激光点火技术综述_赵兴海
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发火控制系统主要由传感器 、信息处理系统和发 火装置组成 。信息处理系统根据传感器探测到的环境 信号或目标信息 , 计算判断是否发火 , 并将发火控制信 号传递给发火装置 。
3. 2 保险与解除保险装置 随着技术的进步 , 全电子安全系统迅速崛起 。 全
电子安全系统使用钝感炸药激光点火 , 提高了在生产 , 运输 , 储存等方面的固有安全性 ;系统的响应时间更短 等等优点 , 使其发展前景更加广阔 。
引 言
把激光作为一种 “精密 ”点火源 , 起爆或点燃火工 品的技术 , 即为激光点火技术 。 激光点火是一种安全 、 可靠 、轻便的新型点火技术 , 与常规的电桥丝雷管点火 相比 , 其优点是 :抗干扰能力强 , 避免了电磁波 、静电等 电信号的干扰 ;安全性高 , 实现了炸药 、烟火剂与电源 装置有效隔离及钝感点火 ;技术易于拓展 , 可实现猛炸 药的爆燃转爆轰 、装置小型化和多点起爆功能 。
Βιβλιοθήκη Baidu
Ab strac t:T he princip le o f laser ignition, the basic se tup and recen t p rogress o f la ser ignition system we re summ arized. A ll the m ajor fac to rs affecting lase r ign ition we re discussed. T hen a fram ew ork of a m in im ized mu ltiple-po int laser ignition system is presented, and m ic rodec trom c m ach ine system(M EM S) device w ere introduced into lase r ign ition system, such a sM EM S optica l sw itches andM EM S optica l splitte rs, which could enhance the safe ty and reduce the sy stem size. F ina lly, all the difficulties and prob lem s invo lved in laser ign ition we re o ffe red. A conclusion wa s made that the future re search wo rk should be focused on the
美国军标 M IL-SLD-1316D(引信安全性设计准则 ) 中详细规定了不需要进行隔爆的炸药 , 见表 1[ 10] 。
表 1 M IL-SLD -1316D 须用钝感炸药
炸药 A3 混合炸药 A4 混合炸药 A5 混合炸药 CH-6 混合炸药 PBX 9407炸药 PBXN -5炸药 PBXN -6炸药 D IPAM 炸药 HNS1型或 2 型 A 级炸药
如图 3所示 , 激光快速加热薄膜 , 薄膜在高能量密 度激光 (每平方厘米吉瓦以上 )的照射下 , 产生 高速 、 高温等离子体 , 与炸药作用产生爆炸 。
图 3 激光快速加热金属薄膜的点火装置原理框图
有时薄膜并不能全部等离子化 , 因此炸药和等离 子被剩余的薄膜隔开 , 此时爆炸主要由薄膜最初爆炸 产生的冲击波引起 。 其时间延迟一般为几十纳秒 。
第 31卷 第 3期 2007年 6月
激 光 技 术 LASER TECHNOLOGY
V o .l 31, N o. 3 June, 2007
文章编号 : 1001-3806(2007)03-0306-05
激光点火技术综述
赵兴海 1, 2 ,高 杨 1* ,程永生 1 (1. 中国工程物理研究院 电子工程研究所 , 绵阳 621900;2. 中国工程物理 研究院 研究生部 , 北京 100088)
第 31卷 第 2期
赵兴海 激光点火技术综述
3 07
目前公认的激光点火机理如下 :(1)激光热点火 。 主要通过激光瞬间产生的高能热量 , 点燃引爆药 ;(2) 激光的化学反应点火 。含能材料分子吸收特定频率的 激光光子并发生离解 , 产生的高活性高速离子近一步 引起化学链反应 , 实现点 火 ;(3)激光 的冲击起 爆作 用 ;(4)激光的电离与等离子体点火 。
性能光纤出现 , 耦合技术的发展等使激光点火技术得 到迅速发展 。 20世纪 90年代 , 美国将 其列为重点研 发项目 。 1992年 , 美国军 标 M IL-STD-1901 首次 要求 把激光点火用于直列式点火 。 国外已经把激光点火应 用在航空 , 航天和军事领域 。
