彈射座椅激光點(diǎn)火程控器光路通斷檢測和點(diǎn)火時序研究

李帥 吳洪偉 李志剛 康俊峰 賀愛鋒 曹椿強(qiáng) 井波

摘 要：激光點(diǎn)火由于具有防靜電、抗電磁干擾和安全性高的優(yōu)點(diǎn)，在軍事、航空、航天等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。本文主要針對激光點(diǎn)火在彈射座椅中的工程應(yīng)用可行性及相關(guān)關(guān)鍵點(diǎn)火參數(shù)的選擇進(jìn)行理論與試驗(yàn)對比研究。利用有限元分析軟件內(nèi)置的物質(zhì)與激光相互作用模型建立激光對奧克托金（HMX）炸藥起爆過程火藥溫度分布的仿真模型，并進(jìn)行激光起爆試驗(yàn)，起爆時間和溫度分布模擬預(yù)測和試驗(yàn)結(jié)果基本相符；對檢測方法進(jìn)行改進(jìn)，采用雙波長激光器和2×1耦合器實(shí)現(xiàn)對全光路通斷的檢測；通過九路激光器的同時檢測，實(shí)現(xiàn)激光信號傳輸時序的檢測，試驗(yàn)結(jié)果滿足彈射座椅九路點(diǎn)火總時間小于 1s的要求。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了高低溫條件下實(shí)際點(diǎn)火試驗(yàn)，完成了激光起爆，首次對多路激光點(diǎn)火時序進(jìn)行研究，點(diǎn)火時序滿足工程化應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，該新型激光點(diǎn)火程控器可直接應(yīng)用在彈射座椅上，驗(yàn)證了激光點(diǎn)火在防護(hù)救生領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。

關(guān)鍵詞：激光點(diǎn)火； 光路檢測； 點(diǎn)火時序； 程控器

中圖分類號：V211.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.03.015

基金項(xiàng)目： 航空科學(xué)基金（2019ZC010001）

目前，國內(nèi)彈射座椅防護(hù)救生領(lǐng)域[1-2]多采用電信號傳輸?shù)姆绞郊ぐl(fā)火工品，該點(diǎn)火方式容易受到電磁波、雷電、靜電、射頻等信號的干擾，會引起火工品的誤觸發(fā)[3-4]；且火藥與半導(dǎo)體橋直接接觸，長時間存放，容易造成火藥和半導(dǎo)體橋材質(zhì)變性，造成點(diǎn)火失效，因此迫切需要一種抗電磁干擾能力強(qiáng)、隔離度好、安全性高、能量可調(diào)節(jié)的傳輸技術(shù)[5-6]。激光點(diǎn)火技術(shù)在此背景下成功應(yīng)用于該領(lǐng)域。激光傳輸技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢，（1）激光火工品的鈍感藥劑僅對特定波長范圍的激光敏感，只有點(diǎn)火裝置出射的激光容易實(shí)現(xiàn)對其觸發(fā)，其他波長的光能量和熱能量都很難實(shí)現(xiàn)對其爆燃，提高了安全性；（2）激光傳輸采用全光纖傳輸，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火激光裝置和火藥的完全分離，激光火工品完全密封在藥劑盒內(nèi)部，火藥內(nèi)不存在半導(dǎo)體橋，激光火工品加工和貯存方便持久，且點(diǎn)火激光能量可調(diào)節(jié)，在火藥部分失效的情況下仍可以采用增加激光能量的手段來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火[7-9]。因此，未來彈射座椅防護(hù)救生領(lǐng)域采用激光傳輸技術(shù)，將提升我軍在復(fù)雜電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)能力、戰(zhàn)場生存能力，這對實(shí)現(xiàn)國防現(xiàn)代化具有重要意義[10]。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，需要采用多級光纜將激光器和火工品連接到一起，實(shí)現(xiàn)激光信號從激光器到火工品的傳輸，為了便于操作和具有重復(fù)性，需要具有可插拔結(jié)構(gòu)。如本文采用的具有能夠插拔的圓形帶螺紋（FC）光纖頭進(jìn)行逐級連接，而這種圓形帶螺紋接頭由于污染和誤操作，容易發(fā)生由端面污損和光纖折斷造成的光信號損失，從而導(dǎo)致整個傳輸光路的完整性受到破壞，造成系統(tǒng)功能異常，不能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火[11-12]。因此為了保證激光點(diǎn)火系統(tǒng)的工作可靠性，需要在點(diǎn)火前，在確保不發(fā)火的情況下，對整個點(diǎn)火系統(tǒng)的光學(xué)通路進(jìn)行安全的在線檢測[13]。目前，激光點(diǎn)火系統(tǒng)的自診斷技術(shù)已經(jīng)有很多研究[14-16]，本文基于雙波長激光器和2×1光纖耦合器實(shí)現(xiàn)自診斷，即半導(dǎo)體激光器除了發(fā)射點(diǎn)火激光外，還能發(fā)射檢測激光，利用耦合器和火藥端面的波長鍍膜處理，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火控制系統(tǒng)中整體光路檢測。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 單路激光點(diǎn)火檢測裝置

