./第二章激光點火起爆系統激光點火〔起爆技術的研究始于60年代中期,由于激光器〔主要是二極管激光器和低衰減光纖的發展,才使激光點火起爆成為現實。由于激光的非電性帶來的高安全性等諸多優點,因此,它將是最主要的點火起爆技術之一。第一節激光點火起爆原理激光點火起爆的機理主要有以下四種：一、熱起爆機理激光攜帶的能量被照射的局部起爆藥劑吸收,并在一定的照射深度轉換成熱能,局部積聚發熱升溫,形成"熱點",導致起爆藥劑的燃燒或爆燃,然后由燃燒轉為爆轟。增加藥劑對激光的吸收率〔如摻雜C、Zr等能降低點火所需的最小能量〔閾值。二、沖擊點火機理高強度的激光射線可對炸藥產生沖擊點火。當強激光脈沖照射到不透明的固體表面〔如鋁膜時,會產生高溫、高離子化的能強烈吸收激光射線的蒸發物,并有很高的壓力〔約1×105MPa作用于固體表面,因而在固體中產生強沖擊波而起爆裝藥。三、電擊穿機理加壓氮化鉛的電擊穿場強度為〔1×107V/cm。當激光達到臨界起爆強度時,可產生0.7×107V/cm的平均電場強度,而且激光所具有的自動聚焦性質又可使它增強3～5倍。因此,激光產生的電場的電擊穿作用可以使某些炸藥起爆。四、光致分解機理在調Q的情況下,激光功率很大時導致分解而起爆。激光對藥劑作用的機理與激光的波長及激光的輸出方式等有關。自由振蕩激光器和調Q激光器輸出的功率不同,對藥劑的起爆機理就不完全一樣,目前一般認為自由振蕩激光器輸出的激光引爆炸藥的機理基本上屬于熱起爆機理,而調Q激光器輸出的激光引爆炸藥的機理除熱起爆外,還可能存在因光化學反應和激光沖擊反應引起的起爆。實際上,激光起爆過程可能是上述幾個機理綜合作用的結果。第二節激光點火起爆系統的組成一個完整的激光點火系統主要由激光保險與解除保險裝置、激光器、激光器輸出耦合光纜〔重復使用、光纖接頭、帶輸入光纖的引爆裝置〔一次使用等部分組成。參見圖2.1。引爆裝置連接器激光源引爆裝置連接器激光源保險與解除裝置傳感器電源發火信號光光藕合器光輸傳感器圖2.1激光點火系統概況由于激光器〔二極管用低壓電源啟動,所以其本身則存在一個固有的安全性問題。為確保激光器不發生意外啟動,需要一單獨的電子控制與安全系統,它適應于多點控制和順序選擇,具有小型化、抗嚴酷環境等特點,該保險系統的保險解除需由兩個獨立的安全性參數進行控制。以數值口徑接收的輸出光能藕合光纜、引爆裝置輸入光纖及接頭都要具有低損耗和抗嚴酷環境的特點,引爆裝置中所裝填的藥劑必須是鈍感的煙火劑或炸藥。第三節激光點火起爆系統的性能要求在各種應用中,對系統及各元件的性能要求不同。表2.1列舉了先進空空導彈、小型洲際導彈和能源部、國防部對激光點火系統的性能要求。表2.1對系統和元件的性能要求性能系統光纖接頭引爆裝置使用的可靠性大于0.93,測試的可靠性要大于0.94。先進空空導彈小型洲際導彈第四節激光點火〔起爆系統的優點1、與常規熱橋絲點火起爆系統相比,用光纖取代了橋絲和導線,因此受強射頻〔RF、電磁脈沖〔EMP、高功率微波〔HPM和靜電作用而發生意外點火〔起爆的危險性大大降低了。2、消除了因橋絲和點火藥劑存在而伴隨發生的銹蝕、點火后電阻〔RAF的變化及絕緣電阻等問題。3、避免了機械沖擊的敏感問題。4、光纖的強度和柔性較好,使系統安裝的柔性和負載容易處理。5、由于密封包覆,壽命超過20年。