激光驅(qū)動高效耦合的煙火光開關設計

曹椿強，賀愛鋒，陳建華，井 波，徐奉一

（陜西應用物理化學研究所 應用物理化學國家級重點實驗室，陜西 西安，710061）

隨著高科技軍事技術的不斷發(fā)展，武器系統(tǒng)對高安全性、高可靠性火工品的需求是一種必然趨勢?；鸸て肥俏淦鲝椝幹休^為敏感的部件，應用高安全性、高可靠性火工品能夠提高武器系統(tǒng)的突防性能和毀傷效果。激光火工品技術是采用光纖傳輸激光能量，使裝藥作用而完成輸出功能的。由于光纖、激光火工品不受任何形式的電能作用影響，故能從根本上解決火工品的電磁兼容安全問題[1]。

光開關是激光多路點火起爆系統(tǒng)中必不可少的組成部分，在系統(tǒng)中不僅可以起安保作用而且可以通過它實現(xiàn)程序控制點火起爆功能。但以往的激光點火控制起爆系統(tǒng)中采用了以電驅(qū)動的機械式的光開關作為安保機構，由于其存在抗干擾能力差、啟動時間長、振蕩大等原因，造成激光點火起爆系統(tǒng)的可靠性降低。而激光驅(qū)動煙火光開關是以抗電磁干擾強的激光煙火驅(qū)動方式來實現(xiàn)激光點火起爆系統(tǒng)中光能量的隔斷與傳輸，其不僅比電驅(qū)動機械式光開關的抗干擾能力強、作用時間短，而且避免了電驅(qū)動機械式光開關作用時的瞬間振蕩，可極大提高激光點火起爆系統(tǒng)的可靠性。

1 工作原理

1.1 作用過程分析

激光驅(qū)動煙火光開關是將激光點火技術與精密機械做功機構集成創(chuàng)新而成的較為典型的動力源火工品，激光驅(qū)動煙火光開關由標準輸入接口、激光換能元、裝藥、活塞運動機構、光學耦合機構等組成。該類型火工品采用小型化半導體激光器作為能源，用光纖傳輸激光能量，利用激光的熱效應直接加熱激光敏感藥劑，使其發(fā)生熱分解，形成“熱點”而發(fā)火[2]，點燃輸出裝藥。輸出裝藥燃燒所產(chǎn)生的高溫、高壓氣體推動活塞向后運動實現(xiàn)光路導通或隔斷控制功能。

1.2 受力分析

藥劑燃燒產(chǎn)生的氣體壓力克服產(chǎn)品內(nèi)部活塞的運動阻力。激光驅(qū)動煙火光開關在運動過程中，活塞內(nèi)部運動阻力主要是密封圈與殼體內(nèi)壁的密封阻力、止退機構變形阻力與活塞的運動摩擦阻力。止退機構與活塞之間的受力過程復雜，計算與實際相差甚大，在結構確定后，可通過試驗測定激光驅(qū)動煙火光開關組合件內(nèi)部活塞的運動阻力?；钊\動平均阻力記為F內(nèi)部，所以產(chǎn)品活塞運動所需克服的阻力為[3]：

考慮產(chǎn)品設計應有一定的裕度，取裕度系數(shù)為1.8，則點火器發(fā)火對活塞所產(chǎn)生的氣體壓力為：

在產(chǎn)品作用過程中，活塞運動，激光驅(qū)動煙火光開關容腔體積不斷增加，氣體膨脹做功，溫度隨之不斷下降，容積、溫度是變量。為簡化計算，在估算時按定容情況處理，激光驅(qū)動煙火光開關容腔內(nèi)的爆壓P可表示為

（3）式中：S為激光驅(qū)動煙火光開關活塞受力有效面積，m2。

2 結構設計

2.1 結構組成

激光驅(qū)動煙火光開關由發(fā)火體、金屬殼體、活塞組件、耦合組件和墊圈等零、部件組成，結構如圖1所示。

圖1 激光驅(qū)動煙火光開關結構圖Fig.1 Structure sketch of laser driven pyro-optical switch

2.2 發(fā)火體設計

發(fā)火體是將激光能轉(zhuǎn)化成藥劑燃燒生成大量氣體的部件，為活塞的運動提供動力。發(fā)火體由發(fā)火體殼體、光學窗口與光敏藥劑等部分組成，其結構如圖2所示。

圖2 發(fā)火體結構圖Fig.2 Structure sketch of ignition element mechanism

發(fā)火體接口采用標準FC/PC，可實現(xiàn)與同標準接口光纜插拔對接。發(fā)火體與殼體采用螺紋對接，并用固化膠密封。

2.3 活塞組件設計

活塞是產(chǎn)品完成輸出性能的終端零件，產(chǎn)品作用后應向外運動，使活塞桿上的φ2mm小孔與透鏡對齊，導通光路。因產(chǎn)品外形尺寸限制，活塞桿外徑僅為4.6mm，活塞末端厚度為1.3mm，為提高活塞的可加工性及抗彎曲強度，其材料選用1Cr18Ni9Ti。活塞組件結構見圖3。

圖 3中止退片與活塞之間采用激光焊接方式連接，活塞材料、尺寸、焊接方式確定之后，主要對焊接的各項參數(shù)進行研究，其中焊接激光功率是最為關鍵的一項參數(shù)。激光能量若過高，容易造成止退片受損、被焊穿的現(xiàn)象，降低產(chǎn)品作用過程中活塞抗沖擊強度；激光能量若過低，止退片焊接不牢固，容易使產(chǎn)品在裝配過程中造成止退片脫落，無法對活塞進行位置限制。鑒于此，設計專用工裝以提高止退片的焊接同軸度，并裝配30余發(fā)止退片進行焊接工藝試驗，最終確定止退片的焊接激光功率為500W，經(jīng)多個批產(chǎn)品裝配及試驗驗證，其可以滿足設計要求。

