光窗式激光点火器耐压性能及输出威力试验研究*

湛 赞，严 楠，李朝振

(1 北京理工大学爆炸科学重点试验室，北京 100081;2 西安航天动力技术研究所，西安 710025)

0 引言

现代战场电磁环境日益恶化，传统桥丝式火工品容易出现桥丝腐蚀、静电放电的危害[1-2]，而激光火工品由于药剂和电子元件的隔离消除了静电、电磁辐射引起意外起爆的可能性，提高了火工品的可靠性。激光点火器作为激光火工品的发火作用单元，设计合适的结构与输入光能匹配能降低发火阈值，提高发火作用的可靠性[3]。

常见的激光点火器在结构上主要分为两种：接触式和光窗式[4]。接触式激光点火器是指让点火光纤直接接触药剂表面，这种设计结构简单，方便加工，但是不能承受过大的压药压力，并且由于在压药时可能损伤光纤表面，影响激光传输。光窗式激光点火器[5-8]则是在光纤和药室中间增加一个光窗，将两部分隔开。这种结构使得在压药过程中不会对光纤产生影响，能够承受更大的压药压力，并且密封性能好。但是光窗会使从光纤出射的激光发散，影响作用在药剂上的激光功率密度。此外，光窗需要保证一定的强度以保证在压药过程中不会被压碎，影响点火过程中的光能传输。为了解决这种结构上的缺陷，需考虑光窗厚度对光窗耐压性能的影响，设计合适厚度的光窗式激光点火器结构，这样既保证了激光的功率密度，又保护了光纤，使点火器在压药时能够承受更大的压药压力。

文中利用ANSYS软件建立光窗式激光点火器仿真模型，对光窗式激光点火器进行受力分析，研究光窗厚度和压药压力对光窗受力的影响，选择合适的光窗厚度进行光窗式激光点火器设计。同时利用密闭爆发器对光窗式激光点火器进行输出威力测试，获得性能参数，以验证激光点火器的发火可靠性和输出性能。

1 光窗式激光点火器仿真研究

激光器所产生的激光通过光纤照射在光窗上，再经过光窗照射在药剂表面。传统的光窗材料有K9玻璃、米拉膜、云母片、赛璐珞片、蓝宝石窗口、底片等。文中主要选用K9玻璃进行仿真计算和试验测试。光窗式激光点火器结构图如图1所示。

图1 光窗式激光点火器结构

1.1 光窗厚度对光窗耐压性能的影响

采用ANSYS中Static Structural结构静力学模块对光窗压药过程进行仿真，光窗直径为5 mm，材料为K9玻璃，其杨氏模量为88 GPa，泊松比为0.22，密度为2.5 kg/m3，点火器壳体材料为不锈钢，光纤陶瓷插芯直径2.5 mm，即光窗和壳体之间的圆孔直径为2.5 mm，忽略激光点火器外壁对光窗受力的影响。简化后仿真模型如图2。

图2 光窗受力模型

采用六面体网格对光窗和壳体进行网格划分，网格大小为0.1 mm×0.1 mm×0.1 mm，在光窗表面施加30 MPa的压力，对整体施加重力载荷，设置壳体下表面为固定约束条件。求解类型为应力求解(equivalent stress)和应变求解(total deformation)，得到仿真结果如图3和图4。

图3 光窗应力分布云图

图4 光窗应变分布云图

从图3、图4中可以看出，在光窗与壳体接触的位置及光窗中心位置出现应力集中，而光窗应变则在光窗中心位置达到最大。

以0.2 mm步长改变光窗厚度，研究其对光窗应力和光窗应变的影响，得到计算结果如表1、图5所示。

表1 光窗厚度对光窗应力和光窗应变的影响仿真结果

图5 光窗厚度对光窗应力和光窗应变的影响

从图5中可以看出，随着光窗厚度的增加，光窗最大应力逐渐降低，且随着厚度增加，应力降低的速度越来越慢。从表1可以看出，当光窗厚度大于0.6 mm时，光窗应变和光窗厚度的比值小于4%。

1.2 压药压力对光窗耐压性能的影响

以0.6 mm光窗作为研究对象，以10 MPa步长改变压药压力，研究压药压力对光窗应力和应变的影响，得到计算结果如表2、图6所示。

表2 压药压力对0.6 mm光窗应力和应变的影响仿真结果

图6 压药压力对光窗应力和光窗应变的影响

从图6可以看出，光窗应力和应变与压药压力呈正线性关系，即压药压力越大，光窗应力和应变越大。此外，在30 MPa下，光窗应变和厚度的比值为3.28%；在60 MPa下，光窗和厚度的比值为6.58%。