激光点火系统需产生 、传输高能量密度的激光 , 受 激光器 、激光器驱动电源 、能量光纤 、高能量密度激光 耦合与分束等技术的制约 , 目前尚难以实现系统的小 型化 。
20世纪 60年代末至 70年代初 , BRISH , M EN ICHELL I等人 率先 介绍 了激 光作 为起爆 源的 使 用[ 1, 2] 。 BR ISH 等人最 先介绍了激光点火 的机理 [ 1] 。 我国从 20世纪 70年代开始研究激光点火的原理 [ 3] , 取得了 一定成绩[ 4] 。
激光能量密度一般为每平方厘米吉瓦以上 , 飞片 速度可达 5km /s。 激光能量转化为飞片动能的耦合效 率只有 40%左右 。飞片尺寸受薄膜材料种类与厚度 、 激光能 量等 因 素影 响 , 直 径一 般 为 数毫 米 , 厚 度 为 1μm ～ 1000μm。
现阶段报道的提高激光能量 ———飞片动能耦合效 率的方法有 :在金属薄膜内填充一层厚度小于 0. 25μm 的介质层 , 可以使飞片动能与激光能量之比达到 50%;在光纤末端直接淀积飞片薄膜 , 由于其简单 、可 靠 、高效 , 已经得到广泛认可 。
激光快速加热与炸药接触的薄膜引爆炸药技术 , 还有很多问题不能合理解释 , 需要更加深入的研究 。 2. 3 激光驱动飞片点火
图 4是激光驱动飞片的点火装置原理框图 。高能 量密度激光照射薄膜 , 薄膜部分等离子化产生高速离 子体 , 驱动薄膜碎片 (飞片 )猛烈撞击炸药起爆 。
图 4 激光驱动飞片的点火装置原理框图
1962 年 , 美国 HALL, NATHAN 和 HOLORNYAK 研制成功半导体 G aA s同质结激光二极管 。激光二极 管代替固体激光器进行激光点火 , 为激光点火装置小 型化提供了美好的前景 。
1 基本原理
图 1是一个利用能量光纤传输激光的激光点火系 统原理框图 。
图 1 利用能量光纤传输激光的激光点火系统原理框图
飞片加速度可达 10Gm /s2, 并且在 20ns内加速到 最大速度的 90%。 测试飞片速度可采 用激光速度干 涉仪 (V ISAR)或光记录的激光速度干涉仪 (ORV IS)。 V ISAR系统主要有光电倍增管和信号记录仪组成 , 目 前光电倍增管的响应时间和信号记录采样频率还不能 够完全满足测量飞片速度的要求 , 容易出现 “丢波 ”现 象 。 ORV IS虽然不使用光电倍增管和数字示波器 , 而 用高速变相管相机 。 但是其操作复杂 , 数据处理困难 , 花费昂贵 。 因此其实际操作也存在比较大的困难 。
GU 等人 [ 9] 提出了利用石英压力传感器测量飞片 平均速度的方 法 , 简单可靠 , 一定程度上满足 精度要 求 , 其响应时间小于 1ns, 精度在 10%以内 。
3 激光点火系统
激光点火系统主要由发火控制系统 、安保装置 、驱
30 8
激 光 技 术
2007年 4月
动电源及激光器 、光纤 、光纤连接器 、火工品组成 。 3. 1 发火控制系统
*特屈儿 *特屈儿药柱
规范 M IL-C-440 M IL-C-440 M IL-E-14970 M IL-C-21723 M IL-R-63419 M IL-E-81111 W S-12604 W S-4660 W S-5003 M IL-T-339 M IL-P-46464
20世纪 80年代中期 , 由于激光器体积小型化 , 高
基金项目 :国防预研基金资助项目 (51305070402) 作者简介 :赵兴 海 ( 1984-), 男 , 硕 士研 究 生 , 主要 研 究方
向为激光点火 、微电子机械系统 。 * 通讯联系人 。 E-m a il:caep-gy@ etang. com 收稿日期 :2006-02-15;收到修改稿日期 :2006-04-12
激光通过光纤传输直接与引爆药接触 , 主要是激 光辐射引爆药一点 , 使其急剧升温达到起火温度 , 引爆 炸药 。 如图 2所示 。
图 2 激光直接点火装置原理框图
对直接点火的研究已经有很多报道 。 研究的主要 参数有 :装药密度 、颗粒大小 、特出表面积 、掺杂 、激光 波长 、激光脉冲宽度 、激光束斑点大小 、密封性 、密封材 料等 。 这些参数对点火能量阈值均有影响 。直接点火 有一个爆燃转爆轰的过程 , 因此时间延迟较长 , 可达上 百纳秒 。 2. 2 激光快速加热薄膜
theo ry study o f ignition process and the me thods to decrea se the ignition ene rgy thresho ld. K ey word s: lase r technique;laser ignition;safe ty device;m icroe lec tronic m achine system(M EM S)
