不同光窗激光點(diǎn)火器耐壓性能模擬及發(fā)火試驗(yàn)研究

張志新,王 端,王慶華,付世斌,李 焱,郭 晉,姬宇飛,李 帥,高一隆

(1.中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 太原 030051； 2.駐太原地區(qū)第三軍代室， 太原 030018； 3.長(zhǎng)峰機(jī)電研究所, 西安 710000)

1 引言

隨著戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境和武器系統(tǒng)內(nèi)部電磁兼容環(huán)境的惡化，要求火工品具有抗強(qiáng)電磁干擾能力。為了提高火工品的安全性，火工品技術(shù)從敏感火工品技術(shù)向鈍感火工品技術(shù)方向發(fā)展。在激光點(diǎn)火元件中，因使用低損耗光纖替代導(dǎo)線，進(jìn)而避免了藥劑與電系統(tǒng)的直接接觸。激光點(diǎn)火技術(shù)是利用激光能量轉(zhuǎn)化為熱能引燃藥劑，相較于電點(diǎn)火技術(shù)具有良好的抗電磁、抗靜電干擾能力和安全性。采用激光作為激發(fā)源研究含能材料的點(diǎn)火性能具有輸出能量高、點(diǎn)火時(shí)間和能量可控、不受環(huán)境因素限制、可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)點(diǎn)火等優(yōu)點(diǎn)，此外，Nam-Su Jang等開發(fā)了一種可遠(yuǎn)程操作、低功率的光學(xué)點(diǎn)火器，內(nèi)置聚合物透鏡極大提高光功率密度。由激光器、點(diǎn)火元件、全電子保險(xiǎn)和解保裝置可直接改造為直列式點(diǎn)火系統(tǒng)，使該系統(tǒng)存在固有的安全性。激光點(diǎn)火器一般采用透鏡等玻璃器件作為其能量耦合窗口，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可降低發(fā)火閾值。

激光點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)通常采用光纖尾式結(jié)構(gòu)和光學(xué)窗口式結(jié)構(gòu)。光纖尾式結(jié)構(gòu)是先將激光器的纖尾直接密封進(jìn)殼體，后再壓藥。光學(xué)窗口式結(jié)構(gòu)是將強(qiáng)度和透光性能的較好的材料作為窗口封裝進(jìn)點(diǎn)火器，激光器的尾纖通過(guò)連接器與其連接，這種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單易于操作，光窗的作用既密封藥劑，同時(shí)也保護(hù)光纖不受損傷。光窗材料主要有藍(lán)寶石、K9玻璃、石英玻璃、云母片等。N.V.Pletnev等用焦距25 mm透鏡，通過(guò)藍(lán)寶石和石英窗將輻射聚焦，對(duì)燃燒室內(nèi)的推進(jìn)劑進(jìn)行點(diǎn)火。湛贊等研究了K9玻璃作為光窗材料激光點(diǎn)火的耐壓性能和輸出特性。目前，關(guān)于不同光窗材料激光點(diǎn)火器特性的對(duì)比研究報(bào)道較少。

本文選用藍(lán)寶石、石英玻璃和K9玻璃作為激光點(diǎn)火器光窗材料開展靜力學(xué)仿真與發(fā)火功率試驗(yàn)研究。利用ANSYS仿真軟件建立光學(xué)窗口式激光點(diǎn)火器模型，研究3種材料在不同光窗厚度下光窗受力的影響。同時(shí)搭建由半導(dǎo)體激光器、光纖、激光點(diǎn)火器和防爆箱組成的激光點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，測(cè)得其發(fā)火功率。

2 3種光窗材料不同厚度耐壓性能仿真研究

半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光經(jīng)過(guò)光纖傳輸，通過(guò)聚焦透鏡有效減少光斑的發(fā)散，起到提高激光換能效率的作用，再透過(guò)光窗將激光作用到藥劑表面。窗口要選用強(qiáng)度高、透光性能好的材料置于激光點(diǎn)火器中，保證在收口壓力作用下窗口材料不破損，既保護(hù)光纖頭不受藥劑發(fā)火帶來(lái)?yè)p傷，又能保證有高的透光率。本文研究所用光學(xué)窗口式激光點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光學(xué)窗口式激光點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)示意圖