6、大大簡化了生產工藝和質量檢驗,如射頻、靜電感度試驗,不發火試驗、絕緣電阻和橋線可靠性檢驗等。7、不必再考慮1A/1W不發火的鈍感安全性要求了。8、光束可聚焦成一個很小的點,從而可產生很高的功率密度。9、利用光學濾光技術可以對激光傳輸系統進行有效的試驗,而不會影響爆炸裝置的安全性和性能。10、利用分光技術和光束的分支機構,可以實現多點起爆技術,同時起爆幾個爆炸裝置。11、利用S/A機構可容易截斷激光通道。第五節激光器和控制裝置一、小型釹玻璃脈沖激光器美國噴氣推進試驗室〔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輸出能量：1ms脈沖能量輸出為2.8J能量/重量系數：3.3J/kg能量/體積系數：0.005J/cm3二、小型Q開關釹玻璃激光器外形尺寸：9.5×15.8×33cm3重量：6.2kg輸出能量：20ms脈沖的最大輸出能量為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輸出能量：輸出脈沖功率100W已經采用的激光器及特性見表2.2,這些激光都能產生較高功率或能量密度的激光脈沖,能以較大的能量同時起爆幾個分系統。其缺點是：〔1激光效率不高〔＜10%,大約只有1～3%的輸入電能轉換成有效的輸出光能；〔2尺寸和重量較大〔相對于戰術武器；〔3成本還較高。表2.2美國空軍和能源部激光軍械點火系統使用的激光器及特性系統類型波長λ<nm>發射脈沖激光棒激光泵浦諧振腔形式能量〔mJ寬度工作物質美國空軍美國能源部圣地亞國立試驗室/激光二極管起爆裝置〔SNL/DOI鋁鎵鋁砷：—PL-PL82010010mS注：〔1PZP：高溫鋯泵浦。〔2CC-PL：角隅棱鏡一平面鏡諧振腔。〔3PL-PL：平面鏡一平面鏡諧振腔。〔4PR-PR：波羅棱鏡一波羅棱鏡諧振腔。激光點火系統的最新發展是激光二極管點火系統。激光二極管又稱半導體激光器或二極管激光器,其特點是：小巧靈活、使用方便,結構均勻性好,能適應各種溫度、沖擊和震動的環境,能量轉換率高〔理論效率達30～40%,只需要低電壓啟動,可輸出連續波1W以上的功率。第一代激光二極管是P-N結砷化鎵二極管,厚度約1mm；第二代激光二極管是雙〔多異質結二極管,它大大降低了產生激光的閾值電流,增大了輸出功率。進一步發展的產品是列陣式激光二極管,增加了輸出功率。第六節光導纖維及聯接方式光導纖維的作用是傳輸激光。其衰減率〔每千米幾分貝不能太大,否則輸出能量太小,難以起爆藥劑。而高功率或高能量密度的激光器又很難將激光脈沖耦合進光纖中,也很難在光纖中傳播,這是由于在高功率和高能量密度時,較高階次的吸收過程變得突出了。因此要求：1、改進炸藥成分,增加對光的吸收,降低閾值能量；2、改進激光器,提高輸出能量；3、改進光纖,增加高能量脈沖的傳輸性能,降低傳輸衰減損耗；4、改進聯接方式及器件,使耦合衰減降低到最低程度。在激光點火系統中經常使用的光纖維有兩種：分級指數〔gradedindes纖維〔梯度折射率纖維和步長指數〔Stepinder纖維〔同步折射率纖維。在激光二極管點火系統常使用具有梯度折射率的細芯光導纖維。其芯徑為100μm,包層直徑為140μm,纖維的數值口徑〔NA是0.29,與過去使用的具有同步折射率的光導纖維相比,它可以大大降低起爆藥劑的閾值點火能量。