激光点火起爆技术.docx
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激光点火起爆技术
第二章激光点火起爆系统
激光点火（起爆）技术的研究始于60年代中期，由于激光器（主要是二极管激光器）和低衰减光纤的发展，才使激光点火起爆成为现实。
由于激光的非电性带来的高安全性等诸多优点，因此，它将是最主要的点火起爆技术之一。
第一节激光点火起爆原理
激光点火起爆的机理主要有以下四种：
一、热起爆机理
激光携带的能量被照射的局部起爆药剂吸收，并在一定的照射深度内转换成热能，局部积聚发热升温，形成“热点”，导致起爆药剂的燃烧或爆燃，然后由燃烧转为爆轰。
增加药剂对激光的吸收率（如掺杂C、Zr等）能降低点火所需的最小能量（阈值）。
二、冲击点火机理
高强度的激光射线可对炸药产生冲击点火。
当强激光脉冲照射到不透明的固体表面（如铝膜）时，会产生高温、高离子化的能强烈吸收激光射线的蒸发物，并有很高的压力（约1×105MPa）作用于固体表面，因而在固体中产生强冲击波而起爆装药。
三、电击穿机理
加压氮化铅的电击穿场强度为（1×107V/cm）。
当激光达到临界起爆强度时，可产生0.7×107V/cm的平均电场强度，而且激光所具有的自动聚焦性质又可使它增强3～5倍。
因此，激光产生的电场的电击穿作用可以使某些炸药起爆。
四、光致分解机理
在调Q的情况下，激光功率很大时导致分解而起爆。
激光对药剂作用的机理与激光的波长及激光的输出方式等有关。
自由振荡激光器和调Q激光器输出的功率不同，对药剂的起爆机理就不完全一样，目前一般认为自由振荡激光器输出的激光引爆炸药的机理基本上属于热起爆机理，而调Q激光器输出的激光引爆炸药的机理除热起爆外，还可能存在因光化学反应和激光冲击反应引起的起爆。
实际上，激光起爆过程可能是上述几个机理综合作用的结果。
第二节激光点火起爆系统的组成
一个完整的激光点火系统主要由激光保险与解除保险装置、激光器、激光器输出耦合光缆（重复使用）、光纤接头、带输入光纤的引爆装置（一次使用）等部分组成。
参见图2.1。
传感器
电源发火信号光光藕合器光输
传感器
图2.1激光点火系统概况
由于激光器（二极管）用低压电源启动，所以其本身则存在一个固有的安全性问题。
为确保激光器不发生意外启动，需要一单独的电子控制与安全系统，它适应于多点控制和顺序选择，具有小型化、抗严酷环境等特点，该保险系统的保险解除需由两个独立的安全性参数进行控制。
以数值口径接收的输出光能藕合光缆、引爆装置输入光纤及接头都要具有低损耗和抗严酷环境的特点，引爆装置中所装填的药剂必须是钝感的烟火剂或炸药。
第三节激光点火起爆系统的性能要求
在各种应用中，对系统及各元件的性能要求不同。
表2.1列举了先进空空导弹、小型洲际导弹和能源部、国防部对激光点火系统的性能要求。
表2.1对系统和元件的性能要求
性能
系统
光纤
接头
引爆装置
振动
g
冲击
g
温度
°F
峰值
功率
GW/cm2
寿命
年
抗拉强度
PSI
损耗
dB/
km
损耗
dB/
界面
密封度
cc/s
可靠度
国防部
10.0
225
1ms
0.4
7-10
6
1
小于
1×10-6
使用的可靠性大于0.93，测试的可靠性要大于0.94。
能源部
27.0
3000
1ms
0.1-10
30
750.000
6
1
小于
1×10-6
先进空空导弹
19.0
42
-65～160
750.000
6
1
小于
1×10-6
小型洲际导弹
18.7
15
45～110
750.000
6
1
小于
