APP下载

半导体激光起爆炸药试验与仿真研究*

2020-03-30李朝振樊志伟

弹箭与制导学报 2020年5期
关键词:激光器炸药光纤

湛 赞,谭 明,严 楠,贺 翔,李朝振,樊志伟

(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;3 四川华川工业有限公司, 成都 610106)

0 引言

激光起爆技术具有安全、可靠、防止静电和电磁干扰,且能实现多点同步起爆等优点,是含能材料钝感起爆的重要途径[1]。目前,国外已有多个武器系统成功运用激光起爆系统[2-6]。国内主要有北京理工大学[7]、南京理工大学[8-9]、中国工程物理研究所[10-11]、陕西应用物理化学研究所[12-13]、长春光机所[14]等对激光起爆技术开展试验及应用研究,目前已实现了原理样机的设计,但还未实现具体武器系统型号的运用。

传统炸药(如 RDX、PETN、HNS 等)与常用激光波长 (如1 064 nm 、532 nm 等)不易匹配[15]。然而,通过掺杂碳黑,炸药激光感度明显提高[9]。此外,采用密闭透窗对炸药进行约束也能明显提供炸药的激光起爆感度[8]。目前开展激光起爆炸药试验主要以固体激光器为主,其中以掺杂碳黑的PETN炸药激光感度最高[8]。在半导体激光起爆方面主要对激光起爆药[14-16](BNCP等)开展了试验研究,直接采用半导体激光起爆炸药研究较少,主要由于半导体激光器相对于固体激光器功率较低,从而导致炸药燃烧转爆轰成长距离较长。但相对于固体激光器,半导体激光器具有体积小、重量轻、电光转换效率高、价格低等优点,更适合运用在武器系统中。随着半导体激光器功率的提高,半导体激光直接起爆炸药将成为新的研究热点。

为确定半导体激光起爆炸药的可行性,实现激光起爆系统在武器系统中的运用,对半导体激光起爆炸药开展研究。针对武器系统对激光起爆系统的需求,设计实用型半导体激光起爆系统,并对掺杂碳黑的太安炸药进行半导体激光直接起爆试验。通过AUTODYN软件对激光起爆过程进行仿真,为激光起爆器的设计提供参考。

1 半导体激光起爆系统

半导体激光起爆系统主要由半导体激光器、光纤和光纤连接器、激光起爆器组成。半导体激光器产生激光,通过光纤和光纤连接器进行光能传输,最后作用于激光起爆器进行爆轰输出。激光器和起爆器是系统设计的重点,对其分别开展设计研究。

1.1 半导体激光器

选用长春光机所生产的双波长激光二极管,其点火激光波长为980 nm,额定工作电流为8 A,额定输出功率为8 W。检测激光波长为1 310 nm,工作电流为15 mA,输出功率为1 mW。光纤芯径为105/125 μm,光纤接头为FC/PC。激光二极管电光转化效率为55%,具有较高转换效率。温漂系数为0.28 nm/℃,温度稳定性较好。

为使半导体激光器适用于弹上武器系统中,需要使激光器的电源输入与弹上电源相匹配。弹上电源一般为热电池,电压为(24±2) V。故将激光器控制盒的电源输入设计为24 V直流电压输入,并能适应输入电压22~26 V情况下输出激光功率稳定的功能,使其适用于弹上电源系统。

激光器接口主要有3个,分别为电源输入接口、同步信号接口和激光输出接口。其中,电源输入接口输入24 V恒压源,为激光器供电。同步信号接口为980 nm点火激光提供同步信号,用于激光点火延迟时间的同步测试。激光输出接口为FC型法兰接口,与外接光纤对接并输出激光。此外,设计一个钥匙开关作为电路保险,操作人员手持钥匙开关进行光路连接从而保证人员安全性。设计的激光器外壳如图1所示。激光器外壳采用耐腐蚀性铝合金,壳体底部留有螺钉固定座,便于安装固定。外壳尺寸为140 mm×150 mm×55 mm。