選用的藍(lán)寶石、石英玻璃和K9玻璃主要物理參數(shù)如表1所示。

表1 藍(lán)寶石、石英玻璃和K9玻璃的主要物理參數(shù)

采用 ANSYS 中 Static Structural 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)模塊對(duì)不同光窗材料激光點(diǎn)火器收口過(guò)程受力情況進(jìn)行仿真。光窗受力主要是光窗上表面受到收口時(shí)豎直向下200 kg 平壓，光窗直徑為8 mm，上表面所受壓強(qiáng)近似等于40 MPa。因此，忽略點(diǎn)火器殼體對(duì)光窗受力的影響，簡(jiǎn)化其模型如圖2所示。對(duì)光窗施加垂直向下的40 MPa壓力，設(shè)置激光點(diǎn)火器殼體表面為固定約束條件，激光點(diǎn)火器殼體為不銹鋼材料。在 Design Modeler 模塊對(duì)光窗和激光點(diǎn)火器殼體進(jìn)行建模，二者都采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量查看顯示節(jié)點(diǎn)數(shù)為 602 785，單元數(shù)為 140 454，網(wǎng)格大小為0.08 mm×0.08 mm×0.08 mm，平均質(zhì)量為0.94。

分別對(duì)3種不同光窗材料厚度從0.8 mm開始，以0.2 mm步長(zhǎng)遞增來(lái)模擬40 MPa收口壓力下，對(duì)光窗應(yīng)力和應(yīng)變的影響。共得到30組數(shù)據(jù)，這里只給出厚度為0.8 mm的藍(lán)寶石、石英玻璃和K9玻璃應(yīng)力與應(yīng)變分布云圖，具體如圖3～圖5所示。

圖2 光窗受力簡(jiǎn)化模型示意圖

圖3 厚度0.8 mm的藍(lán)寶石應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D

圖4 厚度0.8 mm的石英玻璃應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D

仿真結(jié)果顯示，在40 MPa收口壓力下，厚度為0.8 mm的藍(lán)寶石最大應(yīng)力為182.94 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.000 92 mm；厚度為0.8 mm的石英玻璃最大應(yīng)力為253.04 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.005 0 mm；厚度為0.8 mm的K9玻璃最大應(yīng)力為232.59 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.004 0 mm；此外，3種光窗下表面在與殼體接觸的位置都出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，分析其原因?yàn)椋阂环矫嬖谠撎庍M(jìn)行有限元仿真時(shí)采用剛性殼體，此處結(jié)構(gòu)變化急劇，應(yīng)力出現(xiàn)集中；另一方面，二者之間的接觸問(wèn)題使該處的應(yīng)力增大使受力情況變得復(fù)雜；3種光窗材料最大應(yīng)力都小于各自的抗壓強(qiáng)度，其中藍(lán)寶石、石英玻璃和K9玻璃的抗壓強(qiáng)度分別為2 000 MPa、1 100 MPa和690 MPa；光窗幾何中心離支撐位置最遠(yuǎn)，因此在受力的作用時(shí)光窗最大應(yīng)變都出現(xiàn)在光窗幾何中心位置。

圖5 厚度0.8 mm的K9玻璃應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D

對(duì)3種光窗材料仿真得到的30組數(shù)據(jù)通過(guò)Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以直觀比較出3種材料的耐壓性能，圖6為3種光窗材料不同厚度下光窗最大應(yīng)力曲線，圖7為3種材料不同厚度下光窗最大應(yīng)變曲線。