1×10-6
第四节激光点火（起爆）系统的优点
1、与常规热桥丝点火起爆系统相比，用光纤取代了桥丝和导线，因此受强射频（RF）、电磁脉冲（EMP）、高功率微波（HPM）和静电作用而发生意外点火（起爆）的危险性大大降低了。
2、消除了因桥丝和点火药剂存在而伴随发生的锈蚀、点火后电阻（RAF）的变化及绝缘电阻等问题。
3、避免了机械冲击的敏感问题。
4、光纤的强度和柔性较好，使系统安装的柔性和负载容易处理。
5、由于密封包覆，寿命超过20年。
6、大大简化了生产工艺和质量检验，如射频、静电感度试验，不发火试验、绝缘电阻和桥线可靠性检验等。
7、不必再考虑1A/1W不发火的钝感安全性要求了。
8、光束可聚焦成一个很小的点，从而可产生很高的功率密度。
9、利用光学滤光技术可以对激光传输系统进行有效的试验，而不会影响爆炸装置的安全性和性能。
10、利用分光技术和光束的分支机构，可以实现多点起爆技术，同时起爆几个爆炸装置。
11、利用S/A机构可容易截断激光通道。
第五节激光器和控制装置
一、小型钕玻璃脉冲激光器
美国喷气推进试验室（JPL）已在七十年代中期研制成功。
外形尺寸：
51×7.6×12.7cm3
重量：
0.7kg
输出能量：
1ms脉冲能量输出为2.8J
能量/重量系数：
3.3J/kg
能量/体积系数：
0.005J/cm3
二、小型Q开关钕玻璃激光器
外形尺寸：
9.5×15.8×33cm3
重量：
6.2kg
输出能量：
20ms脉冲的最大输出能量为60J
三、小型自持OEM激光器（八十年代）
外形尺寸：
8.9×6.1×2.8cm3
重量：
0.34kg
输出能量：
输出脉冲功率100W
已经采用的激光器及特性见表2.2，这些激光都能产生较高功率或能量密度的激光脉冲，能以较大的能量同时起爆几个分系统。
其缺点是：
（1）激光效率不高（＜10%），大约只有1～3%的输入电能转换成有效的输出光能；
（2）尺寸和重量较大（相对于战术武器）；
（3）成本还较高。
表2.2美国空军和能源部激光军械点火系统使用的激光器及特性
系统
类型
波长λ
（nm）
发射脉冲
激光棒
激光
泵浦
谐振腔
形式
能量
（mJ）
宽度
掺杂物
工作物质
美国空军
小型洲际弹道导弹
（ICBM）
钕
钆-钪-钕
石榴石
（GSGG）
闪光灯
CC-PL
（2）
1060
300
0.12mS
F16A战斗机
钕
玻璃
PZP
（1）
PL-PL（3）
1053
6000
10mS
新型空-空导弹
（AAAM）
钕
玻璃
PZP
PL-PL
1053
4000
10mS
先进的发射系统
（ALS）
钕
钇铝石榴石
（YAN）
闪光灯
PL-PL
1060
100
连续波
美国能源部
圣地亚国立试验室/
光起爆装置
（SNL/DOI）1#
钕
玻璃
闪光灯
PL-PL
1053
300
25nS
圣地亚国立试验室/
光起爆装置
（SNL/DOI）2#
钕
铬：
GSGG
闪光灯
PR-PR（4）
1061
250
16nS
圣地亚国立试验室/激光二极管起爆装置
（SNL/DOI）
铝
镓铝砷：
（GaAlAs）
—
PL-PL
820
100
10mS
注：
（1）PZP：
高温锆泵浦。
（2）CC-PL：
角隅棱镜一平面镜谐振腔。
（3）PL-PL：
平面镜一平面镜谐振腔。
（4）PR-PR：
波罗棱镜一波罗棱镜谐振腔。
激光点火系统的最新发展是激光二极管点火系统。
激光二极管又称半导体激光器或二极管激光器，其特点是：