單路激光點(diǎn)火檢測裝置主要由雙波長半導(dǎo)體激光器及其驅(qū)動電源、光纖耦合器、激光起爆器等部分組成，如圖1所示。雙波長半導(dǎo)體激光器在驅(qū)動電源的激勵下能夠發(fā)射波長為915nm的點(diǎn)火主激光和波長為1310nm的檢測激光。光纖耦合器為2×1拉錐耦合器，用于主激光和檢測激光的傳輸。激光起爆器由光學(xué)窗口和封裝的火藥構(gòu)成，窗口的格林透鏡將點(diǎn)火主激光透過后匯聚于火藥劑表面；光學(xué)窗口鍍雙色膜，915nm點(diǎn)火主激光增透和1310nm檢測激光全反。

單路激光點(diǎn)火檢測裝置的工作原理為：雙波長半導(dǎo)體激光器出射的915nm點(diǎn)火主激光和1310nm檢測激光一起入射到耦合器端口1的光纖。自檢時激光器發(fā)出小功率的檢測光，經(jīng)耦合器進(jìn)入起爆器，起爆器光學(xué)窗口的鍍膜將檢測激光反射回拉錐耦合器，然后大部分1310nm檢測激光不能返回原路，而是返回到光纖耦合PD探測的檢測端口2，實(shí)現(xiàn)對1310nm激光的檢測，根據(jù)光電探測器電信號判斷光路的通斷。點(diǎn)火時，激光器發(fā)出大功率的點(diǎn)火激光，經(jīng)耦合器進(jìn)入起爆器，然后由起爆器端面格林透鏡將點(diǎn)火主激光透過后匯聚于火藥劑表面，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。

1.2 半導(dǎo)體激光器參數(shù)

半導(dǎo)體激光器在常溫25℃下，其輸出激光波長為915nm，額定工作電流為11A，額定輸出功率為10W，電光轉(zhuǎn)換效率大于50%，波長溫漂系數(shù)為0.28nm/℃，采用的點(diǎn)火炸藥的吸收系數(shù)對該波長變化不敏感，在整個溫漂范圍內(nèi)895～930nm都有幾乎恒定的吸收系數(shù)0.9。

1.3 火藥參數(shù)

HMX炸藥的物理性質(zhì)和熱力學(xué)參數(shù)見表1。

2 單路激光點(diǎn)火理論模擬分析與試驗(yàn)

2.1 單路激光點(diǎn)火理論模擬

本文對單路激光點(diǎn)火進(jìn)行研究，主要利用有限元分析軟件對光與火藥作用進(jìn)行溫度變化的模擬。有限元分析軟件能夠?qū)崿F(xiàn)任意多物理場直接耦合分析，由于被加熱物體和激光光斑尺寸都遠(yuǎn)大于波長，因此使用 Beer-Lambert 定律來模擬材料內(nèi)激光的吸收現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對光場吸收和溫度場分布的模擬。Beer-Lambert 定律是光吸收的基本定律，適用于所有的電磁輻射和所有的吸光物質(zhì)，其基本模型為光照射到吸收介質(zhì)表面，在通過一定厚度的介質(zhì)后，由于吸收的效應(yīng)，透射的光強(qiáng)會減弱，吸收系數(shù)和介質(zhì)厚度越大，則光強(qiáng)減弱越明顯。材料內(nèi)部的溫度分布又可以通過吸收光能量產(chǎn)生的熱源進(jìn)行偏微分求得，將上述激光功率和材料參數(shù)直接填入軟件的核心功能模擬模塊即可實(shí)現(xiàn)熱分布的模擬。

