引信藥的激光點火研究

張寶成，劉文異，宋騏羽，田 勇

（1.吉林省航虹科技有限公司，吉林 吉林 132012；2.吉林江機特種工業有限公司，吉林 吉林 132012；3.國網青田縣供電公司，浙江 青田 323900）

點火研究是現代起始彈道學的重要組成部分，在火炮和火箭內彈道研究中具有重要意義。目前比較常用的點火方式是灼熱橋絲式電點火。灼熱橋絲式電點火采用灼熱橋絲作為換能元件，橋絲是一種正溫度系數的金屬電阻絲，給橋絲通電后由于電流的熱效應使橋絲發熱，再將熱量傳遞給橋絲周圍的引信藥，當溫度達到引信藥的著火點時就可以實現引燃或引爆含能材料[1]。灼熱橋絲式電點火具有瞬發性好、性能容易控制和發火能量小等優點，被廣泛應用在民爆器材和通用彈藥當中[2]。

但灼熱橋絲式電點火方式的缺點也同樣明顯，很容易受到電磁輻射和靜電的干擾，從而造成性能變差甚至意外發火[3]，根據法拉第電磁感應定律，變化的磁場會在橋絲上產生感應電流，導致橋絲性能鈍感甚至引爆火工藥劑。文獻[4]介紹了幾種常用電磁防護加固技術，包括金屬盒屏蔽、低通濾波器、優化電路設計和保護電路等方法，雖然這幾種方法能保護橋絲不受電磁輻射的干擾，但橋絲式電點火方式的復雜程度也隨之增加。

現階段軍工水平不斷提高，各種高科技武器層出不窮，電子對抗技術日益成熟，電磁干擾對灼熱橋絲式電點火的影響越來越大，而激光點火方式具有良好的抗電磁干擾能力，更適合應用在現代戰場，在國外已廣泛應用于航天發動機點火和機構分離、航空乘員逃逸等許多領域[5]。由于激光點火利用光纖傳遞能量，不含橋絲和引線，所以電磁輻射、靜電和強射頻等干擾信號對引信藥點火造成的不良影響徹底消除。此外，灼熱橋絲式電點火方式中橋絲包裹在引信藥中可能導致橋絲腐蝕和橋絲電阻異常等問題，而采用激光點火方式可以避免這些問題的產生。激光點火能夠實現多點點火，其主要部分可以多次重復使用，大大簡化了生產工藝[6]。加之橋絲式電點火需輸入能量較大，作用時間較長、作用時間較分散，點火延遲時間明顯長于激光點火，所以有必要研究新的點火方式。

本文主要研究引信藥的激光點火方法，在闡述了引信藥激光點火原理的基礎上，通過建立激光點火的熱平衡方程證明激光點火的可行性，并進行了激光點火和橋絲式電點火的點火延遲時間的對比試驗，同時還研究了激光能量對點火延遲的影響。

1 引信藥的激光點火原理

引信藥激光點火時，控制系統控制激光器發射一定功率的矩形脈沖激光，由于激光含有一定的能量，引信藥吸收足夠的熱能直至著火。

當引信藥表面接收到激光輻射后，引信藥并不能吸收所有的激光能量，有一部分激光會被引信藥表面反射，而引信藥吸收的那部分光能則轉換為引信藥的內能，促使引信藥的溫度持續上升直至燃燒，進而引爆炸藥。引信藥表面反射的激光強度越大，引信藥內部的激光強度就越小，引信藥吸收光能的過程中，光強度衰減規律可用公式描述為

式中：I0為激光的初始能量密度，即引信藥表面的激光能量密度；e 為自然常數；α 為引信藥吸收光能系數；x 為激光射入引信藥的深度。

引信藥表面的顆粒能夠較好地吸收光能，使引信藥的內能增大，因而激光點火的過程應為熱引信過程。在引信藥熱平衡方程的基礎上補充光能項可得到激光引爆的熱平衡方程

式中：ρ 為引信藥的密度；C 為引信藥的比熱容；T為引信藥的溫度；t 為引信藥吸收熱量的時間；λ為熱傳導系數；Q 為引信藥的化學反應熱；Z 為頻率因子；E 為活化能；R 為普適氣體常數。

