激光驱动高效耦合的烟火光开关设计

曹椿强，贺爱锋，陈建华，井 波，徐奉一

（陕西应用物理化学研究所 应用物理化学国家级重点实验室，陕西 西安，710061）

随着高科技军事技术的不断发展，武器系统对高安全性、高可靠性火工品的需求是一种必然趋势。火工品是武器弹药中较为敏感的部件，应用高安全性、高可靠性火工品能够提高武器系统的突防性能和毁伤效果。激光火工品技术是采用光纤传输激光能量，使装药作用而完成输出功能的。由于光纤、激光火工品不受任何形式的电能作用影响，故能从根本上解决火工品的电磁兼容安全问题[1]。

光开关是激光多路点火起爆系统中必不可少的组成部分，在系统中不仅可以起安保作用而且可以通过它实现程序控制点火起爆功能。但以往的激光点火控制起爆系统中采用了以电驱动的机械式的光开关作为安保机构，由于其存在抗干扰能力差、启动时间长、振荡大等原因，造成激光点火起爆系统的可靠性降低。而激光驱动烟火光开关是以抗电磁干扰强的激光烟火驱动方式来实现激光点火起爆系统中光能量的隔断与传输，其不仅比电驱动机械式光开关的抗干扰能力强、作用时间短，而且避免了电驱动机械式光开关作用时的瞬间振荡，可极大提高激光点火起爆系统的可靠性。

1 工作原理

1.1 作用过程分析

激光驱动烟火光开关是将激光点火技术与精密机械做功机构集成创新而成的较为典型的动力源火工品，激光驱动烟火光开关由标准输入接口、激光换能元、装药、活塞运动机构、光学耦合机构等组成。该类型火工品采用小型化半导体激光器作为能源，用光纤传输激光能量，利用激光的热效应直接加热激光敏感药剂，使其发生热分解，形成“热点”而发火[2]，点燃输出装药。输出装药燃烧所产生的高温、高压气体推动活塞向后运动实现光路导通或隔断控制功能。

1.2 受力分析

药剂燃烧产生的气体压力克服产品内部活塞的运动阻力。激光驱动烟火光开关在运动过程中，活塞内部运动阻力主要是密封圈与壳体内壁的密封阻力、止退机构变形阻力与活塞的运动摩擦阻力。止退机构与活塞之间的受力过程复杂，计算与实际相差甚大，在结构确定后，可通过试验测定激光驱动烟火光开关组合件内部活塞的运动阻力。活塞运动平均阻力记为F内部，所以产品活塞运动所需克服的阻力为[3]：

考虑产品设计应有一定的裕度，取裕度系数为1.8，则点火器发火对活塞所产生的气体压力为：

在产品作用过程中，活塞运动，激光驱动烟火光开关容腔体积不断增加，气体膨胀做功，温度随之不断下降，容积、温度是变量。为简化计算，在估算时按定容情况处理，激光驱动烟火光开关容腔内的爆压P可表示为

（3）式中：S为激光驱动烟火光开关活塞受力有效面积，m2。

2 结构设计

2.1 结构组成

激光驱动烟火光开关由发火体、金属壳体、活塞组件、耦合组件和垫圈等零、部件组成，结构如图1所示。

图1 激光驱动烟火光开关结构图Fig.1 Structure sketch of laser driven pyro-optical switch

2.2 发火体设计

发火体是将激光能转化成药剂燃烧生成大量气体的部件，为活塞的运动提供动力。发火体由发火体壳体、光学窗口与光敏药剂等部分组成，其结构如图2所示。

图2 发火体结构图Fig.2 Structure sketch of ignition element mechanism

发火体接口采用标准FC/PC，可实现与同标准接口光缆插拔对接。发火体与壳体采用螺纹对接，并用固化胶密封。

2.3 活塞组件设计

活塞是产品完成输出性能的终端零件，产品作用后应向外运动，使活塞杆上的φ2mm小孔与透镜对齐，导通光路。因产品外形尺寸限制，活塞杆外径仅为4.6mm，活塞末端厚度为1.3mm，为提高活塞的可加工性及抗弯曲强度，其材料选用1Cr18Ni9Ti。活塞组件结构见图3。

图 3中止退片与活塞之间采用激光焊接方式连接，活塞材料、尺寸、焊接方式确定之后，主要对焊接的各项参数进行研究，其中焊接激光功率是最为关键的一项参数。激光能量若过高，容易造成止退片受损、被焊穿的现象，降低产品作用过程中活塞抗冲击强度；激光能量若过低，止退片焊接不牢固，容易使产品在装配过程中造成止退片脱落，无法对活塞进行位置限制。鉴于此，设计专用工装以提高止退片的焊接同轴度，并装配30余发止退片进行焊接工艺试验，最终确定止退片的焊接激光功率为500W，经多个批产品装配及试验验证，其可以满足设计要求。

