大功率激光武器及其冷却系统_周乐平

１） 化 学 激 光 器 主 要 包 括 ： ① 氟 化 氢 激 光 器 。氟 化 氢 激 光 器 采 用 Ｈ２ 和 Ｆ２ 作为反应剂， 可产生波长 ２．７￣２．９ ｍｍ 的 激 光 ， 宜 作 为 天 基 激光武器。② 化学氧碘激光器， 化 学氧碘激光器涉及工作介质制备 系 统 、光 学 共 振 腔 、气 压 复 原 系 统 等， 可产生单一波 长 为 １．３ ｍｍ 的 激光， 功率可达兆瓦级。③ 氟化氘 激光器， 氟化氘激光器采 用 Ｄ２ 和 Ｆ２ 作为反应剂， 由于产生的波长 约 为 ３．８ ｍｍ， 不 会 被 地 球 大 气 层 所吸收， 因此常用于大气层以内。
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喷雾冷却和射流冲击沸腾的 热负荷能力均较高， 是两种潜在 的 高 能 激 光 武 器 冷 却 方 法 。如 图 １ 所示， 喷雾冷却是将微量液体混 入压力气流中形成雾状气液两相 流体， 通过喷雾产生射流并喷射 到高温表面以使其充分冷却。其 主要优点是热阻低， 具有较好的
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等温性和较高的热负荷能力， 如 压力雾化喷嘴使用水时热负荷达 １０００ Ｗ／ｃｍ２， 对 应 过 热 温 度 不 超 过 ６０℃； 蒸 汽 雾 化 喷 嘴 使 用 水 时 热 负 荷 达 １３００ Ｗ／ｃｍ２， 对 应 过 热 温 度 不 超 过 ５℃， 使 用 制 冷 剂 Ｒ７２ 时 热 负 荷 达 ３００ Ｗ／ｃｍ２。虽 然 喷 雾 冷 却 受 重 力 影 响 、温 升 较 大 ， 但 通 过 降 低 系 统 压 力 、液 体 过 冷 或 使 用 微喷嘴阵列和压电板雾化流体， 喷 雾冷却方法仍然有可能在未来的 大功率激光武器冷却系统得到实 际 应 用 。射 流 冲 击 沸 腾 是 通 过 喷 口 射出自由射流直接冲击高温表面 的方法， 如图 ２ 所示。由于流程短 且被冲击表面上的边界层薄， 虽然 其等温性较差， 但其热负荷能力 高， 例如射流冲击普通表面时的热 负荷能力为 １００￣３００ Ｗ／ｃｍ２ 左 右 ， 射流冲击微尺度表面时的热负荷 能 力 可 达 到 ５００ Ｗ／ｃｍ２ 左 右 ， 和 喷雾冷却一样有可能得到实际 应用。
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综合
评述 Ｒｅ ｖｉｅ ｗ
激光武器
图 １ 喷雾冷却的原理
图 ２ 射流冲击沸腾的原理
腾和过冷流动沸腾等。池沸腾是 被动式设计， 具有高等温性（无论 是两相沸腾还是两相冷凝）， 但热 负 荷 能 力 局 限 在 ２０ Ｗ／ｃｍ２ 左 右 （对于绝缘液体）， 在沸腾初始阶段 有很高的温度峰值， 并且完全依 赖于重力， 因此较难应用于大功 率激光武器的冷却。过冷流动沸 腾相比于池沸腾的主要优点是热 负荷能力有一定升高， 例如理论 上 ， 当 制 冷 剂 Ｒ７２ 的 过 冷 温 度 为 ２０℃、流 动 速 度 为 １￣ ４ ｍ／ｓ 时 ， 对 应的过冷流动沸腾热负荷能力为 １１０ Ｗ／ｃｍ２， 而 当 过 冷 度 增 加 时 对 应的过冷流动沸腾热负荷能力则 升 高 到 ５００ Ｗ／ｃｍ２ 左 右 。 目 前 应 用于大功率激光武器的冷却还有 待进一步研究。
Ｌ激光与光电子学进展 ａｓｅｒ ＆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ
表 １ 现有冷却技术及对应热负荷能力
