引信药的激光点火研究

张宝成，刘文异，宋骐羽，田 勇

（1.吉林省航虹科技有限公司，吉林 吉林 132012；2.吉林江机特种工业有限公司，吉林 吉林 132012；3.国网青田县供电公司，浙江 青田 323900）

点火研究是现代起始弹道学的重要组成部分，在火炮和火箭内弹道研究中具有重要意义。目前比较常用的点火方式是灼热桥丝式电点火。灼热桥丝式电点火采用灼热桥丝作为换能元件，桥丝是一种正温度系数的金属电阻丝，给桥丝通电后由于电流的热效应使桥丝发热，再将热量传递给桥丝周围的引信药，当温度达到引信药的着火点时就可以实现引燃或引爆含能材料[1]。灼热桥丝式电点火具有瞬发性好、性能容易控制和发火能量小等优点，被广泛应用在民爆器材和通用弹药当中[2]。

但灼热桥丝式电点火方式的缺点也同样明显，很容易受到电磁辐射和静电的干扰，从而造成性能变差甚至意外发火[3]，根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场会在桥丝上产生感应电流，导致桥丝性能钝感甚至引爆火工药剂。文献[4]介绍了几种常用电磁防护加固技术，包括金属盒屏蔽、低通滤波器、优化电路设计和保护电路等方法，虽然这几种方法能保护桥丝不受电磁辐射的干扰，但桥丝式电点火方式的复杂程度也随之增加。

现阶段军工水平不断提高，各种高科技武器层出不穷，电子对抗技术日益成熟，电磁干扰对灼热桥丝式电点火的影响越来越大，而激光点火方式具有良好的抗电磁干扰能力，更适合应用在现代战场，在国外已广泛应用于航天发动机点火和机构分离、航空乘员逃逸等许多领域[5]。由于激光点火利用光纤传递能量，不含桥丝和引线，所以电磁辐射、静电和强射频等干扰信号对引信药点火造成的不良影响彻底消除。此外，灼热桥丝式电点火方式中桥丝包裹在引信药中可能导致桥丝腐蚀和桥丝电阻异常等问题，而采用激光点火方式可以避免这些问题的产生。激光点火能够实现多点点火，其主要部分可以多次重复使用，大大简化了生产工艺[6]。加之桥丝式电点火需输入能量较大，作用时间较长、作用时间较分散，点火延迟时间明显长于激光点火，所以有必要研究新的点火方式。

本文主要研究引信药的激光点火方法，在阐述了引信药激光点火原理的基础上，通过建立激光点火的热平衡方程证明激光点火的可行性，并进行了激光点火和桥丝式电点火的点火延迟时间的对比试验，同时还研究了激光能量对点火延迟的影响。

1 引信药的激光点火原理

引信药激光点火时，控制系统控制激光器发射一定功率的矩形脉冲激光，由于激光含有一定的能量，引信药吸收足够的热能直至着火。

当引信药表面接收到激光辐射后，引信药并不能吸收所有的激光能量，有一部分激光会被引信药表面反射，而引信药吸收的那部分光能则转换为引信药的内能，促使引信药的温度持续上升直至燃烧，进而引爆炸药。引信药表面反射的激光强度越大，引信药内部的激光强度就越小，引信药吸收光能的过程中，光强度衰减规律可用公式描述为

式中：I0为激光的初始能量密度，即引信药表面的激光能量密度；e 为自然常数；α 为引信药吸收光能系数；x 为激光射入引信药的深度。

引信药表面的颗粒能够较好地吸收光能，使引信药的内能增大，因而激光点火的过程应为热引信过程。在引信药热平衡方程的基础上补充光能项可得到激光引爆的热平衡方程

式中：ρ 为引信药的密度；C 为引信药的比热容；T为引信药的温度；t 为引信药吸收热量的时间；λ为热传导系数；Q 为引信药的化学反应热；Z 为频率因子；E 为活化能；R 为普适气体常数。

为了简化研究，做出以下假设。假设1：引信药的温度是均匀的。假设2：引信药周围的环境温度保持不变，激光能量全部被用来使引信药升温。

假设3：忽略引信药自分解放热引起的自身温度变化。

假设4：用于引爆的激光光束密度是均匀的。

引信药爆炸的初始条件为：t=0；T=T0。边界条件为：，则式（2） 中的光能项αI0e－αx相当于常数，式（2） 的求解和热引信方程求解类似。如果采用矩形脉冲激光，可近似求取出激光临界点火能量密度和引信药爆炸时的表面临界温度，满足该要求的激光能够引燃引信药。

2 激光点火试验

2.1 激光点火的实验装置

激光点火系统的试验结构见图1。激光器通电后产生的激光束经过光纤射出，通过连接器光束辐射到引信药表面，引信药吸收光能后温度迅速升高直至着火点，从而实现激光点火，光电探测器的作用是检测引信药是否着火。安装示波器主要是为了计算点火延迟时间，当电源开始供电时第1 信号就输入到示波器中，光电探测器检测到火焰后输出第2 信号给示波器，计算两路信号的时间差可得到点火延迟时间。

图1 激光点火系统的试验结构

2.2 点火延迟时间对比

为了证明激光点火的作用时间短，进行了激光点火和桥丝式电点火的点火延迟时间对比，试验结果见表1。由表1 可知，虽然激光点火和桥丝式电点火都能保证引信药着火，但激光点火的点火延迟时间比桥丝式电点火的点火延迟时间短，这是由于激光点火和桥丝式电点火的原理不同造成的。当电流通过桥丝时，桥丝由于电流的热效应而发热，点燃包裹在桥丝周围的火工药剂，从而使火工品实现点火、引信等功能，桥丝式电点火需要的输入能量较大，作用时间较长、作用的时间较分散；而激光点火需输入能量较小，将光能直接辐射到引信药表面的某点，能量较为集中，无需像桥丝式电点火那样进行能量的二次传导，所以激光点火的作用时间较短，点火延迟小。

表1 点火延迟时间对比试验

2.3 点火能量与点火延迟的关系

为了研究激光能量对点火延迟的影响，进行了一个脉冲不同激光能量下点火延迟的试验，结果见表2。当激光能量为0.1 J时，一个脉冲的激光能量不会点燃引信药，当激光能量大于0.1 J时，一个脉冲的激光能量能够点燃引信药，并且激光能量越大点火延迟时间越短。当激光能量在0.15～0.3 J之间时，随着激光能量的增加点火延迟时间下降的幅度较大，当激光能量在0.3～0.5 J之间时，随着激光能量的增加点火延迟时间下降的幅度较小，故而为实现激光能量的最大化利用且有效减小点火延迟，应当选取适当的能量值，既不造成能量浪费又能明显缩短点火延迟时间。

表2 激光能量对点火延迟的影响

3 结论

本文主要研究了引信药的激光点火方法，结论如下：一是激光点火在本质上属于热引爆，所以通过含有光能项的热平衡方程来说明激光能够实现引信药的点火。二是由于激光点火的能量较为集中，作用时间短，所以激光点火的点火延迟时间比桥丝式电点火的短。三是当激光能量较小时，一个脉冲的激光能量不会点燃引信药，当激光能量足够大时，点火延迟时间随着能量的增加而减小，但点火延迟时间减小的幅度却随着能量的增加而变小，所以要减小点火延迟不能盲目采用大功率激光器。