圖6 3種材料不同厚度下光窗最大應(yīng)力曲線

圖7 3種材料不同厚度下光窗最大應(yīng)變曲線

從圖6與圖7可以看出，在壓力一定的條件下，隨著厚度的增加，3種光窗最大應(yīng)力呈減小趨勢(shì)且下降速率基本相同；3種光窗最大應(yīng)變呈減小趨勢(shì)，藍(lán)寶石下降速率最慢，分析其原因?yàn)椋菏⒉ＡcK9玻璃主要成分為SiO，二者微觀結(jié)構(gòu)是由二氧化硅四面體結(jié)構(gòu)單元組成的；而藍(lán)寶石主要成分氧化鋁(AlO)，由3個(gè)氧原子和兩個(gè)鋁原子以共價(jià)鍵型式結(jié)合而成，其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶格結(jié)構(gòu)；密排六方結(jié)構(gòu)致密度大于四面體結(jié)構(gòu)。由此可知，3種光窗材料隨著厚度的增加其耐壓性能都得到提高，藍(lán)寶石光窗材料耐壓性能優(yōu)于K9玻璃和石英玻璃，K9玻璃與石英玻璃二者耐壓性能基本相同。3種光窗材料均可承受40 MPa下的收口壓力。對(duì)之后進(jìn)行發(fā)火試驗(yàn)的24發(fā)樣品(每種材料各8發(fā))，通過(guò)觀察未發(fā)現(xiàn)光窗破損的情況。

3 3種光窗材料對(duì)發(fā)火功率影響試驗(yàn)

本試驗(yàn)所用激光器輸出端聚焦透鏡的焦距為1.5 mm，故選擇1.5 mm厚度的光學(xué)窗口來(lái)研究不同光窗材料對(duì)激光點(diǎn)火器發(fā)火功率的影響。光窗更薄或更厚都無(wú)法更好使激光聚焦到藥劑表面，從而使發(fā)火功率偏高。

3.1 試驗(yàn)儀器與材料

激光器：選用產(chǎn)品型號(hào)為WPL-808 10-30.0W，可調(diào)節(jié)輸出功率，激光器中心波長(zhǎng)808 nm，中心波長(zhǎng)差±10，輸出功率為0～30 W，光譜寬度≤ 3nm，適用光纖連接器SMA905，光纖輸出方式為可插拔；輸入電壓為DC12 V，供電功率<150 W，最小觸發(fā)電流50 mA；工作環(huán)境溫度-40～+60 ℃。

高速攝像機(jī)：MEMRECAM GX-3。

連接光纖：型號(hào)為WPL4-40022-S-L100-S3H。

實(shí)驗(yàn)材料：藍(lán)寶石光學(xué)窗口片、石英玻璃光學(xué)窗口片、K9玻璃光學(xué)窗口片，如圖8所示。

圖8 藍(lán)寶石、石英玻璃、K9玻璃光學(xué)窗口片實(shí)物圖

由半導(dǎo)體激光器、光纖、激光點(diǎn)火器和防爆箱共同組成激光點(diǎn)火系統(tǒng)，來(lái)進(jìn)行發(fā)火功率試驗(yàn)。圖9為激光點(diǎn)火系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖9 激光點(diǎn)火系統(tǒng)實(shí)物圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

質(zhì)量比50/50/5的B/KNO/酚醛樹脂由3部分組成：可燃劑(硼)、氧化劑(硝酸鉀)以及粘結(jié)劑(主要成分為酚醛樹脂)。由于單質(zhì)硼表面較易在空氣中形成三氧化二硼的氧化層，氧化層阻礙了硼系點(diǎn)火藥的點(diǎn)火與燃燒。因此，它是一種不敏感、高安全、高熱值點(diǎn)火藥。美軍標(biāo) MIL-STD-1901A直列式點(diǎn)火系統(tǒng)許用點(diǎn)火藥的規(guī)定，B/KNO是一種直列式許用點(diǎn)火藥，也作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中直列式點(diǎn)火系統(tǒng)典型用藥。本文選用B/KNO，激光點(diǎn)火器中裝藥量為36 mg，壓藥壓力為170 MPa，收口后在光纖接入端觀察確保光窗玻璃片未被壓壞，每種材料各取8發(fā)進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 3種光窗材料激光點(diǎn)火器最小發(fā)火功率及平均功率