小巧灵活、使用方便，结构均匀性好，能适应各种温度、冲击和震动的环境，能量转换率高（理论效率达30～40%），只需要低电压启动，可输出连续波1W以上的功率。
第一代激光二极管是P-N结砷化镓二极管，厚度约1mm；
第二代激光二极管是双（多）异质结二极管，它大大降低了产生激光的阈值电流，增大了输出功率。
进一步发展的产品是列阵式激光二极管，增加了输出功率。
第六节光导纤维及联接方式
光导纤维的作用是传输激光。
其衰减率（每千米几分贝）不能太大，否则输出能量太小，难以起爆药剂。
而高功率或高能量密度的激光器又很难将激光脉冲耦合进光纤中，也很难在光纤中传播，这是由于在高功率和高能量密度时，较高阶次的吸收过程变得突出了。
因此要求：
1、改进炸药成分，增加对光的吸收，降低阈值能量；
2、改进激光器，提高输出能量；
3、改进光纤，增加高能量脉冲的传输性能，降低传输衰减损耗；
4、改进联接方式及器件，使耦合衰减降低到最低程度。
在激光点火系统中经常使用的光纤维有两种：
分级指数（gradedindes）纤维（梯度折射率纤维）和步长指数（Stepinder）纤维（同步折射率纤维）。
在激光二极管点火系统中通常使用具有梯度折射率的细芯光导纤维。
其芯径为100μm，包层直径为140μm，纤维的数值口径（NA）是0.29，与过去使用的具有同步折射率的光导纤维相比，它可以大大降低起爆药剂的阈值点火能量。
例如，可使Ti/KC1O4和掺杂碳黑的CP炸药的阈值能量降低约30%。
光纤既要与激光器相耦合，又要与点火器中的初级装药相耦合，其联接方式有三种：
1、光纤直接置入式：
光纤的一端直接封接在药剂中，另一端直接与激光器联接；
2、光纤“脚芯”式：
用短光纤作“脚芯”，类似于电点火中的金属脚线；
3、光学窗口式：
一个很薄的玻璃窗口或结晶材料，该晶体有两个相对的光进和光出的表面，其中一个或两个表面上镀上可被激光束汽化的金属（铝、金、银）消蚀镜面。
在入射表面和传输光纤交界处中心有一个开口，利于光束进入晶体，并防止杂散辐射。
当窗口输出端的镜面汽化时，其汽化产物能促进和增强激光束引起的爆轰。
光纤引出端和点火光缆纤维的联接有专用的光纤联接器。
有的联接器还要加一个转接口，以使光纤头部准确定位。
瑞典的一种激光二极管点火系统采用一个带有SMA型联接器的螺旋联接，点火光缆和点火器光纤的联接采用一个带有STC型联接器的卡口（插销）式联接，其有关数据见表2.3。
表2.3光纤联接器的有关数据
类型
SMA-6140-2251
STC-3140-2151
衰减（dB）
0.9±0.20
0.56±0.20
孔的特征数据（mm）
0.143
0.144
对500个光缆的耐受能力（总损耗dB）
≤0.2
≤0.1
工作温度（℃）
-40～+120
-40～+80
第七节激光点火器
激光点火器包括光纤联接器、一段点火光缆和起爆药剂。
对不同的输出激光脉冲要求使用相应的不同的起爆药剂才能有效点火。
表2.4所列药剂对不同的激光波长有不同的反应，用增益开关激光器发射的长持续时间脉冲对烟火剂和起爆药的点火要比猛炸药更容易。
目前的激光二极管输出功率还不足于直接起爆猛炸药，主要采用以燃烧转爆轰的形式实现点火起爆。
美海军研制的一种激光点火的燃烧转爆轰（DDT）起爆系统的基本装药为：
初级装药（点火药）：
HMX97%，碳黑3%，其中HMX的比表面积要求
达到7460cm2/g，高密度（ρ=1.55）（防止经过细孔
排气）。
过渡药：
HMX，比表面积为7460cm2/g，低密度（ρ=1.0）（以防爆轰成
长期增加）。
输出装药：
HMX（同上），ρ=1.2g/cm3。
