80 метров. Транспортный световод представляет собой кварцевое волокно с диаметром сердцевины 800 микрон, помещенное в защитную оболочку и имеющее два коннектора: входной – СК-01 с водяным охлаждением и выходной – стандартный SMA-905. Ввод излучения в волокно осуществлялся с помощью специально разработанного и изготовленного ООО "НПП ВОЛО" блока ввода (рис.6). Мощность вводимого излучения составляла порядка 250 Вт. Конструкция модуля позволяет с высокой точностью совместить оси выходного лазерного излучения и волокна, обеспечивая оптимальный ввод излучения.
Система откачки отработанной активной среды
Для откачки отработанной лазерной среды ХКИЛ в окружающую среду и обеспечения низкого рабочего давления в лазерной камере возможно использование различных технологий [7] – вакуумные емкости, механические вакуумные насосы, системы восстановления давления (СВД) эжекторного типа, криосорбционные насосы.
К настоящему моменту вопрос обеспечения откачки отработанной среды ХКИЛ является наиболее актуальным, поскольку эффективность системы откачки сильно влияет на массогабаритные характеристики всего лазерного комплекса. Для автономных мобильных систем на базе ХКИЛ из-за массогабаритных ограничений для откачки можно рассматривать только использование СВД или криосорбционных насосов.
Система откачки отработанной активной среды лабораторного комплекса – двухрежимная, включающую механическую и криосорбционную системы откачки (рис.7). Лазер может работать как на механическую систему, так и на криосорбционную.
Механическая система состоит из двух последовательно соединенных вакуумных насосов и обеспечивает работу установки в течение неограниченного времени. Система рассматривается как основная.
Криосорбционный насос представляет собой вакуумную емкость с размещенными в ней криопанелями, на которых находится адсорбент (цеолит или активированный уголь), охлаждаемый жидким азотом. Для удаления из отработанной активной среды остаточного хлора и йода, которые способствуют резкому снижению сорбционной емкости, между лазером и крионасосом установлена криогенная ловушка, охлаждаемая жидким азотом.
Криосорбционная система позволяет работать лазеру ограниченное время, определяемое сорбционной емкостью, поэтому данная система не является основной и предназначена для исследований самих крионасосов в условиях работы с реальным лазером.
Система управления и сбора данных (СУСД)
СУСД представляет собой комплекс специализированных аппаратных средств и оригинального программного обеспечения. Система предназначена для автоматического управления исполнительными устройствами, для контроля состояния подсистем на всех этапах эксплуатации, а также для сбора информации с датчиков, ее обработки и хранения в базе данных результатов. СУСД обеспечивает работу 28 каналов управления, 37 каналов измерения и семи автоматических задач с частотой дискретизации 30 Гц.
Результаты
Максимальные трудности выполнения работы были связаны с исключительно сжатыми сроками поставки и сдачи лазера Заказчику, причем производство и комплектация оборудования пришлись на последний квартал 2014 года. Несмотря на это, сборка и запуск в эксплуатацию лабораторно-демонстрационного комплекса на стенде Заказчика завершились в установленные сроки (рис.8), и к середине мая 2015 года был завершен комплекс приемо-сдаточных испытаний.
В ходе испытаний был достигнут проектный уровень по мощности и длительности генерации при различных режимах работы лазера, подтверждена работоспособность и определена сорбционная емкость криосорбционного насоса, осуществлен ввод мощного лазерного излучения в восьмидесятиметровый магистральный световод с эффективностью 80%.
Кроме того, как показал уже начальный опыт работы, оборудование лабораторно-демонстрационного комплекса дает возможность изучить все основные технологии ХКИЛ, варьируя в широких пределах характеристики установки: расходы компонентов, параметры работы ГСК, геометрические размеры соплового блока, тип адсорбента крионасоса и др. Модульная конструкция позволяет гибко изменять конфигурацию комплекса без серьезной переделки материальной части за счет замены основных элементов лазера – использовать другие типы ГСК или применять разные схемы смешения вторичного и первичного потоков.
В целом к нашей радости и удовлетворению Заказчика вся работа по установке оборудования, запуску лабораторно-демонстрационного комплекса ХКИЛ и достижению всех проектных параметров была выполнена точно в срок и с высокой оценкой качества.