根據(jù)試驗(yàn)條件建立簡化的激光起爆仿真模型，起爆藥密封為軸對稱結(jié)構(gòu)，藥面直徑為3mm，藥厚4mm，相關(guān)的熱力學(xué)參數(shù)與表1相同。模擬采用的光源參數(shù)與實(shí)際光源參數(shù)相同，激光經(jīng)整形系統(tǒng)被聚焦至圓柱火藥的中心，激光光斑大小為微米量級。由于炸藥表面不能將激光完全吸收，因此不僅端面存在溫升，在炸藥內(nèi)部也存在溫升點(diǎn)。

模擬的結(jié)果顯示，采用脈沖半導(dǎo)體激光器照射，300μs后火藥表面及內(nèi)部的溫度分布如圖2所示，從圖2中可以看出，能量相對分散，但中心溫度接近600K，超過點(diǎn)火溫度。火藥內(nèi)部隨時間的變化趨勢如圖3所示，從曲線可以看出，溫度一直隨時間的增加不斷升高，且增長效率逐漸降低，但在300μs后的最高溫度達(dá)到590K，根據(jù)火藥溫升的時間特性以及HMX炸藥的點(diǎn)火溫度為560K，可以估算大概在260μs后達(dá)到點(diǎn)火溫度，實(shí)現(xiàn)起爆。

2.2 單路激光點(diǎn)火理論試驗(yàn)

由于點(diǎn)火采用密封結(jié)構(gòu)，激光封閉在火藥殼體內(nèi)，在實(shí)際點(diǎn)火時不能同時測定出光和起爆的時刻，但激光器上電的時刻、在不加火藥密封結(jié)構(gòu)的情況下，上電后激光發(fā)射的時刻以及上電后火藥起爆的時刻都可以檢測到，因此需要采用間接的方法來測定激光發(fā)射多久后火藥可實(shí)現(xiàn)起爆。試驗(yàn)通過光電探測器探測激光的輸出和火藥爆炸的時間特性，將激光輸出的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，作為激光輸出開始的信號；同時含能材料被點(diǎn)燃而產(chǎn)生光信號，光信號同樣轉(zhuǎn)換成電信號，同樣傳輸?shù)酵皇静ㄆ魃?，確定火藥點(diǎn)火時刻，以上電為同一時間起點(diǎn)進(jìn)行檢測，分別測定出射激光和起爆的時間間隔，利用起爆時間間隔減去出光的時間間隔即為激光開始照射火藥到火藥起爆的時間，由此研究含能材料激光點(diǎn)火所用時間和隨各種條件的變化規(guī)律。試驗(yàn)裝置由上位機(jī)控制軟件、激光電源、激光器、 空間光路、炸藥、示波器和光電探測器構(gòu)成，如圖4所示。

首先測試了在不加火藥的情況下，通過光電探測器和示波器測定激光器從上電開始到達(dá)到最高功率的時間參數(shù)，確定上電到激光發(fā)射的時間間隔，如圖5所示，綠色曲線為脈沖半導(dǎo)體激光器的上電信號，黃色曲線為半導(dǎo)體激光輸出激光信號，由測定結(jié)果可知，上電10μs后激光器開始輸出激光，經(jīng)過20μs后輸出功率達(dá)到峰值。

然后將封裝好的火藥接入光路中，此時光電探測器只能探測火藥爆炸產(chǎn)生的光信號。測定結(jié)果如圖6所示，綠色曲線為上電信號，黃色曲線為火藥起爆后探測的爆炸光信號，由此可知上電282μs后起爆，由于上電后延時不能即刻出光，而是在上電10μs后才有激光產(chǎn)生，相當(dāng)于激光照射火藥272μs后火藥起爆。測試的結(jié)果272μs與理論模擬的260μs起爆時間接近。