对脉冲宽度为10ms的激光二极管阈值点火能量约为70～160mw、0.74mJ。
Ti/KC1O4，TiH0.65/KC1O4、Ti/H1.65KC1O4药剂的激光二极管阈值点火能量为2.8～3.3mJ。
CP炸药掺杂3.2%碳黑，其10ms脉冲的点火阈值达0.47mJ。
实验指出，比表面积对药剂感度有很大影响，光点尺寸增加一倍使起爆阈值增加2.7倍，而脉冲宽度从10ms增加到100ms，起爆阈值却降低得不多。
表2.4激光脉冲起爆烟火剂和炸药的特性
药剂
λ
nm
脉冲宽度
能量
mJ
能量密度
GW/cm2
激光类型
ns
ms
BaNO3
1050
—
高热激光
斯蒂芬酸铅
1060
—
10
15
—
pyrolaser
—
1
15
—
钕：
玻璃
Ti/KC1O4
800
—
10
3
—
镓铝砷二极管
CP
800
—
—
6-7
—
镓铝砷二极管
PETN
1060
20,10
—
10
0.71/75*
钕：
钇铝石榴石
532
15,10
—
7
0.50/2.5
钕：
钇铝石榴石双重
355
12,10
—
7
0.25/0.7
钕：
钇铝石榴石三重
308
24,20
—
75
0.50/0.5
XeC1激发物
1060
50～80
—
73
—
钕：
钇铝石榴石
RDX
308
24
—
47
—
XeC1
HMX
308
24
—
—
0.7
XeC1
注：
*约束的/未约束的
第八节激光的多点点火系统
多点点火系统就是利用分布在装药周围的许多点火点同时（或按设计的时间次序）点燃药剂。
多点点火的优点是多点同时点火，使火焰迅速扩展，不会产生或者很少产生轴向压力波（它在常规点火系统中可能产生），该波的缺点是对整弹运行可能产生不利的影响，对弹药中的电子部件可能产生破坏，甚至影响火炮后膛寿命。
此外，同时点火还能改善整弹的内部几何结构（点火分布）和改善点火材料的燃烧彻底性。
多点点火包括单路多点点火、多路多点点火和均匀点火三种形式。
其中均匀点火是多点点火的发展。
多路点火系统通常由一个激光器、多枝光纤和多个点火器组成，如图2.2所示。
图2.2多点点火系统示意图
第九节炸药激光器
对推进剂的均匀点火是利用“炸药激光器”来实现的。
它是用炸药做最初能量使激光介质（染料）放出激光的。
其结构示意图见图2.3。
当园盘形状的高能炸药（约1g，化学能为500J/g）爆轰后，其释放的能量对空腔内的少量惰性气体进行冲击压缩，随之产生高于2500K的热气区，并发出荧光。
来自加热惰性气体的荧光和光热被园锥反射器聚集并反射到激光材料上，使之释放出激光，此激光进入推进剂的轴向空腔中，在空腔表面反射并均匀地使推进剂点火。
其能量密度大于1J/cm2。
足以点燃任何现代推进剂。
如引爆上述高能装药的装置采用激光雷管，则此系统为全光学点火系统，不仅安全、可靠、耐用，而且作用迅速。
10—弹药；12—壳体；13—弹丸；14—推进剂；15—空腔（惰性气体）
16—推时剂轴中心空腔；17—高能炸药；18—园锥反射器；19—激光染料介质；
21—部分反射镜；22—全反射镜；23—透明窗口
图2.3炸药激光器对推进剂点火示意图
“炸药激光器”具有非致命和不损坏建筑物的特点，可容易地由单个士兵无外界能源的情况下操作，发出激光使坦克的光学传感器及人员失去战斗力。
据报道，该激光器还能用于城市防暴和低强度的冲突中。
第十节激光雷管
用激光作为激发能量的雷管称为激光雷管，亦称激光起爆装置。
与激光点火器（输出燃烧）不同，激光雷管（起爆装置）输出的是爆轰。
因此，它的结构和装药要复杂些。
实现爆轰输出的途径通常有两个：