类型
单相液冷
两相液冷
微通道液冷
毛细泵热管
浸润式池沸腾
过冷流动沸腾
压力雾化喷嘴
喷雾冷却
蒸汽雾化喷嘴
射流冲击沸腾
普通表面 微尺度表面
半导体制冷
热电离子冷却
热管
微热管回路
热泵
热负荷能力 ／Ｗ·ｃｍ－ ２ ５０￣１００ ＞１００ １０００ ５￣１０ ２０ ５００ １０００ １３００ ３００ １００￣３００ ５００ １ １００ ２５￣１００ ５０ －
３） 二氧化碳激光器。二氧化碳 激光武器以二氧化碳为燃料产生 激光的波长 为 １０．６ ｍｍ 左右， 可在 长时间内不用补给燃料而反复使 用， 便于安装在航天飞行器上。
４） 自由电子激光器。自由电 子激光器是一种新型强相干辐射 源 ， 通 常 由 高 能 电 子 加 速 器 、摆 动 器和谐振腔三部分组成， 具有输 出功率强、光束质量好、波长可 调、可调范围宽和转换效率高等 特点， 能适应不同大气环境。
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ ｌａｓ ｅｒ ｗｅａｐ ｏｎｓ； ｃｏｏｌｉｎｇ； ｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｔｒｏｌ 中图分类号 ＴＪ８６４； ＴＪ９５
１ 引言
激光武器系统中的激光器依 靠电能产生高度聚焦的激光光 束， 在此过程中产生大量热量， 为 使激光束质量提高， 必须散发掉 这些热量， 如联合攻击战斗机上 装备的高能激光武器可通过液冷 系统把热量传递给飞机油箱， 进 而排入空气。同时还需对激光器
Байду номын сангаас
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工作介质进行热控制， 如对于固 体激光器需保证工作介质的温度 均匀性和稳定性， 可控制冷却水 箱 温 度 ， 但 这 在 散 热 空 间 小 、高 热 流 密 度 等 条 件 下 将 很 困 难 。因 此 ， 有必要从冷却和热控制等方面探 讨大功率激光武器的冷却问题。 本文首先回顾了高能激光武器的 分类与发展历史， 并针对大功率
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摘要 关键词
回顾了大功率激光武器的分类与发展历史， 根据现有冷却方法的热负荷范围， 提出解决未来大功率激 光 武 器 热 管 理 的 可 能 途 径 。对 于 千 瓦 级 固 体 激 光 器 的 冷 却 ， 可 采 用 激 光 二 极 管 抽 运 方 法 减 少 进 入 工 作 介 质 的 热 量， 采 用 微 通 道 液 冷 或 喷 雾 冷 却 等 方 法 以 有 效 地 导 出 工 作 介 质 中 热 量 。兆 瓦 级 化 学 氧 碘 激 光 器或中红外氟化氘化学激光器等， 可采用喷雾冷却或热泵冷却等方法。 激光武器； 冷却； 热控制
温升／℃
大 大 大 大 大 大 ６０ ５ 小 小 小
大 大 小
备注
水， ２６．５ Ｌ／ｈ 水， ５．７ Ｌ／ｈ
Ｒ７２
光武器应用发展前景的激光器主 要 有 氟 化 氘／氟 化 氢 化 学 激 光 器 、 化学氧碘激光器、二氧化碳激光 器 、自 由 电 子 激 光 器 、二 极 管 抽 运 固 体 激 光 器 等［１￣１０］。
３ 大功率激光武器的冷却 技术
３．１． 现有冷却技术 现有典型的冷却技术主要包
括液冷、喷雾冷却、热管和热泵 等。表 １ 总结了现有冷却技术及 对应热负荷能力的情况。