2 激光点火器输出性能测试

为了确认仿真的激光点火器能否满足需求，要对点火器的输出性能进行测试。本研究主要对激光点火器的P-t输出威力进行测试。

2.1 试验原理

P-t测试试验原理如图7所示。试验时，由24 V直流恒压电源将一定脉冲的电信号输送给激光器，激光器通过同步信号线触发示波器开始计时，并发出一束激光，通过光纤和光纤连接器将其传输给激光点火器引发点火，燃烧产生的压力信号同时被压电传感器采集并传给示波器。通过输出激光信号和P-t曲线上升信号时间差得到点火延迟时间，通过P-t曲线可以得到激光点火输出峰值压强。

图7 P-t曲线及点火延迟时间系统原理图

2.2 试验条件

试验所用的电荷型压电式传感器型号为KISTLER 601A型，不仅具有在高温、高压下仍保持稳定的灵敏度和结构刚度的优点，还具有线性好、固有频率高、安装方便等优点。

由于需要测量压力信号，试验需要在密闭的环境下进行，因此使用密闭爆发器进行试验。将光窗式点火器与压电传感器按图8中方式安装好，连接上光纤和信号线。将密闭爆发器置于爆炸罐中，通过光纤将激光器和激光点火器连接。

激光器为北京理工大学和凯普林光电有限公司联合研制的小型化半导体激光器，输入电压为直流24 V，和弹上电源相匹配。激光器波长为980 nm，脉冲输出模式，脉冲宽度为100 ms，输出功率为8 W，且有钥匙开关作为电路保险，尺寸为150 mm×100 mm×55 mm，实物图如图9所示。

试验得到光窗式点火器激光点火的P-t输出曲线如图10所示。

图8 密闭爆发器安装示意图

图9 小型半导体激光器

图10 试验测试P-t曲线

2.3 试验结果及分析

美军标 MIL-STD-1901[9]中，详细规定了直列式点火系统所用点火药，目前唯一批准可用的烟火剂是B/KNO3。文中选用B/KNO3，粒度为20 μm，压药压力分别为30 MPa和60 MPa，各进行8发试验。光窗和壳体采用环氧树脂AB胶进行密封，且在压药后需在点火器光纤输入端观察光窗是否压碎，并去除压碎样品。P-t试验结果如表3、表4所示。

表3 光窗式点火器30 MPa压药压力D20药剂P-t测试

从表3数据可以看出：光窗在30 MPa压药压力下光窗均没有压碎，且在 30 MPa压药压力下D20药剂响应时间平均值为4.55 ms，标准差为0.70 ms。峰值压强平均值为3.71 MPa，标准差为0.34 MPa。故0.6 mm光窗能够承受30 MPa压药压力。

表4 光窗式点火器60 MPa压药压力D20药剂P-t测试

编号13～16的激光点火器光窗在压药时被压碎，故未进行点火试验，占整个样品数量的一半。从试验结果及表4数据可以得出：60 MPa压药压力下光窗出现4发压碎的样品，占整个样品数量的一半。D20药剂响应时间平均值为5.91 ms，标准差为1.60 ms。峰值压强平均值为3.32 MPa，标准差为0.63 MPa。故0.6 mm光窗不能可靠承受60 MPa压药压力。

此外，对比30 MPa和60 MPa下光窗式激光点火器P-t测试响应时间和峰值压强可以看出，峰值压强和响应时间与压药压力有关。当压药压力增大时，响应时间增大，峰值压力减小。且压药压力越大，试验结果散差越大。

3 结论

利用ANSYS软件建立光窗式激光点火器的仿真模型，针对影响光窗式激光火工品耐压性能的不同影响因素进行了仿真研究，并搭建了激光点火器的输出威力测试试验平台，通过测试得到激光点火器的P-t输出威力性能参数。测试结果表明：

1)光窗越厚，光窗耐压性能越好；压药压力与光窗应力、应变呈正线性关系。

2)30 MPa压药压力下B/KNO3的P-t曲线峰值压强平均值为3.71 MPa，响应时间为平均值4.55 ms。60 MPa压药压力下峰值压强平均值为3.32 MPa，响应时间平均值为5.91 ms。P-t曲线峰值压强与响应时间与压药压力有关，当压药压力增大时，响应时间增大，峰值压强减小。