0 引言
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。
1.2 激光起爆器
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。
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 ,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。
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。
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
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
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。
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。
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。
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。