Благодарности
В заключение авторы выражают искреннюю признательность всем, принимавшим участие в разработке, изготовлении и испытаниях лабораторного комплекса: К.О.Алексееву, А.А.Мясникову, М.С.Антонову, А.О.Трухину, Н.Н.Гаврютину, С.Э.Авферонку, М.И.Свистуну и другим коллегам из НПП"Лазерные системы", БГТУ "ВОЕНМЕХ" и Самарского филиала ФИАН им. П.Н.Лебедева.
Литература
1. McDermott W.E., Pchelkin N.R., Benard D.J. and Bosek R.R. An electronic transition chemical laser – Appl. Phys. Lett., 1978, v. 32, p. 469–470.
2. Truesdell K. A., Helms C. A., Hager G. D.A. History of COIL Development in the USA. – Proc. SPIE, 1994, v. 2502, p. 217–237.
3. Борейшо А.С., Васильев Д.Н., Евдокимов И.М., Мальков В.М., Савин А.В., СтраховС.Ю., Трилис А.В. Непрерывный химический кислородно-йодный лазер мощностью 12 кВт . – Квантовая Электроника, 2003,т.33, с. 4.
4. Handke J. , Grünevald K. M., Schall W. O., L. v-Entress-Fürsteneck. Power Extraction Investigations for a 10kW-Class Supersonic COIL. – Proc. SPIE, v. 3574, pp. 309–314, 1998.
5. Trusdell K.A. Recent Airborne Laser –laser results. – Proc. SPIE, 2006, v. 6343, p. 6346 1L-1–6346 1L-16.
6. Загидуллин М.В. , Николаев В.Д., Свистун М.И., Хватов Н. А. Центробежный барботажный газогенератор O2 (1∆) с полным давлением 100 Тор.– Квантовая электроника, 2008, т. 38, № 8.
7. Борейшо А.С., Киселев И.А., Орлов А.Е., Савин А.В., Шалимов В.П., Мальков В.М., Хайлов В.М. Системы восстановления давления мощных газовых и химических лазеров. – Теплофизика и аэромеханика,2001, т. 8, № 4, с. 605–623.
Интенсивные исследования технологий ХКИЛ, которые проводились в России, США, Китае, Японии, Германии, Израиле и ряде других стран с момента демонстрации первого лабораторного лазера в 1977 году в США [1–4], к настоящему времени достигли высокого уровня развития. Наивысшей точкой стала реализация программы ABL (Airborne Laser, США) [5], в рамках которой был создан и испытан лазерный комплекс мегаваттного класса на базе химического кислород-йодного лазера, размещенный на самолете и предназначенный для уничтожения баллистических ракет на дистанциях до 400 км.
Учитывая высокий уровень разработки и понимания основных рабочих процессов в ХКИЛ, максимальный интерес сейчас вызывают вопросы комплексирования этой сложной лазерной системы, оптимизации всей технологической цепи от хранения исходных компонентов до подачи излучения к месту использования и утилизации отработанной активной среды.
Примером решения такой задачи на современном уровне может служить лабораторно-демонстрационный комплекс ХКИЛ, разработанный специалистами НПП "Лазерные Системы", учеными БГТУ "Военмех" им. Д.Ф.Устинова и Самарского филиала Физического института РАН и успешно запущенный в эксплуатацию на стенде Заказчика в Чжуншаньском институте науки и технологии (Тайвань).
Лабораторно-демонстрационный комплекс ХКИЛ представляет собой непрерывный (продолжительность одного пуска до 30 с) химический кислород-йодный лазер (лазерный модуль) номинальной мощностью 200 Вт с системой хранения и подачи компонентов, двухрежимную систему откачки отработанной среды (систему вакуумирования), систему управления и сбора данных, а также волоконно-оптическую систему. Схема комплекса приведена на рис.1, а основные технические характеристики установки представлены в табл. 1.
Система хранения и подачи компонентов (СХПК)
СХПК (рис.2) включает в себя следующие основные подсистемы: систему приготовления и подачи щелочного раствора перекиси водорода (ЩРПВ), систему хранения и подачи хлора, систему хранения и подачи йода, систему хранения и подачи азота.
Генератор синглетного кислорода (ГСК)
Одним из основных элементов ХКИЛ является ГСК, предназначенный для получения электронно-возбужденного кислорода в состоянии O2 (1∆) (синглетный кислород) в ходе газожидкостной реакции газообразного хлора со щелочным раствором перекиси водорода.