(1. Institute of E lectron ic Enginee ring, Ch ina A cademy o f Eng ineering Phy sics, M ianyang 621900, Ch ina;2. D epartment of G raduate Studen t, China A cademy of Eng ineering Phy sics, Be ijing 100088, China)
关键词 :激光技术 ;激光点火 ;安全保 险装置 ;微电子机械系统 中图分类号 : TN 249;TQ565 文献标识码 :A
A summ ary of laser ign ition technology
ZHAO X ing-hai1, 2 , GAO Y ang1 , CHENG Yong-sheng1
摘要 :综述了激光点火技术 的原理 、系统组成及最新进展 。 讨 论了影响 激光点火 的因素 。 提出了一 种小型 化激光 多点点火系统构想 , 将微机械光开关 、微机械分光器等微电子机械系 统器件引 进到激光点 火系统中 , 提高 了激光 点火系 统的安全性 , 减小了体积 。 指出现阶段激光点火技术遇到的困难 , 未来研究工作应关注点火过程的理论研究及 降低点火 能量阈值的方法 。
根据文献 [ 5] , 激光点火主要是热点火 ;光化学作 用对激光波长有很强的选择性 ;电离与等离子体点火 要求的激光能量密度远大于每平方厘米吉瓦 。 因此 , 激光二极管点火属于热点火机理 。
2 激光点火方式
激光点火主要有 3种实现方式 :激光直接点燃炸 药 ;激光快速加热与炸药接触的薄膜引爆炸药 ;通过激 光照射 金 属膜 , 产生 高速 飞 片撞 击 炸 药将 其 引 爆 。 YONG 认为 , 激光驱动飞片点火方式的安全性最高[ 6] 。 2. 1 激光直接点火
金属薄膜 (通常为钢板 )较厚 (毫米级 )时 , 根据文
献 [ 7]和文献 [ 8] , 其点火模型为 “热起爆 ”。 薄膜 (铝 , 铜等 )较薄 (微米级 )时的情况较 为复
杂 。 1976年 , YANG 和 M EN ICHELL I选取 26种 厚度 0. 004μm ～ 1μm 的不同薄膜 , 研究了激光脉冲宽度 、薄 膜厚度 、照射能量密度 、炸药形态等因素对应力脉冲的 影响 。只有近 10%的激光脉冲能量转化为应力能 , 其余 能量一部分被反射 、一部分用于薄膜的烧蚀与电离[ 6] 。
3. 2 保险与解除保险装置 随着技术的进步 , 全电子安全系统迅速崛起 。 全
电子安全系统使用钝感炸药激光点火 , 提高了在生产 , 运输 , 储存等方面的固有安全性 ;系统的响应时间更短 等等优点 , 使其发展前景更加广阔 。
引 言
把激光作为一种 “精密 ”点火源 , 起爆或点燃火工 品的技术 , 即为激光点火技术 。 激光点火是一种安全 、 可靠 、轻便的新型点火技术 , 与常规的电桥丝雷管点火 相比 , 其优点是 :抗干扰能力强 , 避免了电磁波 、静电等 电信号的干扰 ;安全性高 , 实现了炸药 、烟火剂与电源 装置有效隔离及钝感点火 ;技术易于拓展 , 可实现猛炸 药的爆燃转爆轰 、装置小型化和多点起爆功能 。
Βιβλιοθήκη Baidu
Ab strac t:T he princip le o f laser ignition, the basic se tup and recen t p rogress o f la ser ignition system we re summ arized. A ll the m ajor fac to rs affecting lase r ign ition we re discussed. T hen a fram ew ork of a m in im ized mu ltiple-po int laser ignition system is presented, and m ic rodec trom c m ach ine system(M EM S) device w ere introduced into lase r ign ition system, such a sM EM S optica l sw itches andM EM S optica l splitte rs, which could enhance the safe ty and reduce the sy stem size. F ina lly, all the difficulties and prob lem s invo lved in laser ign ition we re o ffe red. A conclusion wa s made that the future re search wo rk should be focused on the