例如,可使Ti/KC1O4和摻雜碳黑的CP炸藥的閾值能量降低約30%。光纖既要與激光器相耦合,又要與點火器中的初級裝藥相耦合,其聯接方式有三種：1、光纖直接置入式：光纖的一端直接封接在藥劑中,另一端直接與激光器聯接；2、光纖"腳芯"式：用短光纖作"腳芯",類似于電點火中的金屬腳線；3、光學窗口式：一個很薄的玻璃窗口或結晶材料,該晶體有兩個相對的光進和光出的表面,其中一個或兩個表面上鍍上可被激光束汽化的金屬〔鋁、金、銀消蝕鏡面。在入射表面和傳輸光纖交界處中心有一個開口,利于光束進入晶體,并防止雜散輻射。當窗口輸出端的鏡面汽化時,其汽化產物能促進和增強激光束引起的爆轟。光纖引出端和點火光纜纖維的聯接有專用的光纖聯接器。有的聯接器還要加一個轉接口,以使光纖頭部準確定位。瑞典的一種激光二極管點火系統采用一個帶有SMA型聯接器的螺旋聯接,點火光纜和點火器光纖的聯接采用一個帶有STC型聯接器的卡口〔插銷式聯接,其有關數據見表2.3。表2.3光纖聯接器的有關數據類型SMA-6140-2251STC-3140-2151衰減<dB>0.9±0.200.56±0.20孔的特征數據<mm>0.1430.144對500個光纜的耐受能力〔總損耗dB≤0.2≤0.1工作溫度〔℃-40～+120-40～+80第七節激光點火器激光點火器包括光纖聯接器、一段點火光纜和起爆藥劑。對不同的輸出激光脈沖要求使用相應的不同的起爆藥劑才能有效點火。表2.4所列藥劑對不同的激光波長有不同的反應,用增益開關激光器發射的長持續時間脈沖對煙火劑和起爆藥的點火要比猛炸藥更容易。目前的激光二極管輸出功率還不足于直接起爆猛炸藥,主要采用以燃燒轉爆轟的形式實現點火起爆。美海軍研制的一種激光點火的燃燒轉爆轟〔DDT起爆系統的基本裝藥為：初級裝藥〔點火藥：HMX97%,碳黑3%,其中HMX的比表面積要求達到7460cm2/g,高密度〔ρ=1.55〔防止經過細孔排氣。過渡藥：HMX,比表面積為7460cm2/g,低密度〔ρ=1.0〔以防爆轟成長期增加。輸出裝藥：HMX〔同上,ρ=1.2g/cm3。對脈沖寬度為10ms的激光二極管閾值點火能量約為70～160mw、0.74mJ。Ti/KC1O4,TiH0.65/KC1O4、Ti/H1.65KC1O4藥劑的激光二極管閾值點火能量為2.8～3.3mJ。CP炸藥摻雜3.2%碳黑,其10ms脈沖的點火閾值達0.47mJ。實驗指出,比表面積對藥劑感度有很大影響,光點尺寸增加一倍使起爆閾值增加2.7倍,而脈沖寬度從10ms增加到100ms,起爆閾值卻降低得不多。表2.4激光脈沖起爆煙火劑和炸藥的特性XeC1激發物eC1第八節激光的多點點火系統多點點火系統就是利用分布在裝藥周圍的許多點火點同時〔或按設計的時間次序點燃藥劑。多點點火的優點是多點同時點火,使火焰迅速擴展,不會產生或者很少產生軸向壓力波〔它在常規點火系統中可能產生,該波的缺點是對整彈運行可能產生不利的影響,對彈藥中的電子部件可能產生破壞,甚至影響火炮后膛壽命。此外,同時點火還能改善整彈的部幾何結構〔點火分布和改善點火材料的燃燒徹底性。多點點火包括單路多點點火、多路多點點火和均勻點火三種形式。其中均勻點火是多點點火的發展。多路點火系統通常由一個激光器、多枝光纖和多個點火器組成,如圖2.2所示。圖2.2多點點火系統示意圖第九節炸藥激光器對推進劑的均勻點火是利用"炸藥激光器"來實現的。