图1 小型化激光器实物照片

图2 激光器电源和同步信号航空插头

1.2 激光起爆器

激光起爆器是激光起爆系统的输出作用单元,文中主要以光窗式激光起爆器开展试验研究。光窗式激光起爆器结构示意图如图3所示。输入端为FC型连接口,并与点火光纤进行连接,输出端为M10×1-6g的外螺纹。光窗采用Φ5×0.6 mm的K9玻璃,具有激光透射率高、耐压强度好、价格较低的优点。点火器输出外壳壁厚2.5 mm,材料为不锈钢,具有一定的强度,保证炸药起爆后能维持爆轰压力。装药高度10 mm,从而保证燃烧转爆轰的成长距离。此外,通过盖片对起爆器进行收口,保证炸药的密封性。

图3 光窗式激光起爆器结构图

2 半导体激光起爆试验

为确定半导体激光直接起爆炸药的可行性,并确定激光起爆器爆轰输出压力,开展半导体激光直接起爆炸药的试验研究。

2.1 激光起爆试验系统

激光起爆试验由24 V恒压源、激光器、光纤、光纤连接器、激光起爆器、钢凹鉴定块、防爆箱等组成,试验测试系统原理图如图4所示。24 V恒压源为激光器提供电能输入,激光器在电能激励下输出点火激光,通过光纤和光纤连接器进行光能传输,最后通过激光起爆器作用于炸药进行激光起爆。钢凹鉴定块与激光起爆器输出端面粘接固定,并置于防爆箱中,通过钢凹鉴定块的钢凹深度确定爆轰输出威力大小。

图4 半导体激光起爆装置示意图

2.2 激光起爆试验条件

采用小型化半导体激光器输出8 W功率、980 nm波长点火激光,远大于目前文献报道的二极管激光器功率值。利用光学计算可以得出,通过光窗后激光平均功率密度为5.8×103W/cm2,根据激光与材料在不同功率密度下的物理现象可知[17],激光功率密度在104W/cm2以下时材料表现为加热现象。因此,对半导体激光起爆炸药主要采用热起爆机理进行分析。试验在25 ℃室温下进行。根据激光起爆原理图搭建激光起爆测试系统,如图5所示。

图5 激光起爆试验系统实物图

用钢凹法对激光起爆器输出爆轰压力进行测试,以判断激光起爆试验是否达到爆轰程度,钢块尺寸Φ27×15 mm,如图6所示。

图6 激光起爆器和钢块安装图

选择掺杂1%碳黑的PETN炸药进行激光起爆试验。PETN装药量为280 mg,压药压力为30 MPa,装药尺寸为Φ5×10 mm。计算得到PETN的装药密度为1.43 g/cm3。

2.3 激光起爆试验结果

采用激光起爆测试系统对掺杂1%碳黑的PETN进行了激光起爆试验。激光起爆试验现象为:光纤炸断,光纤接头和壳体连在一起,起爆器壳体炸成喇叭口形破裂残骸,光窗炸碎,如图7所示。

图7 起爆试验后起爆器及光纤头照片

采用钢凹测试仪器测试钢凹深度,如图8所示,钢凹深度为0.18 mm。激光起爆试验结果表明,半导体激光直接起爆炸药原理上可行。

图8 钢凹深度测试图

3 半导体激光起爆仿真

AUTODYN是国防军工领域常用的数值模拟软件,主要采用有限差分、定容及有限元技术对固体、流体和气体的动态特性及其相互作用进行分析,特别适用于爆炸与冲击问题的计算[18]。根据物理模型的不同特点,软件提供了不同的数值处理器。Lagrange处理器适用于模拟固体及结构;Euler处理器适用于模拟流体、气体及大变形。为此,文中借助AUTODYN软件对炸药激光起爆过程进行仿真分析,为激光起爆器的设计提供参考。

3.1 激光起爆仿真模型

根据试验条件建立简化的激光起爆仿真模型,如图9所示。激光起爆为轴对称结构,因此选取起爆器左端中心点为坐标原点、X轴为对称轴建立二维轴对称模型。起爆器左侧为固定约束,内部为PETN炸药。由于炸药在左端面上接收激光能量,因此在炸药左端沿对称轴位置设置起爆点模拟激光起爆,起爆点位于图9红点处。结合仿真精度和计算时间,有限单元大小设置为0.025 mm。