由表2中數(shù)據(jù)可知，以石英玻璃作為光學(xué)窗口的激光點(diǎn)火器，在試驗(yàn)中發(fā)火功率最低，平均功率為4.88 W；以K9玻璃作為光學(xué)窗口的激光點(diǎn)火器，在試驗(yàn)中發(fā)火功率高于石英玻璃，平均功率為5.06 W；而以藍(lán)寶石作為光學(xué)窗口的激光點(diǎn)火器，在試驗(yàn)中發(fā)火功率明顯高于前者，平均發(fā)火功率達(dá)到12.69 W。查閱有關(guān)資料，藍(lán)寶石在3 000～5 000 nm波段內(nèi)紅外透過(guò)率可達(dá)85%以上，在808波段透過(guò)率為70%左右，而K9玻璃和石英玻璃在808 nm波段紅外透過(guò)率可達(dá)90%以上。本實(shí)驗(yàn)所用激光器產(chǎn)生中心波長(zhǎng)為808 nm，這是造成藍(lán)寶石作為光學(xué)窗口的激光點(diǎn)火器平均發(fā)火功率高的原因。

為分析B/KNO燃燒反應(yīng)過(guò)程，以石英玻璃作為光窗材料的激光點(diǎn)火器為例，使用高速攝影機(jī)記錄不同時(shí)刻燃燒反應(yīng)狀態(tài)，圖10所示為不同時(shí)刻石英玻璃為光窗材料的激光點(diǎn)火器發(fā)火瞬間場(chǎng)景圖。硼-硝酸鉀點(diǎn)火藥的燃燒反應(yīng)實(shí)際上和硼在富氧環(huán)境下的氧化反應(yīng)一致，硝酸鉀實(shí)際上是供氧劑，即硝酸鉀先于硼顆粒的燃燒而分解為KNO和游離的O，然后硼在富氧環(huán)境下發(fā)生氧化反應(yīng)，即硼的燃燒。由圖10分析得到，裝有石英玻璃的激光點(diǎn)火器在5～15 ms時(shí)間段內(nèi)火焰較弱，這個(gè)過(guò)程發(fā)生在硝酸鉀燃燒的初期，其產(chǎn)生游離氧氣較少，反應(yīng)不充分；在38～62 ms時(shí)間段內(nèi)，火焰較前者明顯增強(qiáng)且伴隨著濃煙產(chǎn)生，并在52 ms時(shí)達(dá)到最大，這是因?yàn)殡S著硝酸鉀的燃燒，該過(guò)程產(chǎn)生游離的氧氣逐漸增多，硼與游離的氧氣發(fā)生充分的反應(yīng)；在68～92 ms時(shí)間段內(nèi)火焰開始減弱，在92 ms時(shí)火焰熄滅反應(yīng)結(jié)束，這個(gè)過(guò)程發(fā)生在反應(yīng)的后期，參與的反應(yīng)物較少，不會(huì)產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的火焰。

圖10 以石英玻璃為光窗材料激光點(diǎn)火器發(fā)火瞬間場(chǎng)景圖

4 結(jié)論

1) 3種光窗材料隨著厚度的增加，其耐壓性能都得到提高，藍(lán)寶石耐壓性能優(yōu)于石英玻璃和K9玻璃，3種光窗材料均可承受40 MPa下的收口壓力且不受破壞。

2) 在壓藥壓力一定的條件下，對(duì)不同光窗材料的激光點(diǎn)火器進(jìn)行發(fā)火功率試驗(yàn)，以石英玻璃為光窗材料的激光點(diǎn)火器平均發(fā)火功率最小，為4.88 W。

3) 藍(lán)寶石窗口耐壓性能雖然較好，但其在本試驗(yàn)中平均發(fā)火功率較高，低能發(fā)火是激光點(diǎn)火技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，石英玻璃與K9玻璃的耐壓性能相近，石英玻璃平均發(fā)火功率和成本更低，綜合考慮石英玻璃為最佳光窗材料。