半導體激光起爆炸藥試驗與仿真研究*

湛 贊，譚 明，嚴 楠，賀 翔，李朝振，樊志偉

(1 北京理工大學爆炸科學重點試驗室， 北京 100081； 2 西安航天動力技術研究所， 西安 710025；3 四川華川工業有限公司， 成都 610106)

0 引言

激光起爆技術具有安全、可靠、防止靜電和電磁干擾，且能實現多點同步起爆等優點，是含能材料鈍感起爆的重要途徑[1]。目前，國外已有多個武器系統成功運用激光起爆系統[2-6]。國內主要有北京理工大學[7]、南京理工大學[8-9]、中國工程物理研究所[10-11]、陜西應用物理化學研究所[12-13]、長春光機所[14]等對激光起爆技術開展試驗及應用研究，目前已實現了原理樣機的設計，但還未實現具體武器系統型號的運用。

傳統炸藥(如 RDX、PETN、HNS 等)與常用激光波長 (如1 064 nm 、532 nm 等)不易匹配[15]。然而，通過摻雜碳黑，炸藥激光感度明顯提高[9]。此外，采用密閉透窗對炸藥進行約束也能明顯提供炸藥的激光起爆感度[8]。目前開展激光起爆炸藥試驗主要以固體激光器為主，其中以摻雜碳黑的PETN炸藥激光感度最高[8]。在半導體激光起爆方面主要對激光起爆藥[14-16](BNCP等)開展了試驗研究，直接采用半導體激光起爆炸藥研究較少，主要由于半導體激光器相對于固體激光器功率較低，從而導致炸藥燃燒轉爆轟成長距離較長。但相對于固體激光器，半導體激光器具有體積小、重量輕、電光轉換效率高、價格低等優點，更適合運用在武器系統中。隨著半導體激光器功率的提高，半導體激光直接起爆炸藥將成為新的研究熱點。

為確定半導體激光起爆炸藥的可行性，實現激光起爆系統在武器系統中的運用，對半導體激光起爆炸藥開展研究。針對武器系統對激光起爆系統的需求，設計實用型半導體激光起爆系統，并對摻雜碳黑的太安炸藥進行半導體激光直接起爆試驗。通過AUTODYN軟件對激光起爆過程進行仿真，為激光起爆器的設計提供參考。

1 半導體激光起爆系統

半導體激光起爆系統主要由半導體激光器、光纖和光纖連接器、激光起爆器組成。半導體激光器產生激光，通過光纖和光纖連接器進行光能傳輸，最后作用于激光起爆器進行爆轟輸出。激光器和起爆器是系統設計的重點，對其分別開展設計研究。

1.1 半導體激光器

選用長春光機所生產的雙波長激光二極管，其點火激光波長為980 nm，額定工作電流為8 A，額定輸出功率為8 W。檢測激光波長為1 310 nm，工作電流為15 mA，輸出功率為1 mW。光纖芯徑為105/125 μm，光纖接頭為FC/PC。激光二極管電光轉化效率為55%，具有較高轉換效率。溫漂系數為0.28 nm/℃，溫度穩定性較好。

為使半導體激光器適用于彈上武器系統中，需要使激光器的電源輸入與彈上電源相匹配。彈上電源一般為熱電池，電壓為(24±2) V。故將激光器控制盒的電源輸入設計為24 V直流電壓輸入，并能適應輸入電壓22～26 V情況下輸出激光功率穩定的功能，使其適用于彈上電源系統。

激光器接口主要有3個，分別為電源輸入接口、同步信號接口和激光輸出接口。其中，電源輸入接口輸入24 V恒壓源，為激光器供電。同步信號接口為980 nm點火激光提供同步信號，用于激光點火延遲時間的同步測試。激光輸出接口為FC型法蘭接口，與外接光纖對接并輸出激光。此外，設計一個鑰匙開關作為電路保險，操作人員手持鑰匙開關進行光路連接從而保證人員安全性。設計的激光器外殼如圖1所示。激光器外殼采用耐腐蝕性鋁合金，殼體底部留有螺釘固定座，便于安裝固定。外殼尺寸為140 mm×150 mm×55 mm。