图9 激光起爆仿真模型

为确定炸药起爆输出威力,在起爆器输出位置加入钢块。钢块选择材料库中的STEEL1007不锈钢材料。钢块右侧设置为固定约束,保证钢块在炸药起爆后不会飞出。在钢块表面沿对称轴设置高斯点1,炸药起爆后通过分析高斯点的压力-时间曲线可以确定炸药的爆轰成长规律,通过高斯点的速度积分-时间曲线可以确定钢块凹陷的深度,并通过试验得到的钢凹深度和仿真结果进行对比。

激光起爆装药为太安炸药,选择材料库PETN炸药,并更改材料密度为实际值1.43 g/cm3。PETN炸药爆轰产物膨胀过程属于流体动力学范畴,爆轰产物膨胀过程为稀疏介质飞散运动过程;Euler网格比较适合模拟流体动力学中大变形的问题,因此采用Euler算法计算PETN炸药爆轰产物膨胀过程,采用JWL状态方程模拟PETN炸药的爆轰产物膨胀做功过程。起爆器和钢块在PETN爆轰产物膨胀做功过程中发生形变,将起爆器和钢块的材料属性赋予到Lagrange网格节点上,且在Lagrange算法中容易确定材料运动的时间历程,因此采用Lagrange算法计算点火器变形和钢块凹陷过程。在数值模拟中,空气采用Euler算法描述,起爆器和钢块采用拉格朗日算法描述。在拉格朗日网格和欧拉网格边界接触采用自动流固耦合,即采用AUTODYN的流固耦合算法描述炸药起爆后与起爆器和钢块的相互作用。

3.2 激光起爆仿真结果

炸药起爆后不同时刻仿真结果如图10所示。从图中可以看出,起爆2 μs后,爆轰波开始传播到钢块表面。在起爆20 μs时,点火器和钢块均出现明显形变,点火器弯折处出现应力集中。

图10 不同时刻起爆器起爆过程

炸药起爆后起爆器和钢块变形情况如图11所示。从图中可以看出,炸药起爆后起爆器呈喇叭口形状,钢块中心出现圆形凹坑,仿真现象和试验现象一致。

图11 起爆后起爆器和钢块仿真结果

为确定炸药激光起爆输出爆轰压力,设置高斯点进行分析,高斯点的压力-时间曲线、X方向位移(速度积分)-时间曲线如图12所示。结果显示,炸药起爆输出峰值压力为7.9 GPa,钢凹深度为0.73 mm。

图12 高斯点测试结果

仿真得到的钢凹深度大于试验测试的钢凹深度。分析仿真结果和试验结果误差来源可知,实际上炸药起爆需要经过燃烧转爆轰的成长过程,而激光起爆仿真模型没有考虑炸药起爆燃烧转爆轰过程。仿真过程增加了炸药起爆输出威力,得到的炸药爆轰压力大于实际输出压力,钢凹深度也大于试验测试值。因此,文中采用AUTODYN软件对激光起爆过程进行仿真,只能定性得出起爆后起爆器和钢块的变形情况,对激光起爆过程进行定量分析还有待进一步开展研究。

4 结论

为研究半导体激光直接起爆炸药的可行性,文中开展半导体激光起爆技术的试验与仿真研究。通过搭建激光起爆系统,开展了掺杂1%碳黑的PETN激光起爆试验,并通过AUTODYN软件对激光起爆燃烧转爆轰过程进行仿真研究。主要结论如下:

1)设计了实用性半导体激光起爆系统,该系统能成功起爆掺杂1%碳黑的PETN,验证了半导体激光直接起爆炸药的可行性。

2)采用AUTODYN软件建立了激光起爆过程的仿真模型。仿真能模拟激光起爆后壳体变形情况,但不能定量分析激光起爆输出过程。

猜你喜欢

激光器炸药光纤
全固态激光器散热结构设计及优化
空气也能当炸药的神秘武器:云爆弹
议论火炸药数字化制造
常规高效毁伤用火炸药技术发展趋势
苹果专利可采用光纤输出灯光并传输数据将光纤隐藏于车辆部件内
长飞光纤:中国光通信A+H第一股
光纤与光纤传感器
为什么炸药的威力会很大?
读编交流
富通G657光纤预制棒项目列入国家火炬计划