它是用炸藥做最初能量使激光介質〔染料放出激光的。其結構示意圖見圖2.3。當園盤形狀的高能炸藥〔約1g,化學能為500J/g爆轟后,其釋放的能量對空腔的少量惰性氣體進行沖擊壓縮,隨之產生高于2500K的熱氣區,并發出熒光。來自加熱惰性氣體的熒光和光熱被園錐反射器聚集并反射到激光材料上,使之釋放出激光,此激光進入推進劑的軸向空腔中,在空腔表面反射并均勻地使推進劑點火。其能量密度大于1J/cm2。足以點燃任何現代推進劑。如引爆上述高能裝藥的裝置采用激光雷管,則此系統為全光學點火系統,不僅安全、可靠、耐用,而且作用迅速。10—彈藥；12—殼體；13—彈丸；14—推進劑；15—空腔〔惰性氣體16—推時劑軸中心空腔；17—高能炸藥；18—園錐反射器；19—激光染料介質；21—部分反射鏡；22—全反射鏡；23—透明窗口圖2.3炸藥激光器對推進劑點火示意圖"炸藥激光器"具有非致命和不損壞建筑物的特點,可容易地由單個士兵無外界能源的情況下操作,發出激光使坦克的光學傳感器及人員失去戰斗力。據報道,該激光器還能用于城市防暴和低強度的沖突中。第十節激光雷管用激光作為激發能量的雷管稱為激光雷管,亦稱激光起爆裝置。與激光點火器〔輸出燃燒不同,激光雷管〔起爆裝置輸出的是爆轟。因此,它的結構和裝藥要復雜些。實現爆轟輸出的途徑通常有兩個：第一,使用激光點燃起爆藥完成燃燒轉爆轟,這類似于目前的電雷管。盡管這種方法比較容易實現,但敏感起爆藥的使用卻給激光雷管的生產及使用增加了危險性,從而抵消了激光雷管的優勢,因此,是一種不可取的途徑；第二,采用全猛炸藥的燃燒轉爆轟結構,盡管工藝結構較復雜,但它維持了激光雷管的鈍感特點,有益于生產和使用。實現燃燒轉爆轟首先要保證點火藥點火后形高溫高壓氣體,而維持點火后器件結構的完整性是關鍵所在。因此,激光雷管都采用了窗口式結構,即在光纖與點火藥之間密封一相對厚有一定強度且能透射激光的窗口。據有關文獻介紹,典型的激光雷管由窗口、點火藥〔高密度HMX、加速片、轉換藥〔低密度HMX和輸出藥〔高密度HMX五部分組成。整個雷管的作用過程分為點火和燃燒轉爆轟兩個階段。點火藥的前端由密封的窗口約束,其后端使用一加速片約束。點火藥在吸收激光后將在約束環境中燃燒產生高壓氣體直到加速片破裂。破裂的加速片將在轉換藥中快速壓縮,在此形成沖擊波并實現爆轟。激光雷管已開始研究應用于工程爆破領域。日本專利報導了一種低能激發的激光〔延期起爆雷管。其特點是較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。在爆破現場大幅度地增加了激光起爆雷管的齊發爆破數量,提高了爆破作業效率。該雷管有瞬發和延期的兩種。其結構示意圖見圖2.4。該雷管由管狀殼體、光導纖維、管和點火藥、延期藥、上層裝藥和下層裝藥等構成。點火藥與延期藥由氧化劑和還原劑組成〔5/5～9/1,在裝藥層中,上層裝藥密度較小,下層裝藥密度較大。上裝藥層可以是多層的,并依次提高裝藥密度。光纖離點火藥上表面的最佳距離為4～8mm。點火藥可使用的氧化劑有：鉛丹、氧化銅、三氧化二鐵、過氧化鋇、鉻酸鉛等。可使用的還原劑有硅鐵、硅、氟硼酸鉀、鋁、三硫化二銻等。點火藥的代表性組成如下：鉛丹—硅鐵—三硫化二銻〔62/6/32,300mg鉛丹—硅鐵—三氧化二鐵鉛丹—硅鉛丹—硅—鋁