液 冷 方 法 包 括 单 相 液 冷 、两 相液冷和微通道液冷等， 是利用 循环泵使散热管中的冷却液体循 环并将激光器产生的废热带走， 其 优 点 是 噪 音 小 、冷 却 效 果 好 。单 相液冷循环中的液体不发生相 变， 其主要优点是技术成熟， 泵功 率 小（ 相 比 于 微 通 道 液 冷） ， 输 运 长 度 达 １００ ｍ ， 当 功 率 不 小 于 ２０ ｋＷ 时 体 积 增 加 不 大 ， 其 主 要 缺点是热负荷能力不高， 除非流 动通道小并且与热沉集成为一 体， 否则单相液冷的热负荷能力 局 限 在 ５０￣ １００ Ｗ／ｃｍ２ 左 右 ， 可 应 用于氟化氢激光器。两相液冷利 用液体相变潜热带走热量， 因此 热 负 荷 能 力 高 （ 可 大 于 １００ Ｗ／ ｃｍ２） ， 输 运 长 度 大 于 １００ ｍ ， 当 功 率 为 ２０￣ １００ ｋＷ 时 体 积 节 省 ５０％ ￣ ８０％（ 相 比 于 单 相 液 冷） 。 可 应 用 于氟化氢激光器和化学氧碘激光 器。微通道液冷通常是指在微尺 度空间的沸腾传热（两相液冷）， 其 主要优点是热阻非常低， 不受重 力影响。微尺度通道内沸腾的热 负 荷 能 力 达 ３００ Ｗ／ｃｍ２（ 小 尺 度 通 道 内 沸 腾 的 热 负 荷 能 力 达 ２００ Ｗ／ ｃｍ２） ， 而 水 在 微 尺 度 通 道 内 沸 腾 的 热 负 荷 能 力 则 达 １０００ Ｗ／ｃｍ２， 但由于微通道尺寸小等原因致使 液体在微通道内压降很大， 需防 止微通道内污垢和堵塞， 且液体 温度增加会致使微通道内存在很 大的温度梯度及热应力。可应用 于 固 体 激 光 器 。其 它 具 有 相 变（ 沸 腾）的冷却方式还有（浸润式）池沸
激光武器中存在的冷却问题， 根 据现有冷却方法的热负荷范围， 提出了解决未来大功率激光武器 热管理的可能途径。
２ 具有大功率激光武器应用 发展前景的几种激光器
激光器是高能激光武器的核 心组成部分， 目前具有大功率激
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２） 固体激光器。固体激光器 通常采用对掺杂的固体激光介质 激发产生激光， 按抽运方式可分
为灯抽运和二极管抽运两种， 按 运 转 方 式 又 可 分 为 单 次 运 行 、稳 态运行和热容运行三种方式。固 体热容激光器有望成为最早的机 动性激光武器， 目前主要以美国 的 Ｎｄ：ＧＧＧ 固 体 热 容 激 光 器 和 俄 罗斯的钕玻璃固体激光器为代 表， 两 国 均 采 用 波 长 为 １．０６ ｍｍ 、 平均功率为百千瓦级的激光。
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评述 Ｒｅ ｖｉｅ ｗ
激光武器
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大功率激光武器及其冷却系统
Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅ ｒ Ｌａ ｓｅ ｒ Ｗｅ ａ ｐｏｎ ｓ ａ ｎ ｄ Ｔｈｅ ｉｒ Ｃｏｏｌｉｎ ｇ Ｓｙｓｔ ｅ ｍｓ
周乐平 １ 唐大伟 ２ 杜小泽 １ 杨勇平 １ 刘登瀛 １，２
! " １ 华北电力大学能源与动力工程学院暨电站设备状态监测与控制教育部重点实验室， 北京 １０２２０６
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２ 中国科学院工程热物理研究所， 北京 １０００８０
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