圖3 活塞組件結構圖Fig.3 Structure sketch of components for piston

2.4 耦合部件設計

耦合組件主要由一對光纖準直器、V形槽耦合器、傳輸光纜和光纖接頭組成。耦合組件結構如圖4所示。

圖4 耦合組件結構圖Fig.4 Structure sketch of coupling components

耦合器通過螺釘與光開關殼體連接。耦合器上表面中間有橫截面成90°的V形槽，用來固定光纖準直器，表面要求一定的光潔度，然后將一對光纖準直器順著V形槽的方向用固化膠固定在槽內(nèi)。V形槽正中留有垂直于耦合器本體方向的長圓形通孔，在活塞桿運動時起導向和通道的作用，防止活塞在運動中沿橫向轉(zhuǎn)動而阻斷光路通道。光纖準直器通過固體膠粘結于耦合器的V形槽內(nèi)，且準直器的鏡面端面離耦合器中的長圓形通孔的邊緣 1mm，不能超出，以防活塞桿運動時剮蹭到準直器，V形槽結構可以提高兩個光纖準直器的同軸性，以得到更高的耦合效率。

2.5 裝藥設計

激光驅(qū)動煙火光開關是由激光束作能源的，故始發(fā)裝藥需是激光敏感藥劑，目前應用比較成熟的激光敏感藥劑為摻雜碳黑的BNCP[4]。

按照 GJB 377-87感度試驗用升降法，對裝有BNCP的激光發(fā)火體進行了感度試驗[5]，通過對感度試驗數(shù)據(jù)進行分析，得出BNCP發(fā)火體的99.99%發(fā)火刺激量為0.869mJ，在0.95置信度下，最小全發(fā)火刺激量為1.204mJ，對其進行裕度考慮，BNCP發(fā)火體的激光激發(fā)能量選擇為3.0mJ。

在此基礎上，采用BNCP裝配了12發(fā)不同藥量的產(chǎn)品，進行藥量試驗，試驗結果見表1。

表1 不同裝藥藥量試驗結果Tab.1 Test result of different mass of charge

根據(jù)活塞的運動情況可以看出，BNCP藥量在10～20mg時滿足性能要求，對其進行裝藥裕度考慮，要求減少輸出裝藥藥量（1-20%）及增加輸出裝藥藥量（1＋20%）時，均可以滿足產(chǎn)品輸出功能要求的原則，故BNCP藥量在12.5～16.7mg均滿足使用，定為15mg。

3 激光驅(qū)動煙火光開關性能試驗

采用980nm波長、脈寬10ms半導體激光器，對所試制的激光驅(qū)動煙火光開關按照圖5的發(fā)火試驗裝置進行了發(fā)火試驗，取得的試驗數(shù)據(jù)如表2所示，波形圖如圖6所示。

圖5 發(fā)火試驗系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of firing test system

從表2試驗數(shù)據(jù)可以看出，BNCP裝藥的煙火光開關的導通時間小于 1ms，耦合組件的耦合效率超過85%。

圖6為激光驅(qū)動煙火光開關發(fā)火試驗的波形圖。其中曲線1為激光同步信號，計時起點為曲線1的上升沿，曲線 2為激光驅(qū)動煙火光開關的光路由常閉變常開的輸出信號。從圖6可以看出，激光驅(qū)動煙火光開關在開關打開時無振蕩。

表2 激光驅(qū)動煙火光開關性能試驗結果Tab.2 Result of performance test for laser driven pyro-optical switch

圖6 激光驅(qū)動煙火光開關發(fā)火試驗波形圖Fig.6 Firing test waveform of laser driven pyro-optical switch

4 結論

通過對激光驅(qū)動煙火光開關的分析研究，得出結論：

（1）研制出V形槽式耦合組件結構的激光驅(qū)動煙火光開關，導通后耦合效率大于85%；

（2）BNCP激光感度高、作用快，作用時間小于1ms，且含能材料作用后燃氣壓力能確保導通瞬間無振蕩；

（3）研制了激光驅(qū)動煙火光開關原理樣機，其特點是結構簡單、耦合效率高、穩(wěn)定導通時間短、抗電磁干擾、導通波形振蕩小、抗振動能力強，并可實現(xiàn)標準化。

[1]Wm.David Fahey,Joseph E.Carvalho. Optical built-in- test(bit)for laser (diode) initiation systems[R].AIAA 2002-3797,2002.

[2]蔡瑞嬌.火工品設計原理[M].北京:北京理工大學出版社,1999.

[3]魯建存，張世敏，原樂生，張瑞巧.拔銷器燃動過程分析[J].火工品,1997(1):23-25.

[4]Everett S.Hafenrichter, Bill Marshall and Kevin J.Fleming.Fast laser diode ignition of CP and BNCP[C]//Proceedings of the 29th International Pyrotechnics Seminar. Westminster:2002.

[5]賀愛鋒，陳建華，井波，魯建存. 一種激光感度刺激能量調(diào)節(jié)方法及其計算[C]//智能火工品技術學術研討會論文集.綿陽:中國兵工學會火工煙火分會,2012.