為了簡化研究，做出以下假設。假設1：引信藥的溫度是均勻的。假設2：引信藥周圍的環境溫度保持不變，激光能量全部被用來使引信藥升溫。

假設3：忽略引信藥自分解放熱引起的自身溫度變化。

假設4：用于引爆的激光光束密度是均勻的。

引信藥爆炸的初始條件為：t=0；T=T0。邊界條件為：，則式（2） 中的光能項αI0e－αx相當于常數，式（2） 的求解和熱引信方程求解類似。如果采用矩形脈沖激光，可近似求取出激光臨界點火能量密度和引信藥爆炸時的表面臨界溫度，滿足該要求的激光能夠引燃引信藥。

2 激光點火試驗

2.1 激光點火的實驗裝置

激光點火系統的試驗結構見圖1。激光器通電后產生的激光束經過光纖射出，通過連接器光束輻射到引信藥表面，引信藥吸收光能后溫度迅速升高直至著火點，從而實現激光點火，光電探測器的作用是檢測引信藥是否著火。安裝示波器主要是為了計算點火延遲時間，當電源開始供電時第1 信號就輸入到示波器中，光電探測器檢測到火焰后輸出第2 信號給示波器，計算兩路信號的時間差可得到點火延遲時間。

圖1 激光點火系統的試驗結構

2.2 點火延遲時間對比

為了證明激光點火的作用時間短，進行了激光點火和橋絲式電點火的點火延遲時間對比，試驗結果見表1。由表1 可知，雖然激光點火和橋絲式電點火都能保證引信藥著火，但激光點火的點火延遲時間比橋絲式電點火的點火延遲時間短，這是由于激光點火和橋絲式電點火的原理不同造成的。當電流通過橋絲時，橋絲由于電流的熱效應而發熱，點燃包裹在橋絲周圍的火工藥劑，從而使火工品實現點火、引信等功能，橋絲式電點火需要的輸入能量較大，作用時間較長、作用的時間較分散；而激光點火需輸入能量較小，將光能直接輻射到引信藥表面的某點，能量較為集中，無需像橋絲式電點火那樣進行能量的二次傳導，所以激光點火的作用時間較短，點火延遲小。

表1 點火延遲時間對比試驗

2.3 點火能量與點火延遲的關系

為了研究激光能量對點火延遲的影響，進行了一個脈沖不同激光能量下點火延遲的試驗，結果見表2。當激光能量為0.1 J時，一個脈沖的激光能量不會點燃引信藥，當激光能量大于0.1 J時，一個脈沖的激光能量能夠點燃引信藥，并且激光能量越大點火延遲時間越短。當激光能量在0.15～0.3 J之間時，隨著激光能量的增加點火延遲時間下降的幅度較大，當激光能量在0.3～0.5 J之間時，隨著激光能量的增加點火延遲時間下降的幅度較小，故而為實現激光能量的最大化利用且有效減小點火延遲，應當選取適當的能量值，既不造成能量浪費又能明顯縮短點火延遲時間。

表2 激光能量對點火延遲的影響

3 結論

本文主要研究了引信藥的激光點火方法，結論如下：一是激光點火在本質上屬于熱引爆，所以通過含有光能項的熱平衡方程來說明激光能夠實現引信藥的點火。二是由于激光點火的能量較為集中，作用時間短，所以激光點火的點火延遲時間比橋絲式電點火的短。三是當激光能量較小時，一個脈沖的激光能量不會點燃引信藥，當激光能量足夠大時，點火延遲時間隨著能量的增加而減小，但點火延遲時間減小的幅度卻隨著能量的增加而變小，所以要減小點火延遲不能盲目采用大功率激光器。