美国军标 M IL-SLD-1316D(引信安全性设计准则 ) 中详细规定了不需要进行隔爆的炸药 , 见表 1[ 10] 。
表 1 M IL-SLD -1316D 须用钝感炸药
炸药 A3 混合炸药 A4 混合炸药 A5 混合炸药 CH-6 混合炸药 PBX 9407炸药 PBXN -5炸药 PBXN -6炸药 D IPAM 炸药 HNS1型或 2 型 A 级炸药
如图 3所示 , 激光快速加热薄膜 , 薄膜在高能量密 度激光 (每平方厘米吉瓦以上 )的照射下 , 产生 高速 、 高温等离子体 , 与炸药作用产生爆炸 。
图 3 激光快速加热金属薄膜的点火装置原理框图
有时薄膜并不能全部等离子化 , 因此炸药和等离 子被剩余的薄膜隔开 , 此时爆炸主要由薄膜最初爆炸 产生的冲击波引起 。 其时间延迟一般为几十纳秒 。
第 31卷 第 3期 2007年 6月
激 光 技 术 LASER TECHNOLOGY
V o .l 31, N o. 3 June, 2007
文章编号 : 1001-3806(2007)03-0306-05
激光点火技术综述
赵兴海 1, 2 ,高 杨 1* ,程永生 1 (1. 中国工程物理研究院 电子工程研究所 , 绵阳 621900;2. 中国工程物理 研究院 研究生部 , 北京 100088)
第 31卷 第 2期
赵兴海 激光点火技术综述
3 07
目前公认的激光点火机理如下 :(1)激光热点火 。 主要通过激光瞬间产生的高能热量 , 点燃引爆药 ;(2) 激光的化学反应点火 。含能材料分子吸收特定频率的 激光光子并发生离解 , 产生的高活性高速离子近一步 引起化学链反应 , 实现点 火 ;(3)激光 的冲击起 爆作 用 ;(4)激光的电离与等离子体点火 。
性能光纤出现 , 耦合技术的发展等使激光点火技术得 到迅速发展 。 20世纪 90年代 , 美国将 其列为重点研 发项目 。 1992年 , 美国军 标 M IL-STD-1901 首次 要求 把激光点火用于直列式点火 。 国外已经把激光点火应 用在航空 , 航天和军事领域 。
激光点火系统需产生 、传输高能量密度的激光 , 受 激光器 、激光器驱动电源 、能量光纤 、高能量密度激光 耦合与分束等技术的制约 , 目前尚难以实现系统的小 型化 。
20世纪 60年代末至 70年代初 , BRISH , M EN ICHELL I等人 率先 介绍 了激 光作 为起爆 源的 使 用[ 1, 2] 。 BR ISH 等人最 先介绍了激光点火 的机理 [ 1] 。 我国从 20世纪 70年代开始研究激光点火的原理 [ 3] , 取得了 一定成绩[ 4] 。
激光能量密度一般为每平方厘米吉瓦以上 , 飞片 速度可达 5km /s。 激光能量转化为飞片动能的耦合效 率只有 40%左右 。飞片尺寸受薄膜材料种类与厚度 、 激光能 量等 因 素影 响 , 直 径一 般 为 数毫 米 , 厚 度 为 1μm ～ 1000μm。
现阶段报道的提高激光能量 ———飞片动能耦合效 率的方法有 :在金属薄膜内填充一层厚度小于 0. 25μm 的介质层 , 可以使飞片动能与激光能量之比达到 50%;在光纤末端直接淀积飞片薄膜 , 由于其简单 、可 靠 、高效 , 已经得到广泛认可 。
激光快速加热与炸药接触的薄膜引爆炸药技术 , 还有很多问题不能合理解释 , 需要更加深入的研究 。 2. 3 激光驱动飞片点火
图 4是激光驱动飞片的点火装置原理框图 。高能 量密度激光照射薄膜 , 薄膜部分等离子化产生高速离 子体 , 驱动薄膜碎片 (飞片 )猛烈撞击炸药起爆 。
图 4 激光驱动飞片的点火装置原理框图
1962 年 , 美国 HALL, NATHAN 和 HOLORNYAK 研制成功半导体 G aA s同质结激光二极管 。激光二极 管代替固体激光器进行激光点火 , 为激光点火装置小 型化提供了美好的前景 。
1 基本原理
图 1是一个利用能量光纤传输激光的激光点火系 统原理框图 。
图 1 利用能量光纤传输激光的激光点火系统原理框图
飞片加速度可达 10Gm /s2, 并且在 20ns内加速到 最大速度的 90%。 测试飞片速度可采 用激光速度干 涉仪 (V ISAR)或光记录的激光速度干涉仪 (ORV IS)。 V ISAR系统主要有光电倍增管和信号记录仪组成 , 目 前光电倍增管的响应时间和信号记录采样频率还不能 够完全满足测量飞片速度的要求 , 容易出现 “丢波 ”现 象 。 ORV IS虽然不使用光电倍增管和数字示波器 , 而 用高速变相管相机 。 但是其操作复杂 , 数据处理困难 , 花费昂贵 。 因此其实际操作也存在比较大的困难 。