3 單路光功率雙波長檢測

在實(shí)現(xiàn)單路點(diǎn)火后，實(shí)際工程應(yīng)用中還需要對點(diǎn)火狀態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)檢測。為了實(shí)現(xiàn)全光路通斷的檢測，將雙波長激光器、耦合器、光纖耦合探測器PD通過光纖熔接機(jī)連接到一起，耦合器輸出端通過FC頭與未裝藥起爆器連接到一起，通過控制1310nm激光電流，檢測PD輸出端電壓，從而實(shí)現(xiàn)對整體光路通斷的檢測。

從圖7可以看出，1310nm探測激光的輸出功率隨著電流的增大不斷增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)最高40mA工作電流時，輸出功率800μW。PD兩端的電壓隨著電流不斷增加，增加到30mA時達(dá)到飽和，最大電壓為3.7V。因此在實(shí)際檢測時，將檢測電流設(shè)定為25mA。

為了實(shí)現(xiàn)工程化一致性，對6個未裝火藥的激光點(diǎn)火器進(jìn)行了測試，在相同電流下，輸出電壓見表2，不同的激光點(diǎn)火器在相同電流下，探測到的反饋電壓為1.0～1.1V，對應(yīng)輸出功率差異在±5%范圍內(nèi)，由此可見激光點(diǎn)火器光學(xué)特性的一致性較強(qiáng)，滿足工程化需求。

4 激光點(diǎn)火程控器多路點(diǎn)火激光檢測

在實(shí)際工程應(yīng)用中，彈射座椅主要由程控器、彈射動力裝置、電氣系統(tǒng)組成。其中程控器是信號傳輸與安全救生的核心控制系統(tǒng)，其控制彈射座椅多路點(diǎn)火的工作時機(jī)。在實(shí)現(xiàn)接口兼容的條件下，完成了現(xiàn)有電子式程控器的貫改，現(xiàn)有程控器體積為403mm×105mm×73mm，因此需要在該體積范圍內(nèi)，將目前多路電信號傳輸方式的程控器改裝成多路激光信號傳輸?shù)姆绞?，?shí)現(xiàn)多路激光點(diǎn)火程控器的總體設(shè)計和裝配，整體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

在滿足體積要求的條件下，還需要測定多路激光點(diǎn)火的能量和時序特性。測定各路激光輸出功率的試驗(yàn)裝置由激光點(diǎn)火程控器、光纖、光纖法蘭和能量計組成。其示意圖如圖9所示，測試了激光器的輸出能量，見表3。

為了實(shí)現(xiàn)程控器9路915nm點(diǎn)火激光時序的測試，設(shè)計和加工了時序檢測裝置，如圖10所示。將程控器的9個輸出端，通過兩端都為FC頭的光纖連接到時序測試裝置，通過該裝置測試9路激光的點(diǎn)火時序，獲得的時序如圖11所示，每路間隔100ms，總共時間800ms，9路點(diǎn)火總時間小于1s，滿足需求。

5 環(huán)境試驗(yàn)后的激光點(diǎn)火試驗(yàn)

5.1 測試條件

激光點(diǎn)火程控器和激光點(diǎn)火器滿足點(diǎn)火需求和實(shí)現(xiàn)原理驗(yàn)證后，其工程化應(yīng)用還需要滿足其特殊的環(huán)境適應(yīng)性，主要包括高低溫環(huán)境和振動環(huán)境，根據(jù)實(shí)際檢測標(biāo)準(zhǔn)，對程控器和激光點(diǎn)火器進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)，在-55℃±2℃和70℃±2℃進(jìn)行振動試驗(yàn)，其功能試驗(yàn)每軸向持續(xù)時間為1h，試驗(yàn)量值0.1g2/Hz，耐久試驗(yàn)每軸向持續(xù)3h，試驗(yàn)值為0.16g2/ Hz，振動試驗(yàn)完成后，將程控器和激光點(diǎn)火器在70℃±2℃和-55℃±2℃的溫箱中貯存2h，從溫箱拿出來后通過光纖連接激光點(diǎn)火器，直接進(jìn)行激光點(diǎn)火試驗(yàn)，并測量其點(diǎn)火時序，由此確定該系統(tǒng)的工程化程度和可行性。由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)只有6臺防爆箱，因此在高低溫、振動試驗(yàn)結(jié)束后，僅針對不同組合的6路激光輸出進(jìn)行點(diǎn)火時序的測試，通過撥動點(diǎn)火開關(guān)（以代替彈射座椅的中央拉環(huán)信號），程控器按照特定時序輸出點(diǎn)火激光，其時序通過軟件可調(diào)。

