光窗式激光點(diǎn)火器耐壓性能及輸出威力試驗(yàn)研究*

湛 贊，嚴(yán) 楠，李朝振

(1 北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100081;2 西安航天動(dòng)力技術(shù)研究所，西安 710025)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)場電磁環(huán)境日益惡化，傳統(tǒng)橋絲式火工品容易出現(xiàn)橋絲腐蝕、靜電放電的危害[1-2]，而激光火工品由于藥劑和電子元件的隔離消除了靜電、電磁輻射引起意外起爆的可能性，提高了火工品的可靠性。激光點(diǎn)火器作為激光火工品的發(fā)火作用單元，設(shè)計(jì)合適的結(jié)構(gòu)與輸入光能匹配能降低發(fā)火閾值，提高發(fā)火作用的可靠性[3]。

常見的激光點(diǎn)火器在結(jié)構(gòu)上主要分為兩種：接觸式和光窗式[4]。接觸式激光點(diǎn)火器是指讓點(diǎn)火光纖直接接觸藥劑表面，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，方便加工，但是不能承受過大的壓藥壓力，并且由于在壓藥時(shí)可能損傷光纖表面，影響激光傳輸。光窗式激光點(diǎn)火器[5-8]則是在光纖和藥室中間增加一個(gè)光窗，將兩部分隔開。這種結(jié)構(gòu)使得在壓藥過程中不會(huì)對(duì)光纖產(chǎn)生影響，能夠承受更大的壓藥壓力，并且密封性能好。但是光窗會(huì)使從光纖出射的激光發(fā)散，影響作用在藥劑上的激光功率密度。此外，光窗需要保證一定的強(qiáng)度以保證在壓藥過程中不會(huì)被壓碎，影響點(diǎn)火過程中的光能傳輸。為了解決這種結(jié)構(gòu)上的缺陷，需考慮光窗厚度對(duì)光窗耐壓性能的影響，設(shè)計(jì)合適厚度的光窗式激光點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)，這樣既保證了激光的功率密度，又保護(hù)了光纖，使點(diǎn)火器在壓藥時(shí)能夠承受更大的壓藥壓力。

文中利用ANSYS軟件建立光窗式激光點(diǎn)火器仿真模型，對(duì)光窗式激光點(diǎn)火器進(jìn)行受力分析，研究光窗厚度和壓藥壓力對(duì)光窗受力的影響，選擇合適的光窗厚度進(jìn)行光窗式激光點(diǎn)火器設(shè)計(jì)。同時(shí)利用密閉爆發(fā)器對(duì)光窗式激光點(diǎn)火器進(jìn)行輸出威力測試，獲得性能參數(shù)，以驗(yàn)證激光點(diǎn)火器的發(fā)火可靠性和輸出性能。

1 光窗式激光點(diǎn)火器仿真研究

激光器所產(chǎn)生的激光通過光纖照射在光窗上，再經(jīng)過光窗照射在藥劑表面。傳統(tǒng)的光窗材料有K9玻璃、米拉膜、云母片、賽璐珞片、藍(lán)寶石窗口、底片等。文中主要選用K9玻璃進(jìn)行仿真計(jì)算和試驗(yàn)測試。光窗式激光點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 光窗式激光點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)

1.1 光窗厚度對(duì)光窗耐壓性能的影響

采用ANSYS中Static Structural結(jié)構(gòu)靜力學(xué)模塊對(duì)光窗壓藥過程進(jìn)行仿真，光窗直徑為5 mm，材料為K9玻璃，其楊氏模量為88 GPa，泊松比為0.22，密度為2.5 kg/m3，點(diǎn)火器殼體材料為不銹鋼，光纖陶瓷插芯直徑2.5 mm，即光窗和殼體之間的圓孔直徑為2.5 mm，忽略激光點(diǎn)火器外壁對(duì)光窗受力的影響。簡化后仿真模型如圖2。

圖2 光窗受力模型

采用六面體網(wǎng)格對(duì)光窗和殼體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為0.1 mm×0.1 mm×0.1 mm，在光窗表面施加30 MPa的壓力，對(duì)整體施加重力載荷，設(shè)置殼體下表面為固定約束條件。求解類型為應(yīng)力求解(equivalent stress)和應(yīng)變求解(total deformation)，得到仿真結(jié)果如圖3和圖4。

