激光点火起爆技术样本.docx
《激光点火起爆技术样本.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光点火起爆技术样本.docx（14页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
激光点火起爆技术样本
第二章激光点火起爆系统
激光点火（起爆）技术研究始于60年代中期，由于激光器（重要是二极管激光器）和低衰减光纤发展，才使激光点火起爆成为现实。
由于激光非电性带来高安全性等诸多长处，因而，它将是最重要点火起爆技术之一。
第一节激光点火起爆原理
激光点火起爆机理重要有如下四种：
一、热起爆机理
激光携带能量被照射局部起爆药剂吸取，并在一定照射深度内转换成热能，局部积聚发热升温，形成“热点”，导致起爆药剂燃烧或爆燃，然后由燃烧转为爆轰。
增长药剂对激光吸取率（如掺杂C、Zr等）能减少点火所需最小能量（阈值）。
二、冲击点火机理
高强度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固体表面（如铝膜）时，会产生高温、高离子化能强烈吸取激光射线蒸发物，并有很高压力（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平均电场强度，并且激光所具备自动聚焦性质又可使它增强3～5倍。
因而，激光产生电场电击穿作用可以使某些炸药起爆。
四、光致分解机理
在调Q状况下，激光功率很大时导致分解而起爆。
激光对药剂作用机理与激光波长及激光输出方式等关于。
自由振荡激光器和调Q激光器输出功率不同，对药剂起爆机理就不完全同样，当前普通以为自由振荡激光器输出激光引爆炸药机理基本上属于热起爆机理，而调Q激光器输出激光引爆炸药机理除热起爆外，还也许存在因光化学反映和激光冲击反映引起起爆。
事实上，激光起爆过程也许是上述几种机理综合伙用成果。
第二节激光点火起爆系统构成
一种完整激光点火系统重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、带输入光纤引爆装置（一次使用）等某些构成。
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，因此其自身则存在一种固有安全性问题。
为保证激光器不发生意外启动，需要一单独电子控制与安全系统，它适应于多点控制和顺序选取，具备小型化、抗严酷环境等特点，该保险系统保险解除需由两个独立安全性参数进行控制。
以数值口径接受输出光能藕合光缆、引爆装置输入光纤及接头都要具备低损耗和抗严酷环境特点，引爆装置中所装填药剂必要是钝感烟火剂或炸药。
第三节激光点火起爆系统性能规定
在各种应用中，对系统及各元件性能规定不同。
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性能规定。
表2.1对系统和元件性能规定
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
不大于
1×10-6
使用可靠性不不大于0.93，测试可靠性要不不大于0.94。
能源部
27.0
3000
1ms
0.1-10
30
750.000
6
1
不大于
1×10-6
先进空空导弹
19.0
42
-65～160
750.000
6
1
不大于
1×10-6
小型洲际导弹
18.7
15
45～110
750.000
6
1
不大于
1×10-6
第四节激光点火（起爆）系统长处
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，因而受强射频（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）危险性大大减少了。
2、消除了因桥丝和点火药剂存在而随着发生锈蚀、点火后电阻（RAF）变化及绝缘电阻等问题。
3、避免了机械冲击敏感问题。
4、光纤强度和柔性较好，使系统安装柔性和负载容易解决。
5、由于密封包覆，寿命超过。
6、大大简化了生产工艺和质量检查，如射频、静电感度实验，不发火实验、绝缘电阻和桥线可靠性检查等。
7、不必再考虑1A/1W不发火钝感安全性规定了。
8、光束可聚焦成一种很小点，从而可产生很高功率密度。
9、运用光学滤光技术可以对激光传播系统进行有效实验，而不会影响爆炸装置安全性和性能。
10、运用分光技术和光束分支机构，可以实现多点起爆技术，同步起爆几种爆炸装置。
11、运用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
美国喷气推动实验室（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激光脉冲，能以较大能量同步起爆几种分系统。
其缺陷是：
（1）激光效率不高（＜10%），大概只有1～3%输入电能转换成有效输出光能；
