激光發(fā)射系統(tǒng)在目標(biāo)測距、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),近年來正在朝大口徑、多波段的方向發(fā)展,由此帶來了許多新的問題,其中激光發(fā)射內(nèi)通道的凈化密封問題對提高激光發(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;而且可以凈化內(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;同時可以依靠凈化空氣的正壓作用實(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,說明了保證內(nèi)通道結(jié)構(gòu)連接縫隙密封的重要性。對內(nèi)通道的不同連接進(jìn)行了靜密封和動密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并對密封設(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)無泄漏密封,而動密封設(shè)計(jì)的泄漏量較小,可以在正壓凈化通風(fēng)時補(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模型來描述和追蹤顆粒在流場中的運(yùn)動軌跡,建立了離散相模型。對內(nèi)通道中光場和流場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)通道流場的計(jì)算中,得到流場的溫度分布,并在此基礎(chǔ)上研究其對激光傳輸?shù)挠绊�。建立了大口徑多波段激光發(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)境為六級風(fēng)的設(shè)計(jì)要求下,入口凈化空氣速度大于4m/s時可以實(shí)現(xiàn)對外界空氣的正壓密封,同時可以對空氣中各種粒徑的塵埃起到阻擋作用,保護(hù)光學(xué)元件。通過實(shí)驗(yàn)對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,說明正壓凈化氣流能夠凈化內(nèi)通道,而且對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)用展開了研究,建立了其內(nèi)通道流場的仿真模型。通過對內(nèi)通道監(jiān)測面的法向速度和氣體流動狀態(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,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,正壓凈化通風(fēng)能滿足除塵效率大于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,激光對氣體和光學(xué)鏡面的加熱作用引起的內(nèi)通道氣體溫度變化在1°C以內(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,與沒有通風(fēng)時相比,降溫可以達(dá)到10°C以上。最后,仿真結(jié)果顯示內(nèi)通道流場的溫度變化引起的氣體折射率變化很小,流場對激光傳輸?shù)挠绊懸草^小,對于合束后的發(fā)射激光來說,這種影響可以接受而且可以通過結(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,首先對空氣凈化設(shè)備的除塵祛濕等凈化性能進(jìn)行了檢測和驗(yàn)證。然后,在室內(nèi)環(huán)境條件下,通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)檢測,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六種粒徑的凈化效率都超過了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)密封是一種簡單有效的內(nèi)通道凈化密封方法。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：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等分子會增強(qiáng)內(nèi)通道中空氣對激溶膠等顆粒會因?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，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直接對光壞性影響。以上所述這些問題都將嚴(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)通道密封方法簡介的經(jīng)驗(yàn)來看，單一波段或者單一寬波段的激光發(fā)射系統(tǒng)個晶體透射窗口[76-79]，如圖 1.2 所示。而且口徑小的激動窗口密封[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，這些都會對光束傳輸質(zhì)量產(chǎn)生較可知，平面透鏡晶體窗口對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保證激光腔相對環(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)備無法正常工作。雖然很多研究人員通過研究晶應(yīng)，來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窗口的辦法，它是采用對沒有吸收作用的氣體，利用氣動技術(shù)采用特殊設(shè)計(jì)的射流來口，以此來取代晶體窗口，并用這個氣簾窗口來密封激光

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