激光銷毀危險(xiǎn)爆炸物應(yīng)用研究進(jìn)展

宋桂飛，李良春，王韶光，夏福君

(軍械工程學(xué)院軍械技術(shù)研究所，河北石家莊050000)

1 引言

在報(bào)廢彈藥銷毀、未爆彈排除過程中，通常采用炸藥包殉爆方法將目標(biāo)彈藥進(jìn)行引爆處理。這種方法勤務(wù)環(huán)節(jié)多，直接接觸雷管、導(dǎo)爆索等火工品，安全系數(shù)較低。采用激光銷毀危險(xiǎn)爆炸物最突出特點(diǎn)在于遠(yuǎn)距離快速銷毀，避免了人員直接接觸危險(xiǎn)爆炸物、雷管、導(dǎo)爆索等爆炸性物品，提高了操作安全性。為探索危險(xiǎn)爆炸物炸毀新模式，介紹了當(dāng)前激光銷毀危險(xiǎn)爆炸物系統(tǒng)最新研究進(jìn)展，對(duì)激光銷毀危險(xiǎn)爆炸物發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

2 激光銷毀危險(xiǎn)爆炸物系統(tǒng)研究進(jìn)展

目前，美國(guó)在激光銷毀彈藥研究領(lǐng)域走在世界前列，成功開發(fā)了悍馬激光彈藥銷毀系統(tǒng)(宙斯)和激光復(fù)仇者武器系統(tǒng)，正在研究更強(qiáng)大功能的固體熱容激光器反UXO(未爆彈)和IED(簡(jiǎn)易爆炸裝置)系統(tǒng)，它們顯著的特點(diǎn)是:非接觸、遠(yuǎn)距離、低爆轟和高機(jī)動(dòng)。我國(guó)也在積極跟蹤激光銷毀地雷、危險(xiǎn)彈藥研究，結(jié)合地雷、危險(xiǎn)彈藥銷毀工程實(shí)際，提出了利用激光打孔銷毀地雷或彈丸裝藥、激光點(diǎn)火間接銷毀彈藥、激光輻照直接銷毀彈藥等想法。

2．1 “宙斯”—悍馬激光彈藥銷毀系統(tǒng)(Zeus)

美國(guó)開發(fā)的悍馬激光彈藥銷毀系統(tǒng)，通常稱為“宙斯”［1－2］，它是將中、高功率固體激光器和束控系統(tǒng)集成進(jìn)悍馬車，用于排除地表地雷、UXO和IED的武器系統(tǒng)。

宙斯系統(tǒng)由高功率激光器、束定向器、標(biāo)記激光器、彩色視頻相機(jī)、控制臺(tái)和相應(yīng)的支持系統(tǒng)組成，前4個(gè)部件安裝在一個(gè)用萬向架固定的平臺(tái)上。整個(gè)系統(tǒng)都集成進(jìn)一輛悍馬車內(nèi)。宙斯系統(tǒng)的所有部件都采用了現(xiàn)有的商業(yè)產(chǎn)品。

宙斯系統(tǒng)的工作原理是:利用視頻相機(jī)偵察發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，用控制手柄旋轉(zhuǎn)和傾斜相機(jī)，直到目標(biāo)處在電視屏幕的中心，然后將綠色標(biāo)記激光射向目標(biāo)并選擇瞄準(zhǔn)點(diǎn)。由于視頻相機(jī)與激光器和束定向器處在同一視軸上，所以當(dāng)目標(biāo)處在電視屏幕的中心時(shí)，激光器和束定向器就瞄準(zhǔn)了目標(biāo)。從距離目標(biāo)25～300 m處，高能激光器產(chǎn)生的光束通過束定向器聚焦加熱目標(biāo)彈藥(在發(fā)展試驗(yàn)中，該系統(tǒng)還摧毀了一個(gè)1200 m外的目標(biāo))，使其裝填的炸藥著火并開始燃燒，最后目標(biāo)彈藥以低效率爆炸而被清除，這種方式可使銷毀引起的間接破壞減少到最小，并能夠通過對(duì)激光能量的調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸效果的控制。宙斯系統(tǒng)排除1個(gè)UXO需要5s～4 min，平均不超過30 s，其機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，可用C－17與C－130運(yùn)輸機(jī)空運(yùn)，也可用直升機(jī)空投。

宙斯系統(tǒng)從1986年開始立項(xiàng)，采用的激光源經(jīng)過了大約1600種試驗(yàn)，其研究歷程如表1所示。

表1 宙斯系統(tǒng)激光器研究歷程Tab．1 Research course of zeus laser

2．2 采用固體熱容激光器的反UXO和IED系統(tǒng)

