黑火藥激光點(diǎn)火數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究

劉 偉,王育維,魏建國(guó),張敏華

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

目前火炮通常采用底火擊發(fā)，其擊發(fā)過(guò)程一般由復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)組成，射擊時(shí)底火未被擊發(fā)和底火卡住難以抽出的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，從而大幅影響射速，大大降低了作戰(zhàn)效能。相比之下，激光由于具有輸出功率高、能量集中、能避免電磁干擾和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的點(diǎn)火源。美國(guó)等一些國(guó)家非常關(guān)注激光點(diǎn)火技術(shù)的研究。激光與含能材料相互作用是激光點(diǎn)火技術(shù)研究的重要內(nèi)容，也是一個(gè)極其復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程。由于目前實(shí)驗(yàn)及測(cè)試條件限制，很難全面了解某種藥劑的點(diǎn)火性能[1]。因此人們?cè)噲D采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)激光點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行模擬，以期對(duì)試驗(yàn)起到指導(dǎo)作用。

本文針對(duì)激光點(diǎn)火技術(shù)中激光與含能材料相互作用的過(guò)程，建立了柱坐標(biāo)下激光點(diǎn)火的二維導(dǎo)熱模型，并對(duì)火炮點(diǎn)火系統(tǒng)中廣泛使用的小粒黑火藥的點(diǎn)火能量密度閾值和點(diǎn)火延遲時(shí)間進(jìn)行了數(shù)值模擬。然后采用最大輸出能量為10 J的固體激光器對(duì)該藥劑進(jìn)行了點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，分析了該藥劑的點(diǎn)火能量密度閾值和點(diǎn)火延遲時(shí)間。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，證明了數(shù)值模擬的合理性。

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

目前理論上普遍認(rèn)為在激光功率不太高的情況下，激光點(diǎn)火和熱橋絲點(diǎn)火一樣都是一個(gè)熱過(guò)程[2]，因此可以用以下熱流能量平衡方程描述激光點(diǎn)火與含能材料相互作用過(guò)程[3]：