Для лабораторной установки был использован центробежный барботажный генератор синглетного кислорода (ЦБГСК) (рис.3). В ЦБГСК жидкий раствор подается к внутренней поверхности вращающегося цилиндра. Через цилиндрические сопла барботера, погруженные в слой раствора, продувается газообразный хлор. В результате образуются пузырьки, которые под действием центробежного ускорения двигаются в радиальном направлении, и на границе раздела фаз вырабатывается газообразный О2 (1∆).
ЦБГСК позволяет получить низкое отношение расхода раствора к расходу хлора до 1 л/моль [6], что очень важно для мобильных систем. Кроме того, ЦБГСК обеспечивает высокую степень утилизации хлора (не менее 90%) и выхода синглетного кислорода (более 60%).
Лазерный модуль
Лазерный модуль (рис.4) включает в себя сопловой блок, лазерную камеру с оптическим резонатором и сверхзвуковой диффузор.
Сопловой блок лазера представляет собой одиночное профилированное щелевое сопло, предназначенное для получения сверхзвукового потока в полости оптического резонатора и йодного инжектора. Первичный поток, содержащий синглетный кислород, подается из ГСК в форкамеру сопла. Вторичный поток, содержащий пары молекулярного йода, подается в трансзвуковую область перпендикулярно первичному потоку.
Проточная часть лазерной камеры выполнена с расширением, чтобы компенсировать тепло, выделяющееся в потоке в результате химических реакций. На торцах коробок резонатора размещаются юстировочные подвесы с зеркалами.
Резонатор
Оптический резонатор и его конструкция обеспечивают формирование выходного лазерного излучения с заданными пространственными, временными и спектральными параметрами. В установке используется устойчивый резонатор, малочувствительный к разъюстировкам и позволяющийт максимально эффективно использовать объем активной среды. В данном варианте – резонатор многомодовый c внутрирезонаторной диафрагмой. Резонатор и выходные зеркала показаны на рис.5.
Внутрирезонаторная диафрагма обеспечивает фильтрацию поперечных мод для эффективного снятия мощности по центру активной среды и формирует круглый профиль выходного излучения для последующего ввода в волокно.
Волоконно-оптическая система
Волокно использовалось для транспортировки лазерного излучения на дистанцию 80 метров. Транспортный световод представляет собой кварцевое волокно с диаметром сердцевины 800 микрон, помещенное в защитную оболочку и имеющее два коннектора: входной – СК-01 с водяным охлаждением и выходной – стандартный SMA-905. Ввод излучения в волокно осуществлялся с помощью специально разработанного и изготовленного ООО "НПП ВОЛО" блока ввода (рис.6). Мощность вводимого излучения составляла порядка 250 Вт. Конструкция модуля позволяет с высокой точностью совместить оси выходного лазерного излучения и волокна, обеспечивая оптимальный ввод излучения.
Система откачки отработанной активной среды
Для откачки отработанной лазерной среды ХКИЛ в окружающую среду и обеспечения низкого рабочего давления в лазерной камере возможно использование различных технологий [7] – вакуумные емкости, механические вакуумные насосы, системы восстановления давления (СВД) эжекторного типа, криосорбционные насосы.
К настоящему моменту вопрос обеспечения откачки отработанной среды ХКИЛ является наиболее актуальным, поскольку эффективность системы откачки сильно влияет на массогабаритные характеристики всего лазерного комплекса. Для автономных мобильных систем на базе ХКИЛ из-за массогабаритных ограничений для откачки можно рассматривать только использование СВД или криосорбционных насосов.
Система откачки отработанной активной среды лабораторного комплекса – двухрежимная, включающую механическую и криосорбционную системы откачки (рис.7). Лазер может работать как на механическую систему, так и на криосорбционную.
Механическая система состоит из двух последовательно соединенных вакуумных насосов и обеспечивает работу установки в течение неограниченного времени. Система рассматривается как основная.
Криосорбционный насос представляет собой вакуумную емкость с размещенными в ней криопанелями, на которых находится адсорбент (цеолит или активированный уголь), охлаждаемый жидким азотом. Для удаления из отработанной активной среды остаточного хлора и йода, которые способствуют резкому снижению сорбционной емкости, между лазером и крионасосом установлена криогенная ловушка, охлаждаемая жидким азотом.