圖3 光窗應(yīng)力分布云圖

圖4 光窗應(yīng)變分布云圖

從圖3、圖4中可以看出，在光窗與殼體接觸的位置及光窗中心位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，而光窗應(yīng)變則在光窗中心位置達(dá)到最大。

以0.2 mm步長改變光窗厚度，研究其對(duì)光窗應(yīng)力和光窗應(yīng)變的影響，得到計(jì)算結(jié)果如表1、圖5所示。

表1 光窗厚度對(duì)光窗應(yīng)力和光窗應(yīng)變的影響仿真結(jié)果

圖5 光窗厚度對(duì)光窗應(yīng)力和光窗應(yīng)變的影響

從圖5中可以看出，隨著光窗厚度的增加，光窗最大應(yīng)力逐漸降低，且隨著厚度增加，應(yīng)力降低的速度越來越慢。從表1可以看出，當(dāng)光窗厚度大于0.6 mm時(shí)，光窗應(yīng)變和光窗厚度的比值小于4%。

1.2 壓藥壓力對(duì)光窗耐壓性能的影響

以0.6 mm光窗作為研究對(duì)象，以10 MPa步長改變壓藥壓力，研究壓藥壓力對(duì)光窗應(yīng)力和應(yīng)變的影響，得到計(jì)算結(jié)果如表2、圖6所示。

表2 壓藥壓力對(duì)0.6 mm光窗應(yīng)力和應(yīng)變的影響仿真結(jié)果

圖6 壓藥壓力對(duì)光窗應(yīng)力和光窗應(yīng)變的影響

從圖6可以看出，光窗應(yīng)力和應(yīng)變與壓藥壓力呈正線性關(guān)系，即壓藥壓力越大，光窗應(yīng)力和應(yīng)變?cè)酱蟆４送猓?0 MPa下，光窗應(yīng)變和厚度的比值為3.28%；在60 MPa下，光窗和厚度的比值為6.58%。

2 激光點(diǎn)火器輸出性能測試

為了確認(rèn)仿真的激光點(diǎn)火器能否滿足需求，要對(duì)點(diǎn)火器的輸出性能進(jìn)行測試。本研究主要對(duì)激光點(diǎn)火器的P-t輸出威力進(jìn)行測試。

2.1 試驗(yàn)原理

P-t測試試驗(yàn)原理如圖7所示。試驗(yàn)時(shí)，由24 V直流恒壓電源將一定脈沖的電信號(hào)輸送給激光器，激光器通過同步信號(hào)線觸發(fā)示波器開始計(jì)時(shí)，并發(fā)出一束激光，通過光纖和光纖連接器將其傳輸給激光點(diǎn)火器引發(fā)點(diǎn)火，燃燒產(chǎn)生的壓力信號(hào)同時(shí)被壓電傳感器采集并傳給示波器。通過輸出激光信號(hào)和P-t曲線上升信號(hào)時(shí)間差得到點(diǎn)火延遲時(shí)間，通過P-t曲線可以得到激光點(diǎn)火輸出峰值壓強(qiáng)。

圖7 P-t曲線及點(diǎn)火延遲時(shí)間系統(tǒng)原理圖

2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)所用的電荷型壓電式傳感器型號(hào)為KISTLER 601A型，不僅具有在高溫、高壓下仍保持穩(wěn)定的靈敏度和結(jié)構(gòu)剛度的優(yōu)點(diǎn)，還具有線性好、固有頻率高、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

由于需要測量壓力信號(hào)，試驗(yàn)需要在密閉的環(huán)境下進(jìn)行，因此使用密閉爆發(fā)器進(jìn)行試驗(yàn)。將光窗式點(diǎn)火器與壓電傳感器按圖8中方式安裝好，連接上光纖和信號(hào)線。將密閉爆發(fā)器置于爆炸罐中，通過光纖將激光器和激光點(diǎn)火器連接。