5.2 測試結(jié)果

選定了第1路的激光輸出作為起始信號：程控器共有9路輸出，第1路點(diǎn)火由硬件電路控制，點(diǎn)火脈寬由點(diǎn)火開關(guān)控制，因此點(diǎn)火時間較長，剛好與常溫、高溫、低溫測試的能量830mJ、813mJ、837mJ相吻合，此后的第2～7路激光的點(diǎn)火脈寬由軟件控制，約為50ms，其軟件設(shè)定的每路時序間隔為100ms（暫定），測定了第1路激光信號與第2路的爆炸光的時序間隔，由于點(diǎn)火開關(guān)去抖，占用了5ms，導(dǎo)致第1路激光光信號延遲5ms后輸出，因此第1路和第2路間隔時間約為95ms，點(diǎn)火后探測到的第2～7路的爆炸光的時序間隔約為100ms，如圖12所示，測定高溫試驗(yàn)下的時序滿足彈射試驗(yàn)要求。

選定第2路的激光輸出作為起始信號：程控器共有9路輸出點(diǎn)火，其第2～8路的點(diǎn)火脈寬約為50ms，其軟件設(shè)定的每路時序間隔為100ms，測定了第2路激光信號與第3路的爆炸光的時序間隔，約為100.5ms，其探測到的第3～8路的爆炸光的時序間隔約為100ms，如圖13所示，測定低溫時序滿足彈射試驗(yàn)要求。

6 結(jié)束語

本文從理論和試驗(yàn)兩方面研究了激光點(diǎn)火在彈射座椅中的工程應(yīng)用可行性及相關(guān)關(guān)鍵點(diǎn)火參數(shù)的選擇，主要包括：（1）單路激光點(diǎn)火時間的特性，確定了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的時間；（2）改進(jìn)了檢測方法，采用雙波長的方法，實(shí)現(xiàn)了全光路檢測，避免了現(xiàn)有檢測方法部分檢測可能造成光路檢測不完全不準(zhǔn)確的不足；（3）實(shí)現(xiàn)對多路激光點(diǎn)火程控器裝置點(diǎn)火功率和時序的控制，且經(jīng)過振動和高低溫測試后，輸出性能指標(biāo)穩(wěn)定一致，滿足多路點(diǎn)火的時間要求，達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)。該激光點(diǎn)火程控器裝置基本達(dá)到了工程化應(yīng)用的水平，可供彈射座椅直接使用，為將來軍用火工品由電點(diǎn)火升級為激光點(diǎn)火積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，在國內(nèi)首次報道了多路激光點(diǎn)火和全光路檢測。

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Study on Optical Circuit On-off Detection and Ignition Timing of Laser Ignition Program Controller for Ejection Seat

Li Shuai1， Wu Hongwei1， Li Zhigang1， Kang Junfeng1， He Aifeng2， Cao Chunqiang2， Jing Bo2

1. Aerospace Life-Support Industries Co.，Ltd.， Xiangyang 441003， China

2. Shanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute， Xian 710061， China

Abstract： In this paper， because of the advantages of anti-static， anti-electromagnetic interference and high safety， laser ignition has important application value in military， aviation， space and other fields. The application of laser ignition technology in the ejection seat is researched. The simulation model of temperature distribution of HMX explosive during laser initiation is established by using the interaction model of material and laser in Finite element analysis software， and the laser initiation test is carried out. The simulation prediction of initiation time and temperature distribution is basically consistent with the experimental results. The detection method is improved， and a dual-wavelength laser and a 2×1 coupler are used to detect the on-off of the all-optical path. Through the simultaneous detection of nine laser channels， the detection of laser signal transmission sequence is realized. The test results meet the requirement that the total ignition time of nine channels of ejection seat is less than 1s. On this basis， the actual ignition test under the conditions of high and low temperature is carried out， and the laser initiation is completed， multi-channel laser ignition timing is studied for the first time，the ignition timing meets the standard of engineering application， and the new laser ignition program controller can be directly applied to the ejection seat， the feasibility of laser ignition in the field of protection and lifesaving is verified.

Key Words： laser ignition； optical path detection； ignition timing； program controller