美國(guó)能源部利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室在成功開發(fā)高功率的固體熱容激光器(SSHCL)后，提出了用激光排除UXO和IED和掩埋地雷的設(shè)想［1－2］。首先用探測(cè)裝置查明地雷、UXO或IED的位置;然后用脈沖激光照射，使其在地下、水中引起微爆，掘去地雷上面的土壤或燒穿帆布、植物等其他覆蓋物，使目標(biāo)暴露出來;最后用激光再加熱或燒穿地雷的外殼，引起內(nèi)部炸藥產(chǎn)生低效率的爆炸，從而清除目標(biāo)。操作員通過控制，可以容易地選擇不同的光束功率和光斑尺寸，能夠最佳地實(shí)現(xiàn)掘土和引爆這兩個(gè)過程。利弗莫爾用1．5 kW 的 SSHCL(3 Hz，500 J/脈沖)進(jìn)行了掘土實(shí)驗(yàn)，激光脈沖產(chǎn)生了驚人的微爆效應(yīng)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表2 激光掘土實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab．2 Test results of laser dug

利弗莫爾還對(duì)激光銷毀地雷進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。用1．5 kW的激光束照射實(shí)際地雷的塑料外殼，3～4 s后，外殼很容易就被燒穿了;用 21 kW 的SSHCL照射一個(gè)厚1 cm的鋼試件，在7 s時(shí)(激光器關(guān)閉之后3 s)，鋼試件背面的溫度升至750℃;用25 kW的SSHCL產(chǎn)生的光束聚焦到厚1 cm的鋁試件上，在不到3 s的時(shí)間內(nèi)，鋁試件被燒穿為直徑3 cm的孔。

2．3 激光掃雷研究

國(guó)內(nèi)工程兵第一研究所曾經(jīng)和中科院上海光機(jī)所合作進(jìn)行過激光掃雷初步探索［3］，但由于所利用的二氧化碳激光器過于龐大，而無法進(jìn)行工程化應(yīng)用而最終放棄。2007年7月，中國(guó)兵器裝備研究院聯(lián)合工程兵第一研究所對(duì)光纖激光器進(jìn)行了適用于車載銷毀地雷系統(tǒng)工程化研究，研究了引起TNT、RDX及梯黑裝藥燃燒/爆炸的激光參數(shù)閾值，并開展了大功率光纖激光器銷毀金屬和塑料殼地雷的原理性試驗(yàn)研究。試驗(yàn)采用的光纖激光器功率為300 W，在距離激光器30 m處，實(shí)現(xiàn)了對(duì)3 mm塑料和金屬地雷殼體的穿透;在平均20 s時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壁厚3 mm的混合裝藥試驗(yàn)雷的點(diǎn)燃。目前，正在對(duì)千瓦樣機(jī)進(jìn)行小型化和各分系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，以滿足照射100 m左右的地雷和未爆彈試驗(yàn)需求。

2．4 激光點(diǎn)火式聚能射流銷毀彈藥研究

軍械技術(shù)研究所開展了激光點(diǎn)火式聚能射流銷毀彈藥試驗(yàn)研究［4］，其設(shè)計(jì)的新型激光引爆彈藥裝置銷毀廢舊彈藥的基本原理和過程是:激光器產(chǎn)生的激光，點(diǎn)火引爆導(dǎo)爆管并穩(wěn)定傳輸爆轟，進(jìn)而起爆聚能裝藥，聚能裝藥爆炸使藥型罩形成的高溫高速金屬射流侵徹彈體，消耗一定射流后，剩余的金屬射流繼續(xù)侵徹引爆彈丸裝藥，從而實(shí)現(xiàn)彈丸爆炸，達(dá)到銷毀目的。該裝置主要由激光點(diǎn)火系統(tǒng)、導(dǎo)爆管爆轟傳輸系統(tǒng)和聚能起爆器三大部分組成。利用該裝置進(jìn)行了實(shí)彈銷毀試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。該裝置銷毀危險(xiǎn)彈藥最突出的優(yōu)點(diǎn)在于其可靠的激光點(diǎn)火能力和強(qiáng)大的射流侵徹能力，較好地集成應(yīng)用了激光點(diǎn)火技術(shù)與聚能效應(yīng)，能夠滿足當(dāng)前列裝彈藥遠(yuǎn)距離銷毀需求，不足之處在于選用的二氧化碳激光器體積過于龐大，電源與冷卻系統(tǒng)沒有較好地優(yōu)化，機(jī)動(dòng)性較低。

表3 激光點(diǎn)火式聚能射流銷毀彈藥試驗(yàn)結(jié)果Tab．3 Test results of shaped charge jet penetrating ammunition by laser ignition