GU 等人 [ 9] 提出了利用石英压力传感器测量飞片 平均速度的方 法 , 简单可靠 , 一定程度上满足 精度要 求 , 其响应时间小于 1ns, 精度在 10%以内 。
3 激光点火系统
激光点火系统主要由发火控制系统 、安保装置 、驱
30 8
激 光 技 术
2007年 4月
动电源及激光器 、光纤 、光纤连接器 、火工品组成 。 3. 1 发火控制系统
*特屈儿 *特屈儿药柱
规范 M IL-C-440 M IL-C-440 M IL-E-14970 M IL-C-21723 M IL-R-63419 M IL-E-81111 W S-12604 W S-4660 W S-5003 M IL-T-339 M IL-P-46464
20世纪 80年代中期 , 由于激光器体积小型化 , 高
基金项目 :国防预研基金资助项目 (51305070402) 作者简介 :赵兴 海 ( 1984-), 男 , 硕 士研 究 生 , 主要 研 究方
向为激光点火 、微电子机械系统 。 * 通讯联系人 。 E-m a il:caep-gy@ etang. com 收稿日期 :2006-02-15;收到修改稿日期 :2006-04-12
激光通过光纤传输直接与引爆药接触 , 主要是激 光辐射引爆药一点 , 使其急剧升温达到起火温度 , 引爆 炸药 。 如图 2所示 。
图 2 激光直接点火装置原理框图
对直接点火的研究已经有很多报道 。 研究的主要 参数有 :装药密度 、颗粒大小 、特出表面积 、掺杂 、激光 波长 、激光脉冲宽度 、激光束斑点大小 、密封性 、密封材 料等 。 这些参数对点火能量阈值均有影响 。直接点火 有一个爆燃转爆轰的过程 , 因此时间延迟较长 , 可达上 百纳秒 。 2. 2 激光快速加热薄膜
theo ry study o f ignition process and the me thods to decrea se the ignition ene rgy thresho ld. K ey word s: lase r technique;laser ignition;safe ty device;m icroe lec tronic m achine system(M EM S)
(1. Institute of E lectron ic Enginee ring, Ch ina A cademy o f Eng ineering Phy sics, M ianyang 621900, Ch ina;2. D epartment of G raduate Studen t, China A cademy of Eng ineering Phy sics, Be ijing 100088, China)
关键词 :激光技术 ;激光点火 ;安全保 险装置 ;微电子机械系统 中图分类号 : TN 249;TQ565 文献标识码 :A
A summ ary of laser ign ition technology
ZHAO X ing-hai1, 2 , GAO Y ang1 , CHENG Yong-sheng1
摘要 :综述了激光点火技术 的原理 、系统组成及最新进展 。 讨 论了影响 激光点火 的因素 。 提出了一 种小型 化激光 多点点火系统构想 , 将微机械光开关 、微机械分光器等微电子机械系 统器件引 进到激光点 火系统中 , 提高 了激光 点火系 统的安全性 , 减小了体积 。 指出现阶段激光点火技术遇到的困难 , 未来研究工作应关注点火过程的理论研究及 降低点火 能量阈值的方法 。
根据文献 [ 5] , 激光点火主要是热点火 ;光化学作 用对激光波长有很强的选择性 ;电离与等离子体点火 要求的激光能量密度远大于每平方厘米吉瓦 。 因此 , 激光二极管点火属于热点火机理 。
2 激光点火方式
激光点火主要有 3种实现方式 :激光直接点燃炸 药 ;激光快速加热与炸药接触的薄膜引爆炸药 ;通过激 光照射 金 属膜 , 产生 高速 飞 片撞 击 炸 药将 其 引 爆 。 YONG 认为 , 激光驱动飞片点火方式的安全性最高[ 6] 。 2. 1 激光直接点火
金属薄膜 (通常为钢板 )较厚 (毫米级 )时 , 根据文
献 [ 7]和文献 [ 8] , 其点火模型为 “热起爆 ”。 薄膜 (铝 , 铜等 )较薄 (微米级 )时的情况较 为复
杂 。 1976年 , YANG 和 M EN ICHELL I选取 26种 厚度 0. 004μm ～ 1μm 的不同薄膜 , 研究了激光脉冲宽度 、薄 膜厚度 、照射能量密度 、炸药形态等因素对应力脉冲的 影响 。只有近 10%的激光脉冲能量转化为应力能 , 其余 能量一部分被反射 、一部分用于薄膜的烧蚀与电离[ 6] 。