第一，使用激光点燃起爆药完成燃烧转爆轰，这类似于目前的电雷管。
尽管这种方法比较容易实现，但敏感起爆药的使用却给激光雷管的生产及使用增加了危险性，从而抵消了激光雷管的优势，因此，是一种不可取的途径；
第二，采用全猛炸药的燃烧转爆轰结构，尽管工艺结构较复杂，但它维持了激光雷管的钝感特点，有益于生产和使用。
实现燃烧转爆轰首先要保证点火药点火后形高温高压气体，而维持点火后器件结构的完整性是关键所在。
因此，激光雷管都采用了窗口式结构，即在光纤与点火药之间密封一相对厚有一定强度且能透射激光的窗口。
据有关文献介绍，典型的激光雷管由窗口、点火药（高密度HMX）、加速片、转换药（低密度HMX）和输出药（高密度HMX）五部分组成。
整个雷管的作用过程分为点火和燃烧转爆轰两个阶段。
点火药的前端由密封的窗口约束，其后端使用一加速片约束。
点火药在吸收激光后将在约束环境中燃烧产生高压气体直到加速片破裂。
破裂的加速片将在转换药中快速压缩，在此形成冲击波并实现爆轰。
激光雷管已开始研究应用于工程爆破领域。
日本专利报导了一种低能激发的激光（延期）起爆雷管。
其特点是较低的能量即可使激光雷管起爆，而且具有可靠的延期功能和高的起爆性能。
在爆破现场大幅度地增加了激光起爆雷管的齐发爆破数量，提高了爆破作业效率。
该雷管有瞬发和延期的两种。
其结构示意图见图2.4。
该雷管由管状壳体、光导纤维、内管和点火药、延期药、上层装药和下层装药等构成。
点火药与延期药由氧化剂和还原剂组成（5/5～9/1），在装药层中，上层装药密度较小，下层装药密度较大。
上装药层可以是多层的，并依次提高装药密度。
光纤离点火药上表面的最佳距离为4～8mm。
点火药可使用的氧化剂有：
铅丹、氧化铜、三氧化二铁、过氧化钡、铬酸铅等。
可使用的还原剂有硅铁、硅、氟硼酸钾、铝、三硫化二锑等。
点火药的代表性组成如下：
铅丹—硅铁—三硫化二锑（62/6/32，300mg）
铅丹—硅铁—三氧化二铁
铅丹—硅
铅丹—硅—铝
氧化铜—铝
三氧化二铁—硅
过氧化钡—镁
（a）延期（b）延期（c）瞬发
1—雷体；2—光纤维；3—含有吸收物质的炸药；4—炸药；5—锁塞用壁；
6—塞子；10—延期激光起爆雷管；12—管状容器；14—上部开口；16—塞子；
18—光纤维；20—锁塞用壁；22—内管；24—锁塞用壁的上部端面；25—管状容器的内侧壁面；26—光纤维的端面；28—锁塞用壁的上端面的周缘；29—锁塞用壁的下端部；30—传火药层；32—延期药层；34—上部炸药层；36—下部炸药层
图2.4工程激光雷管结构示意图
延期药组分与其它延期雷管的延期药相同，氧化剂用过氧化钡、铅丹、铬酸铅等，还原剂用金属或合金粉末等。
与点火药（传火药）相比，延期药的还原剂的比例较多，氧化剂/还原剂的比值为1/9～9/1。
二者的区别是点火药（传火药）的延期秒时短，但着火性高。
炸药可以是太安、特屈儿、黑索今、奥克托今、梯恩梯和喷脱里特等，上层装药密度取0.8～1.4，最好取1.0～1.3，下层装药密度取1.0～1.7，最好取1.2～1.7。
该雷管介绍的一种装药情况如下：
传火药：
铅丹/硅铁/三硫化二锑71.43/2.30/26.19,250mg
延期药：
铅丹/硅铁/三流化二锑62.0/6.0/32.0300mg
炸药：
太安，150号筛，ρ=1.20，600mg。
该雷管由YAG激光装置（30m长石英光纤），起爆能量达0.20J时全部爆炸，其爆炸威力类似日本6号工业雷管。
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