图3 活塞组件结构图Fig.3 Structure sketch of components for piston

2.4 耦合部件设计

耦合组件主要由一对光纤准直器、V形槽耦合器、传输光缆和光纤接头组成。耦合组件结构如图4所示。

图4 耦合组件结构图Fig.4 Structure sketch of coupling components

耦合器通过螺钉与光开关壳体连接。耦合器上表面中间有横截面成90°的V形槽，用来固定光纤准直器，表面要求一定的光洁度，然后将一对光纤准直器顺着V形槽的方向用固化胶固定在槽内。V形槽正中留有垂直于耦合器本体方向的长圆形通孔，在活塞杆运动时起导向和通道的作用，防止活塞在运动中沿横向转动而阻断光路通道。光纤准直器通过固体胶粘结于耦合器的V形槽内，且准直器的镜面端面离耦合器中的长圆形通孔的边缘 1mm，不能超出，以防活塞杆运动时剐蹭到准直器，V形槽结构可以提高两个光纤准直器的同轴性，以得到更高的耦合效率。

2.5 装药设计

激光驱动烟火光开关是由激光束作能源的，故始发装药需是激光敏感药剂，目前应用比较成熟的激光敏感药剂为掺杂碳黑的BNCP[4]。

按照 GJB 377-87感度试验用升降法，对装有BNCP的激光发火体进行了感度试验[5]，通过对感度试验数据进行分析，得出BNCP发火体的99.99%发火刺激量为0.869mJ，在0.95置信度下，最小全发火刺激量为1.204mJ，对其进行裕度考虑，BNCP发火体的激光激发能量选择为3.0mJ。

在此基础上，采用BNCP装配了12发不同药量的产品，进行药量试验，试验结果见表1。

表1 不同装药药量试验结果Tab.1 Test result of different mass of charge

根据活塞的运动情况可以看出，BNCP药量在10～20mg时满足性能要求，对其进行装药裕度考虑，要求减少输出装药药量（1-20%）及增加输出装药药量（1＋20%）时，均可以满足产品输出功能要求的原则，故BNCP药量在12.5～16.7mg均满足使用，定为15mg。

3 激光驱动烟火光开关性能试验

采用980nm波长、脉宽10ms半导体激光器，对所试制的激光驱动烟火光开关按照图5的发火试验装置进行了发火试验，取得的试验数据如表2所示，波形图如图6所示。

图5 发火试验系统示意图Fig.5 Schematic diagram of firing test system

从表2试验数据可以看出，BNCP装药的烟火光开关的导通时间小于 1ms，耦合组件的耦合效率超过85%。

图6为激光驱动烟火光开关发火试验的波形图。其中曲线1为激光同步信号，计时起点为曲线1的上升沿，曲线 2为激光驱动烟火光开关的光路由常闭变常开的输出信号。从图6可以看出，激光驱动烟火光开关在开关打开时无振荡。

表2 激光驱动烟火光开关性能试验结果Tab.2 Result of performance test for laser driven pyro-optical switch

图6 激光驱动烟火光开关发火试验波形图Fig.6 Firing test waveform of laser driven pyro-optical switch

4 结论

通过对激光驱动烟火光开关的分析研究，得出结论：

（1）研制出V形槽式耦合组件结构的激光驱动烟火光开关，导通后耦合效率大于85%；

（2）BNCP激光感度高、作用快，作用时间小于1ms，且含能材料作用后燃气压力能确保导通瞬间无振荡；

（3）研制了激光驱动烟火光开关原理样机，其特点是结构简单、耦合效率高、稳定导通时间短、抗电磁干扰、导通波形振荡小、抗振动能力强，并可实现标准化。

[1]Wm.David Fahey,Joseph E.Carvalho. Optical built-in- test(bit)for laser (diode) initiation systems[R].AIAA 2002-3797,2002.

[2]蔡瑞娇.火工品设计原理[M].北京:北京理工大学出版社,1999.

[3]鲁建存，张世敏，原乐生，张瑞巧.拔销器燃动过程分析[J].火工品,1997(1):23-25.

[4]Everett S.Hafenrichter, Bill Marshall and Kevin J.Fleming.Fast laser diode ignition of CP and BNCP[C]//Proceedings of the 29th International Pyrotechnics Seminar. Westminster:2002.

[5]贺爱锋，陈建华，井波，鲁建存. 一种激光感度刺激能量调节方法及其计算[C]//智能火工品技术学术研讨会论文集.绵阳:中国兵工学会火工烟火分会,2012.