2．5 激光直接銷毀報(bào)廢彈藥研究

總裝通用彈藥導(dǎo)彈質(zhì)量監(jiān)控和保障技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開展了激光直接銷毀報(bào)廢彈藥試驗(yàn)探索研究［5］，采用400 W連續(xù)光纖激光器，通過激光輻照彈體試驗(yàn)，研究不同特征參數(shù)的激光對(duì)不同材質(zhì)、不同壁厚彈體輻照效應(yīng)的影響，并利用炸藥爆發(fā)點(diǎn)評(píng)估激光輻照彈體作用效果。其試驗(yàn)基本原理是:激光通過光束控制系統(tǒng)輻照到試驗(yàn)樣品上，調(diào)節(jié)透鏡與試驗(yàn)樣品之間的距離，從而改變樣品表面上的光斑尺寸，激光與試驗(yàn)樣品相互作用，使樣品溫度升高，用功率計(jì)測(cè)量激光功率，用熱電偶測(cè)量激光輻照樣品背面溫度，從溫度記錄儀上讀取溫度。試驗(yàn)表明:當(dāng)激光功率密度達(dá)到1379 W/cm2，輻照時(shí)間為80 s時(shí)，試驗(yàn)樣品溫度達(dá)到303．9℃;若以 TNT 5 min延滯期爆發(fā)點(diǎn)溫度290℃，RDX 5 min延滯期爆發(fā)點(diǎn)溫度230℃為評(píng)估指標(biāo)，假設(shè)試驗(yàn)樣品溫度達(dá)到炸藥爆發(fā)點(diǎn)溫度時(shí)，認(rèn)為與試驗(yàn)樣品接觸的炸藥發(fā)生爆炸，則在上述試驗(yàn)條件下激光輻照彈藥將發(fā)生爆炸。

3 激光銷毀危險(xiǎn)爆炸物未來發(fā)展動(dòng)向

3．1 向危險(xiǎn)彈藥銷毀領(lǐng)域拓展

目前，宙斯系統(tǒng)主要針對(duì)路邊炸彈、淺表地雷、簡(jiǎn)易爆炸裝置等戰(zhàn)場(chǎng)恐怖爆炸物。與制式彈藥相比，這些危險(xiǎn)爆炸物一般外殼為強(qiáng)度較低的金屬，有的還是塑料材質(zhì)，且壁厚較薄，裝藥量較少，利用目前的激光器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其銷毀。然而隨著國(guó)防科技的迅速發(fā)展，在彈藥科研生產(chǎn)、兵器試驗(yàn)、部隊(duì)訓(xùn)練、野外演習(xí)、勤務(wù)處理、修理處廢、后方倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存供應(yīng)保障以及地方基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不同姿態(tài)不同狀態(tài)不同地形條件下的射擊未爆彈、跌落彈藥、事故彈藥、技術(shù)處理障礙彈藥以及歷史遺留的舊雜式彈藥和不明技術(shù)狀況危險(xiǎn)爆炸物。這些危險(xiǎn)彈藥通常采用炸藥包殉爆方式銷毀，存在著較大的安全隱患。因此，長(zhǎng)期以來，安全高效環(huán)保地處理危險(xiǎn)彈藥一直是國(guó)內(nèi)彈藥銷毀領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。利用激光銷毀危險(xiǎn)彈藥將開創(chuàng)危險(xiǎn)彈藥銷毀新模式，推動(dòng)銷毀手段革新。

3．2 實(shí)現(xiàn)車載激光器工程化設(shè)計(jì)

光纖激光器是近幾年激光領(lǐng)域人們關(guān)注的熱點(diǎn)之一［6］。在同樣的輸出功率下，光纖激光器的光束質(zhì)量、散熱特性、光傳遞特性、可靠性和體積大小等都占有優(yōu)勢(shì)，易于實(shí)現(xiàn)高效率和高功率。采用更大功率的光纖激光器不僅能夠銷毀口徑更大、彈體更厚、彈丸裝藥感度更低的報(bào)廢彈藥，而且能夠從更遠(yuǎn)距離銷毀危險(xiǎn)彈藥，提高銷毀效率。隨著實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練力度加大和兵器試驗(yàn)深入開展，山地、叢林、灘涂、高原高寒地區(qū)等復(fù)雜地域環(huán)境產(chǎn)生未爆彈藥、地雷、爆破器材等危險(xiǎn)爆炸物的幾率加大，提高危險(xiǎn)爆炸物銷毀的機(jī)動(dòng)性日益突出。光纖激光器由于器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小巧，使用靈活方便，使車載激光器工程化設(shè)計(jì)成為可能。

3．3 激光與危險(xiǎn)爆炸物作用機(jī)理研究

目前，一般從激光與材料相互作用出發(fā)，認(rèn)為激光對(duì)危險(xiǎn)爆炸物作用主要以熱機(jī)理為主。在這方面，國(guó)內(nèi)研究集中在激光與裸露裝藥相互作用，較少關(guān)注激光與帶殼裝藥相互作用，而對(duì)于激光直接銷毀危險(xiǎn)爆炸物作用機(jī)理研究鮮見報(bào)道。激光與危險(xiǎn)爆炸物作用機(jī)理研究是一個(gè)復(fù)雜的熱物理過程，涉及光學(xué)、熱學(xué)、材料力學(xué)、爆炸力學(xué)等多個(gè)學(xué)科專業(yè)，需要綜合運(yùn)用現(xiàn)有研究成果和研究手段，從多角度多層面分析研究，特別要關(guān)注激光侵徹彈體過程中，激光作用對(duì)彈丸裝藥的影響，著力探索激光引爆與引燃銷毀危險(xiǎn)爆炸物的臨界條件，這是實(shí)現(xiàn)激光銷毀危險(xiǎn)爆炸物關(guān)鍵所在。

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