圖1 小型化激光器實物照片

圖2 激光器電源和同步信號航空插頭

1.2 激光起爆器

激光起爆器是激光起爆系統的輸出作用單元，文中主要以光窗式激光起爆器開展試驗研究。光窗式激光起爆器結構示意圖如圖3所示。輸入端為FC型連接口，并與點火光纖進行連接，輸出端為M10×1-6g的外螺紋。光窗采用Φ5×0.6 mm的K9玻璃，具有激光透射率高、耐壓強度好、價格較低的優點。點火器輸出外殼壁厚2.5 mm，材料為不銹鋼，具有一定的強度，保證炸藥起爆后能維持爆轟壓力。裝藥高度10 mm，從而保證燃燒轉爆轟的成長距離。此外，通過蓋片對起爆器進行收口，保證炸藥的密封性。

圖3 光窗式激光起爆器結構圖

2 半導體激光起爆試驗

為確定半導體激光直接起爆炸藥的可行性，并確定激光起爆器爆轟輸出壓力，開展半導體激光直接起爆炸藥的試驗研究。

2.1 激光起爆試驗系統

激光起爆試驗由24 V恒壓源、激光器、光纖、光纖連接器、激光起爆器、鋼凹鑒定塊、防爆箱等組成，試驗測試系統原理圖如圖4所示。24 V恒壓源為激光器提供電能輸入，激光器在電能激勵下輸出點火激光，通過光纖和光纖連接器進行光能傳輸，最后通過激光起爆器作用于炸藥進行激光起爆。鋼凹鑒定塊與激光起爆器輸出端面粘接固定，并置于防爆箱中，通過鋼凹鑒定塊的鋼凹深度確定爆轟輸出威力大小。

圖4 半導體激光起爆裝置示意圖

2.2 激光起爆試驗條件

采用小型化半導體激光器輸出8 W功率、980 nm波長點火激光，遠大于目前文獻報道的二極管激光器功率值。利用光學計算可以得出，通過光窗后激光平均功率密度為5.8×103W/cm2，根據激光與材料在不同功率密度下的物理現象可知[17]，激光功率密度在104W/cm2以下時材料表現為加熱現象。因此，對半導體激光起爆炸藥主要采用熱起爆機理進行分析。試驗在25 ℃室溫下進行。根據激光起爆原理圖搭建激光起爆測試系統，如圖5所示。

圖5 激光起爆試驗系統實物圖

用鋼凹法對激光起爆器輸出爆轟壓力進行測試，以判斷激光起爆試驗是否達到爆轟程度，鋼塊尺寸Φ27×15 mm，如圖6所示。

圖6 激光起爆器和鋼塊安裝圖

選擇摻雜1%碳黑的PETN炸藥進行激光起爆試驗。PETN裝藥量為280 mg，壓藥壓力為30 MPa，裝藥尺寸為Φ5×10 mm。計算得到PETN的裝藥密度為1.43 g/cm3。

2.3 激光起爆試驗結果

采用激光起爆測試系統對摻雜1%碳黑的PETN進行了激光起爆試驗。激光起爆試驗現象為:光纖炸斷，光纖接頭和殼體連在一起，起爆器殼體炸成喇叭口形破裂殘骸，光窗炸碎，如圖7所示。

圖7 起爆試驗后起爆器及光纖頭照片

采用鋼凹測試儀器測試鋼凹深度，如圖8所示，鋼凹深度為0.18 mm。激光起爆試驗結果表明，半導體激光直接起爆炸藥原理上可行。

圖8 鋼凹深度測試圖

3 半導體激光起爆仿真

AUTODYN是國防軍工領域常用的數值模擬軟件，主要采用有限差分、定容及有限元技術對固體、流體和氣體的動態特性及其相互作用進行分析，特別適用于爆炸與沖擊問題的計算[18]。根據物理模型的不同特點，軟件提供了不同的數值處理器。Lagrange處理器適用于模擬固體及結構；Euler處理器適用于模擬流體、氣體及大變形。為此，文中借助AUTODYN軟件對炸藥激光起爆過程進行仿真分析，為激光起爆器的設計提供參考。

3.1 激光起爆仿真模型

根據試驗條件建立簡化的激光起爆仿真模型，如圖9所示。激光起爆為軸對稱結構，因此選取起爆器左端中心點為坐標原點、X軸為對稱軸建立二維軸對稱模型。起爆器左側為固定約束，內部為PETN炸藥。由于炸藥在左端面上接收激光能量，因此在炸藥左端沿對稱軸位置設置起爆點模擬激光起爆，起爆點位于圖9紅點處。結合仿真精度和計算時間，有限單元大小設置為0.025 mm。