激光器為北京理工大學(xué)和凱普林光電有限公司聯(lián)合研制的小型化半導(dǎo)體激光器，輸入電壓為直流24 V，和彈上電源相匹配。激光器波長為980 nm，脈沖輸出模式，脈沖寬度為100 ms，輸出功率為8 W，且有鑰匙開關(guān)作為電路保險(xiǎn)，尺寸為150 mm×100 mm×55 mm，實(shí)物圖如圖9所示。

試驗(yàn)得到光窗式點(diǎn)火器激光點(diǎn)火的P-t輸出曲線如圖10所示。

圖8 密閉爆發(fā)器安裝示意圖

圖9 小型半導(dǎo)體激光器

圖10 試驗(yàn)測試P-t曲線

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

美軍標(biāo) MIL-STD-1901[9]中，詳細(xì)規(guī)定了直列式點(diǎn)火系統(tǒng)所用點(diǎn)火藥，目前唯一批準(zhǔn)可用的煙火劑是B/KNO3。文中選用B/KNO3，粒度為20 μm，壓藥壓力分別為30 MPa和60 MPa，各進(jìn)行8發(fā)試驗(yàn)。光窗和殼體采用環(huán)氧樹脂AB膠進(jìn)行密封，且在壓藥后需在點(diǎn)火器光纖輸入端觀察光窗是否壓碎，并去除壓碎樣品。P-t試驗(yàn)結(jié)果如表3、表4所示。

表3 光窗式點(diǎn)火器30 MPa壓藥壓力D20藥劑P-t測試

從表3數(shù)據(jù)可以看出：光窗在30 MPa壓藥壓力下光窗均沒有壓碎，且在 30 MPa壓藥壓力下D20藥劑響應(yīng)時(shí)間平均值為4.55 ms，標(biāo)準(zhǔn)差為0.70 ms。峰值壓強(qiáng)平均值為3.71 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.34 MPa。故0.6 mm光窗能夠承受30 MPa壓藥壓力。

表4 光窗式點(diǎn)火器60 MPa壓藥壓力D20藥劑P-t測試

編號(hào)13～16的激光點(diǎn)火器光窗在壓藥時(shí)被壓碎，故未進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，占整個(gè)樣品數(shù)量的一半。從試驗(yàn)結(jié)果及表4數(shù)據(jù)可以得出：60 MPa壓藥壓力下光窗出現(xiàn)4發(fā)壓碎的樣品，占整個(gè)樣品數(shù)量的一半。D20藥劑響應(yīng)時(shí)間平均值為5.91 ms，標(biāo)準(zhǔn)差為1.60 ms。峰值壓強(qiáng)平均值為3.32 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.63 MPa。故0.6 mm光窗不能可靠承受60 MPa壓藥壓力。

此外，對(duì)比30 MPa和60 MPa下光窗式激光點(diǎn)火器P-t測試響應(yīng)時(shí)間和峰值壓強(qiáng)可以看出，峰值壓強(qiáng)和響應(yīng)時(shí)間與壓藥壓力有關(guān)。當(dāng)壓藥壓力增大時(shí)，響應(yīng)時(shí)間增大，峰值壓力減小。且壓藥壓力越大，試驗(yàn)結(jié)果散差越大。

3 結(jié)論

利用ANSYS軟件建立光窗式激光點(diǎn)火器的仿真模型，針對(duì)影響光窗式激光火工品耐壓性能的不同影響因素進(jìn)行了仿真研究，并搭建了激光點(diǎn)火器的輸出威力測試試驗(yàn)平臺(tái)，通過測試得到激光點(diǎn)火器的P-t輸出威力性能參數(shù)。測試結(jié)果表明：

1)光窗越厚，光窗耐壓性能越好；壓藥壓力與光窗應(yīng)力、應(yīng)變呈正線性關(guān)系。

2)30 MPa壓藥壓力下B/KNO3的P-t曲線峰值壓強(qiáng)平均值為3.71 MPa，響應(yīng)時(shí)間為平均值4.55 ms。60 MPa壓藥壓力下峰值壓強(qiáng)平均值為3.32 MPa，響應(yīng)時(shí)間平均值為5.91 ms。P-t曲線峰值壓強(qiáng)與響應(yīng)時(shí)間與壓藥壓力有關(guān)，當(dāng)壓藥壓力增大時(shí)，響應(yīng)時(shí)間增大，峰值壓強(qiáng)減小。