（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
先进发射系统
（ALS）
钕
钇铝石榴石
（YAN）
闪光灯
PL-PL
1060
100
持续波
美国能源部
圣地亚国立实验室/
光起爆装置
（SNL/DOI）1#
钕
玻璃
闪光灯
PL-PL
1053
300
25nS
圣地亚国立实验室/
光起爆装置
（SNL/DOI）2#
钕
铬：
GSGG
闪光灯
PR-PR（4）
1061
250
16nS
圣地亚国立实验室/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、使用以便，构造均匀性好，能适应各种温度、冲击和震动环境，能量转换率高（理论效率达30～40%），只需要低电压启动，可输出持续波1W以上功率。
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，它大大减少了产生激光阈值电流，增大了输出功率。
进一步发展产品是列阵式激光二极管，增长了输出功率。
第六节光导纤维及联接方式
光导纤维作用是传播激光。
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，较高阶次吸取过程变得突出了。
因而规定：
1、改进炸药成分，增长对光吸取，减少阈值能量；
2、改进激光器，提高输出能量；
3、改进光纤，增长高能量脉冲传播性能，减少传播衰减损耗；
4、改进联接方式及器件，使耦合衰减减少到最低限度。
在激光点火系统中经常使用光纤维有两种：
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普通使用品有梯度折射率细芯光导纤维。
其芯径为100μm，包层直径为140μm，纤维数值口径（NA）是0.29，与过去使用品有同步折射率光导纤维相比，它可以大大减少起爆药剂阈值点火能量。
例如，可使Ti/KC1O4和掺杂碳黑CP炸药阈值能量减少约30%。
光纤既要与激光器相耦合，又要与点火器中初级装药相耦合，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”，类似于电点火中金属脚线；
3、光学窗口式：
一种很薄玻璃窗口或结晶材料，该晶体有两个相对光进和光出表面，其中一种或两个表面上镀上可被激光束汽化金属（铝、金、银）消蚀镜面。
在入射表面和传播光纤交界处中心有一种开口，利于光束进入晶体，并防止杂散辐射。
当窗口输出端镜面汽化时，其汽化产物能增进和增强激光束引起爆轰。
光纤引出端和点火光缆纤维联接有专用光纤联接器。
有联接器还要加一种转接口，以使光纤头部准拟定位。
瑞典一种激光二极管点火系统采用一种带有SMA型联接器螺旋联接，点火光缆和点火器光纤联接采用一种带有STC型联接器卡口（插销）式联接，其关于数据见表2.3。
表2.3光纤联接器关于数据
类型
SMA-6140-2251
STC-3140-2151
衰减（dB）
0.9±0.20
0.56±0.20
孔特性数据（mm）
0.143
0.144
对500个光缆耐受能力（总损耗dB）
≤0.2
≤0.1
工作温度（℃）
-40～+120
-40～+80
第七节激光点火器
激光点火器涉及光纤联接器、一段点火光缆和起爆药剂。
对不同输出激光脉冲规定使用相应不同起爆药剂才干有效点火。
表2.4所列药剂对不同激光波长有不同反映，用增益开关激光器发射长持续时间脉冲对烟火剂和起爆药点火要比猛炸药更容易。
当前激光二极管输出功率还局限性于直接起爆猛炸药，重要采用以燃烧转爆轰形式实现点火起爆。
美海军研制一种激光点火燃烧转爆轰（DDT）起爆系统基本装药为：
初级装药（点火药）：
HMX97%，碳黑3%，其中HMX比表面积规定
达到7460cm2/g，高密度（ρ=1.55）（防止通过细孔
排气）。
过渡药：
HMX，比表面积为7460cm2/g，低密度（ρ=1.0）（以防爆轰成
长期增长）。
输出装药：
HMX（同上），ρ=1.2g/cm3。
对脉冲宽度为10ms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，光点尺寸增长一倍使起爆阈值增长2.7倍，而脉冲宽度从10ms增长到100ms，起爆阈值却减少得不多。
表2.4激光脉冲起爆烟火剂和炸药特性
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/未约束
第八节激光多点点火系统
多点点火系统就是运用分布在装药周边许多点火点同步（或按设计时间顺序）点燃药剂。
多点点火长处是多点同步点火，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也许产生），该波缺陷是对整弹运营也许产生不利影响，对弹药中电子部件也许产生破坏，甚至影响火炮后膛寿命。
此外，同步点火还能改进整弹内部几何构造（点火分布）和改进点火材料燃烧彻底性。
