激光点火起爆技术

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1、.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开展，才使激光点火起爆成为现实。由于激光的非电性带来的高平安性等诸多优点，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

2、外表如铝膜时，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1105MPa作用于固体外表，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1107V/cm。当激光到达临界起爆强度时，可产生0.7107V/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35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

3、光引爆炸药的机理根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响和激光冲击反响引起的起爆。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局部组成。参见图2.1。引爆装置连接器激光源保险与解除装置 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，所以其本身那么存在一个固有的平安性问题。为确保激光器不发生意外启动，需要一单独的电子控

4、制与平安系统，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平安性参数进展控制。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1

5、0.02251ms0.47-1061小于110-6使用的可靠性大于0.93，测试的可靠性要大于0.94。能源部27.030001ms0.1-1030750.00061小于110-6先进空空导弹19.042-65160750.00061小于110-6小型洲际导弹18.71545110750.00061小于110-6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、防止了

6、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不发火的钝感平安性要求了。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展有效的试验，而不会影响爆炸装置的平安性和性能。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

7、在七十年代中期研制成功。 外形尺寸：517.612.7cm3 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：9.515.833cm3 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：8.96.12.8cm3 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13%的输

8、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本钱还较高。 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(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-PL210603000.12mSF16A战斗机钕玻璃PZP1PL-PL31053600010mS新型空-空导弹AAAM钕玻璃PZPPL-PL1053400010mS先进的发射系统ALS钕钇铝石榴石YAN闪光灯PL-PL1060100连续波美国能源部圣地亚国立试验室/光起爆装置SNL/DOI1*钕玻璃闪光灯PL

9、-PL105330025nS圣地亚国立试验室/光起爆装置SNL/DOI2*钕铬：GSGG闪光灯PR-PR4106125016nS圣地亚国立试验室/激光二极管起爆装置SNL/DOI铝镓铝砷：GaAlAsPL-PL82010010mS注：1PZP：高温锆泵浦。 2CC-PL：角隅棱镜一平面镜谐振腔。 3PL-PL：平面镜一平面镜谐振腔。 4PR-PR：波罗棱镜一波罗棱镜谐振腔。激光点火系统的最新开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，构造均匀性好，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3040%，只需要低电压启动，可输出连

10、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。进一步开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，否那么输出能量太小，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、改良炸药成分，增加对光的吸收，降低阈值能量；2、改良激光器，提高输出能量；3、改良光纤，增加高能量脉冲的传输性能，降低传

11、输衰减损耗；4、改良联接方式及器件，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graded indes纤维梯度折射率纤维和步长指数Step inder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100m，包层直径为140m，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

12、，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外表，其中一个或两个外表上镀上可被激光束汽化的金属铝、金、银消蚀镜面。在入射外表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

13、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-6140-2251STC-3140-2151衰 减(dB)0.90.200.560.20孔的特征数据(mm)0.1430.144对500个光缆的耐受能力总损耗dB0.20.1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响，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缺乏于直接起爆猛炸药，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起爆系统的根本装药为：初级装药点火药：HMX97%，碳黑3%，其中HMX的比外表积要求 到达7460cm2/g，高密度=1.55防止经过细孔