Криосорбционная система позволяет работать лазеру ограниченное время, определяемое сорбционной емкостью, поэтому данная система не является основной и предназначена для исследований самих крионасосов в условиях работы с реальным лазером.
Система управления и сбора данных (СУСД)
СУСД представляет собой комплекс специализированных аппаратных средств и оригинального программного обеспечения. Система предназначена для автоматического управления исполнительными устройствами, для контроля состояния подсистем на всех этапах эксплуатации, а также для сбора информации с датчиков, ее обработки и хранения в базе данных результатов. СУСД обеспечивает работу 28 каналов управления, 37 каналов измерения и семи автоматических задач с частотой дискретизации 30 Гц.
Результаты
Максимальные трудности выполнения работы были связаны с исключительно сжатыми сроками поставки и сдачи лазера Заказчику, причем производство и комплектация оборудования пришлись на последний квартал 2014 года. Несмотря на это, сборка и запуск в эксплуатацию лабораторно-демонстрационного комплекса на стенде Заказчика завершились в установленные сроки (рис.8), и к середине мая 2015 года был завершен комплекс приемо-сдаточных испытаний.
В ходе испытаний был достигнут проектный уровень по мощности и длительности генерации при различных режимах работы лазера, подтверждена работоспособность и определена сорбционная емкость криосорбционного насоса, осуществлен ввод мощного лазерного излучения в восьмидесятиметровый магистральный световод с эффективностью 80%.
Кроме того, как показал уже начальный опыт работы, оборудование лабораторно-демонстрационного комплекса дает возможность изучить все основные технологии ХКИЛ, варьируя в широких пределах характеристики установки: расходы компонентов, параметры работы ГСК, геометрические размеры соплового блока, тип адсорбента крионасоса и др. Модульная конструкция позволяет гибко изменять конфигурацию комплекса без серьезной переделки материальной части за счет замены основных элементов лазера – использовать другие типы ГСК или применять разные схемы смешения вторичного и первичного потоков.
В целом к нашей радости и удовлетворению Заказчика вся работа по установке оборудования, запуску лабораторно-демонстрационного комплекса ХКИЛ и достижению всех проектных параметров была выполнена точно в срок и с высокой оценкой качества.
Благодарности
В заключение авторы выражают искреннюю признательность всем, принимавшим участие в разработке, изготовлении и испытаниях лабораторного комплекса: К.О.Алексееву, А.А.Мясникову, М.С.Антонову, А.О.Трухину, Н.Н.Гаврютину, С.Э.Авферонку, М.И.Свистуну и другим коллегам из НПП"Лазерные системы", БГТУ "ВОЕНМЕХ" и Самарского филиала ФИАН им. П.Н.Лебедева.
Литература
1. McDermott W.E., Pchelkin N.R., Benard D.J. and Bosek R.R. An electronic transition chemical laser – Appl. Phys. Lett., 1978, v. 32, p. 469–470.
2. Truesdell K. A., Helms C. A., Hager G. D.A. History of COIL Development in the USA. – Proc. SPIE, 1994, v. 2502, p. 217–237.
3. Борейшо А.С., Васильев Д.Н., Евдокимов И.М., Мальков В.М., Савин А.В., СтраховС.Ю., Трилис А.В. Непрерывный химический кислородно-йодный лазер мощностью 12 кВт . – Квантовая Электроника, 2003,т.33, с. 4.
4. Handke J. , Grünevald K. M., Schall W. O., L. v-Entress-Fürsteneck. Power Extraction Investigations for a 10kW-Class Supersonic COIL. – Proc. SPIE, v. 3574, pp. 309–314, 1998.
5. Trusdell K.A. Recent Airborne Laser –laser results. – Proc. SPIE, 2006, v. 6343, p. 6346 1L-1–6346 1L-16.
6. Загидуллин М.В. , Николаев В.Д., Свистун М.И., Хватов Н. А. Центробежный барботажный газогенератор O2 (1∆) с полным давлением 100 Тор.– Квантовая электроника, 2008, т. 38, № 8.
7. Борейшо А.С., Киселев И.А., Орлов А.Е., Савин А.В., Шалимов В.П., Мальков В.М., Хайлов В.М. Системы восстановления давления мощных газовых и химических лазеров. – Теплофизика и аэромеханика,2001, т. 8, № 4, с. 605–623.
Отзывы читателей
