激光点火中含能材料的起爆特性研究

激光点火中含能材料的起爆特性研究
作者：范连材，潘玉田，石强，满建军
来源：《科技创新与生产力》 2014年第5期
范连材，潘玉田，石强，满建军
（中北大学机电工程学院，山西太原 030051）
摘要：激光点火作为一项新型的高科技点火技术，凭借其良好的稳定性已逐步被应用到多个领域。

在激光点火过程中，含能材料的点燃是最重要的部分，通过物理模型和数学模型，对
含能材料在激光作用下的诸多着火特性进行了分析。

关键词：激光点火；含能材料；数学模型
中图分类号：TQ560.72 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2014.05.096 1 激光点火的研究背景
激光点火技术的研究始于20世纪60年代红宝石激光器的成功研制。

20世纪60年代中期，美国能源部最先开始了用激光点火装置取代热电阻点火装置的研究[1]。

20世纪70年代，美国
首先将激光点火技术应用于火炮，而且成功对105 mm火炮进行了激光点火发射试验[2]。

我国
对于激光点火的研究开始于1967年。

南京理工大学对激光点火进行了深入细致的研究，而且成功进行了火炮系统的多点点火技术试验[3]。

大量研究表明，激光点火技术具有稳定性高、温度限制小、操作方便等优点，这些都是普通点火方式所不具备的。

此外，激光点火可以精确有效
地控制点火时间和点火强度，所以更容易实现电控。

2 含能材料对激光点火的重要性
激光点火是利用激光的高能量通过介质的传播达到点燃含能材料的过程。

在激光点火过程中，含能材料的点燃是最终目的。

所以对于含能材料在激光点火中的着火特性的研究显得尤为
重要。

为了充分了解含能材料的激光起爆特性，笔者以热传导理论为基础，首先对含能材料的
起爆过程建立物理模型，然后抽象出数学模型进行求解分析。

3 激光点火过程的物理模型
为了更加直观地表达含能材料的点火过程，笔者对这个过程建立了物理模型。

在模型中，
假设含能材料对入射过来的激光能量包括吸收和反射两部分，含能材料的温度在吸收和反射的
共同作用下逐渐升高，从而达到特定的点火温度。

物理模型的建立可以更加充分的建立数学模型，见图1。

4 激光点火过程中的数学模型
含能材料的激光点火过程很复杂，其点火机理主要有热机理、机械冲击机理、电磁作用和光化学机理。

不同性能的激光和不同的含能材料所产生的机理是不一样的[4]。

激光对含能材料的热机理最受关注[5]。

笔者利用热学的理论对过程建立数学建模。

4.1 热传导微分方程
研究含能材料的着火特性，首先应将激光用热量的形式表现出来并传导给含能材料。

导热物体内部的温度分布规律的方程称为导热微分方程[6]。

在直角坐标系下的形式为
对于没有内热源的导热方程符合拉普拉斯方程
4.2 数学模型的建立
对于均匀的含能材料，假设其各种化学和物理性能在升温过程中保持不变，由热传导理论可知，点火热的能量守恒方程为
式中：ρ为点火药剂密度（kg/m3）；c为药剂比热（J/kg·K）；λ为导热系数（W·m-1·K-1）；Q为药剂的化学反应热（J/kg）；A为频率因子（s-1）；R为普适气体常数（J/（mol·K））；I为射入的激光强度（W/cm2）；f为药剂的反射率；α为样品对激光的吸收系数（1/m）；χ为样品与环境的对流传热系数；Ea为药剂的活化能（J·mol-1）；a0为反应物厚度。

假设激光分布均匀，所以
5 数学模型结果分析
笔者通过对基于热机理的激光点火过程的分析，建立了物理模型和数学模型。

通过对边界条件建立的热传导方程进行计算，可以知道点火临界能量与含能材料各初始参数的关系以及材料表面随时间的关系。

从式（8）可以看出，含能材料表面温度的上升和激光功率是成正比的；激光点火的能量与功率成反比。

由结果可知，在热机理的基础上，提高激光功率可以对激光点火过程产生积极影响。

此外，在激光所输出的能量不变时，减少激光在传输过程中的损耗对改进点火性能有十分重要的意义。

参考文献：
[1] TROTT W M. Studies of Laser-Driven Flyer Acceleration Using Optical Fiber Coupling[R].SAND-91-0148C,1991.
[2] PAISLEY D L,WARNES R H, KOPP R A. Laser-Driven Flat Plate Impacts to 100 GPa With Sub-nanosecond Pulse
duration and resolution For material Property studies[R]. LA-UR-91-3306,1991.
[3] 孙同举,沈瑞琪,戴实之.激光点火过程数值模拟[J].应用激光,1996(3):110-112.
[4] 章冠人,陈大年.凝聚炸药起爆动力学[M].北京:国防工业出版社,1991.
[5] 项仕标.激光点火原理与实践[M].郑州:黄河水利出版社, 2004.
[6] 胡汉平.热传导理论[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2010.
（责任编辑刘婷）。