多点点火涉及单路多点点火、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发展。
多路点火系统普通由一种激光器、多枝光纤和各种点火器构成，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
对推动剂均匀点火是运用“炸药激光器”来实现。
它是用炸药做最初能量使激光介质（染料）放出激光。
其构造示意图见图2.3。
当园盘形状高能炸药（约1g，化学能为500J/g）爆轰后，其释放能量对空腔内少量惰性气体进行冲击压缩，随之产生高于2500K热气区，并发出荧光。
来自加热惰性气体荧光和光热被园锥反射器汇集并反射到激光材料上，使之释放出激光，此激光进入推动剂轴向空腔中，在空腔表面反射并均匀地使推动剂点火。
其能量密度不不大于1J/cm2。
足以点燃任何当代推动剂。
如引爆上述高能装药装置采用激光雷管，则此系统为全光学点火系统，不但安全、可靠、耐用，并且作用迅速。
10—弹药；12—壳体；13—弹丸；14—推动剂；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—某些反射镜；22—全反射镜；23—透明窗口
图2.3炸药激光器对推动剂点火示意图
“炸药激光器”具备非致命和不损坏建筑物特点，可容易地由单个士兵无外界能源状况下操作，发出激光使坦克光学传感器及人员失去战斗力。
据报道，该激光器还能用于都市防暴和低强度冲突中。
第十节激光雷管
用激光作为激发能量雷管称为激光雷管，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）输出是爆轰。
因而，它构造和装药要复杂些。
实现爆轰输出途径普通有两个：
第一，使用激光点燃起爆药完毕燃烧转爆轰，此类似于当前电雷管。
尽管这种办法比较容易实现，但敏感起爆药使用却给激光雷管生产及使用增长了危险性，从而抵消了激光雷管优势，因而，是一种不可取途径；
第二，采用全猛炸药燃烧转爆轰构造，尽管工艺构造较复杂，但它维持了激光雷管钝感特点，有益于生产和使用。
实现燃烧转爆轰一方面要保证点火药点火后形高温高压气体，而维持点火后器件构造完整性是核心所在。
因而，激光雷管都采用了窗口式构造，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窗口。
据关于文献简介，典型激光雷管由窗口、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）五某些构成。
整个雷管作用过程分为点火和燃烧转爆轰两个阶段。
点火药前端由密封窗口约束，其后端使用一加速片约束。
点火药在吸取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。
破裂加速片将在转换药中迅速压缩，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激光（延期）起爆雷管。
其特点是较低能量即可使激光雷管起爆，并且具备可靠延期功能和高起爆性能。
在爆破现场大幅度地增长了激光起爆雷管齐发爆破数量，提高了爆破作业效率。
该雷管有瞬发和延期两种。
其构造示意图见图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构成（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，并依次提高装药密度。
光纤离点火药上表面最佳距离为4～8mm。
点火药可使用氧化剂有：
铅丹、氧化铜、三氧化二铁、过氧化钡、铬酸铅等。
可使用还原剂有硅铁、硅、氟硼酸钾、铝、三硫化二锑等。
点火药代表性构成如下：
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—具有吸取物质炸药；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—锁塞用壁上部端面；25—管状容器内侧壁面；26—光纤维端面；28—锁塞用壁上端面周缘；29—锁塞用壁下端部；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工程激光雷管构造示意图
延期药组分与其他延期雷管延期药相似，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，延期药还原剂比例较多，氧化剂/还原剂比值为1/9～9/1。
两者区别是点火药（传火药）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，最佳取1.0～1.3，下层装药密度取1.0～1.7，最佳取1.2～1.7。
该雷管简介一种装药状况如下：
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时所有爆炸，其爆炸威力类似日本6号工业雷管。
升级会员 