圖9 激光起爆仿真模型

為確定炸藥起爆輸出威力，在起爆器輸出位置加入鋼塊。鋼塊選擇材料庫中的STEEL1007不銹鋼材料。鋼塊右側設置為固定約束，保證鋼塊在炸藥起爆后不會飛出。在鋼塊表面沿對稱軸設置高斯點1，炸藥起爆后通過分析高斯點的壓力-時間曲線可以確定炸藥的爆轟成長規律，通過高斯點的速度積分-時間曲線可以確定鋼塊凹陷的深度，并通過試驗得到的鋼凹深度和仿真結果進行對比。

激光起爆裝藥為太安炸藥，選擇材料庫PETN炸藥，并更改材料密度為實際值1.43 g/cm3。PETN炸藥爆轟產物膨脹過程屬于流體動力學范疇，爆轟產物膨脹過程為稀疏介質飛散運動過程；Euler網格比較適合模擬流體動力學中大變形的問題，因此采用Euler算法計算PETN炸藥爆轟產物膨脹過程，采用JWL狀態方程模擬PETN炸藥的爆轟產物膨脹做功過程。起爆器和鋼塊在PETN爆轟產物膨脹做功過程中發生形變，將起爆器和鋼塊的材料屬性賦予到Lagrange網格節點上，且在Lagrange算法中容易確定材料運動的時間歷程，因此采用Lagrange算法計算點火器變形和鋼塊凹陷過程。在數值模擬中，空氣采用Euler算法描述，起爆器和鋼塊采用拉格朗日算法描述。在拉格朗日網格和歐拉網格邊界接觸采用自動流固耦合，即采用AUTODYN的流固耦合算法描述炸藥起爆后與起爆器和鋼塊的相互作用。

3.2 激光起爆仿真結果

炸藥起爆后不同時刻仿真結果如圖10所示。從圖中可以看出，起爆2 μs后，爆轟波開始傳播到鋼塊表面。在起爆20 μs時，點火器和鋼塊均出現明顯形變，點火器彎折處出現應力集中。

圖10 不同時刻起爆器起爆過程

炸藥起爆后起爆器和鋼塊變形情況如圖11所示。從圖中可以看出，炸藥起爆后起爆器呈喇叭口形狀，鋼塊中心出現圓形凹坑，仿真現象和試驗現象一致。

圖11 起爆后起爆器和鋼塊仿真結果

為確定炸藥激光起爆輸出爆轟壓力，設置高斯點進行分析，高斯點的壓力-時間曲線、X方向位移(速度積分)-時間曲線如圖12所示。結果顯示，炸藥起爆輸出峰值壓力為7.9 GPa，鋼凹深度為0.73 mm。

圖12 高斯點測試結果

仿真得到的鋼凹深度大于試驗測試的鋼凹深度。分析仿真結果和試驗結果誤差來源可知，實際上炸藥起爆需要經過燃燒轉爆轟的成長過程，而激光起爆仿真模型沒有考慮炸藥起爆燃燒轉爆轟過程。仿真過程增加了炸藥起爆輸出威力，得到的炸藥爆轟壓力大于實際輸出壓力，鋼凹深度也大于試驗測試值。因此，文中采用AUTODYN軟件對激光起爆過程進行仿真，只能定性得出起爆后起爆器和鋼塊的變形情況，對激光起爆過程進行定量分析還有待進一步開展研究。

4 結論

為研究半導體激光直接起爆炸藥的可行性，文中開展半導體激光起爆技術的試驗與仿真研究。通過搭建激光起爆系統，開展了摻雜1%碳黑的PETN激光起爆試驗，并通過AUTODYN軟件對激光起爆燃燒轉爆轟過程進行仿真研究。主要結論如下：

1)設計了實用性半導體激光起爆系統，該系統能成功起爆摻雜1%碳黑的PETN，驗證了半導體激光直接起爆炸藥的可行性。

2)采用AUTODYN軟件建立了激光起爆過程的仿真模型。仿真能模擬激光起爆后殼體變形情況，但不能定量分析激光起爆輸出過程。