1、第二章 激光點(diǎn)火起爆系統(tǒng)激光點(diǎn)火（起爆）技術(shù)的研究始于60年代中期，由于激光器（主要是二極管激光器）和低衰減光纖的發(fā)展，才使激光點(diǎn)火起爆成為現(xiàn)實(shí)。由于激光的非電性帶來的高安全性等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，它將是最主要的點(diǎn)火起爆技術(shù)之一。第一節(jié) 激光點(diǎn)火起爆原理 激光點(diǎn)火起爆的機(jī)理主要有以下四種： 一、熱起爆機(jī)理激光攜帶的能量被照射的局部起爆藥劑吸收，并在一定的照射深度內(nèi)轉(zhuǎn)換成熱能，局部積聚發(fā)熱升溫，形成“熱點(diǎn)”，導(dǎo)致起爆藥劑的燃燒或爆燃，然后由燃燒轉(zhuǎn)為爆轟。增加藥劑對激光的吸收率（如摻雜C、Zr等）能降低點(diǎn)火所需的最小能量（閾值）。 二、沖擊點(diǎn)火機(jī)理 高強(qiáng)度的激光射線可對炸藥產(chǎn)生沖擊點(diǎn)火。當(dāng)強(qiáng)激光脈沖照

2、射到不透明的固體表面（如鋁膜）時(shí)，會產(chǎn)生高溫、高離子化的能強(qiáng)烈吸收激光射線的蒸發(fā)物，并有很高的壓力（約1105MPa）作用于固體表面，因而在固體中產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波而起爆裝藥。 三、電擊穿機(jī)理加壓氮化鉛的電擊穿場強(qiáng)度為（1107V/cm）。當(dāng)激光達(dá)到臨界起爆強(qiáng)度時(shí)，可產(chǎn)生0.7107V/cm的平均電場強(qiáng)度，而且激光所具有的自動聚焦性質(zhì)又可使它增強(qiáng)35倍。因此，激光產(chǎn)生的電場的電擊穿作用可以使某些炸藥起爆。 四、光致分解機(jī)理在調(diào)Q的情況下，激光功率很大時(shí)導(dǎo)致分解而起爆。激光對藥劑作用的機(jī)理與激光的波長及激光的輸出方式等有關(guān)。自由振蕩激光器和調(diào)Q激光器輸出的功率不同，對藥劑的起爆機(jī)理就不完全一樣，目前一

3、般認(rèn)為自由振蕩激光器輸出的激光引爆炸藥的機(jī)理基本上屬于熱起爆機(jī)理，而調(diào)Q激光器輸出的激光引爆炸藥的機(jī)理除熱起爆外，還可能存在因光化學(xué)反應(yīng)和激光沖擊反應(yīng)引起的起爆。實(shí)際上，激光起爆過程可能是上述幾個(gè)機(jī)理綜合作用的結(jié)果。第二節(jié) 激光點(diǎn)火起爆系統(tǒng)的組成 一個(gè)完整的激光點(diǎn)火系統(tǒng)主要由激光保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)裝置、激光器、激光器輸出耦合光纜（重復(fù)使用）、光纖接頭、帶輸入光纖的引爆裝置（一次使用）等部分組成。參見圖2.1。引爆裝置連接器激光源保險(xiǎn)與解除裝置 傳感器電源發(fā)火信號 光 光藕合器 光輸 傳感器 圖2.1 激光點(diǎn)火系統(tǒng)概況由于激光器（二極管）用低壓電源啟動，所以其本身則存在一個(gè)固有的安全性問題。為確保激

4、光器不發(fā)生意外啟動，需要一單獨(dú)的電子控制與安全系統(tǒng)，它適應(yīng)于多點(diǎn)控制和順序選擇，具有小型化、抗嚴(yán)酷環(huán)境等特點(diǎn)，該保險(xiǎn)系統(tǒng)的保險(xiǎn)解除需由兩個(gè)獨(dú)立的安全性參數(shù)進(jìn)行控制。以數(shù)值口徑接收的輸出光能藕合光纜、引爆裝置輸入光纖及接頭都要具有低損耗和抗嚴(yán)酷環(huán)境的特點(diǎn)，引爆裝置中所裝填的藥劑必須是鈍感的煙火劑或炸藥。第三節(jié) 激光點(diǎn)火起爆系統(tǒng)的性能要求在各種應(yīng)用中，對系統(tǒng)及各元件的性能要求不同。表2.1列舉了先進(jìn)空空導(dǎo)彈、小型洲際導(dǎo)彈和能源部、國防部對激光點(diǎn)火系統(tǒng)的性能要求。 表2.1 對系統(tǒng)和元件的性能要求性能系 統(tǒng)光 纖接頭引爆裝置振動g沖擊g溫度F峰值功率GW/cm2壽命年抗拉強(qiáng)度PSI損耗dB/km損耗

5、dB/界面密封度cc/s可靠度國防部10.02251ms0.47-1061小于110-6使用的可靠性大于0.93，測試的可靠性要大于0.94。能源部27.030001ms0.1-1030750.00061小于110-6先進(jìn)空空導(dǎo)彈1900061小于110-6小型洲際導(dǎo)彈18.71545110750.00061小于110-6第四節(jié) 激光點(diǎn)火（起爆）系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 1、與常規(guī)熱橋絲點(diǎn)火起爆系統(tǒng)相比，用光纖取代了橋絲和導(dǎo)線，因此受強(qiáng)射頻（RF）、電磁脈沖（EMP）、高功率微波（HPM）和靜電作用而發(fā)生意外點(diǎn)火（起爆）的危險(xiǎn)性大大降低了。2、消除了因橋絲和點(diǎn)火藥劑存在而伴隨發(fā)生

6、的銹蝕、點(diǎn)火后電阻（RAF）的變化及絕緣電阻等問題。3、避免了機(jī)械沖擊的敏感問題。4、光纖的強(qiáng)度和柔性較好，使系統(tǒng)安裝的柔性和負(fù)載容易處理。5、由于密封包覆，壽命超過20年。6、大大簡化了生產(chǎn)工藝和質(zhì)量檢驗(yàn)，如射頻、靜電感度試驗(yàn)，不發(fā)火試驗(yàn)、絕緣電阻和橋線可靠性檢驗(yàn)等。7、不必再考慮1A/1W不發(fā)火的鈍感安全性要求了。8、光束可聚焦成一個(gè)很小的點(diǎn)，從而可產(chǎn)生很高的功率密度。9、利用光學(xué)濾光技術(shù)可以對激光傳輸系統(tǒng)進(jìn)行有效的試驗(yàn)，而不會影響爆炸裝置的安全性和性能。10、利用分光技術(shù)和光束的分支機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)起爆技術(shù)，同時(shí)起爆幾個(gè)爆炸裝置。11、利用S/A機(jī)構(gòu)可容易截?cái)嗉す馔ǖ馈５谖骞?jié) 激光器和

7、控制裝置 一、小型釹玻璃脈沖激光器 美國噴氣推進(jìn)試驗(yàn)室（JPL）已在七十年代中期研制成功。 外形尺寸：517.612.7cm3 重 量：0.7kg輸出能量：1ms脈沖能量輸出為2.8J能量/重量系數(shù)：3.3J/kg能量/體積系數(shù)：0.005J/cm3 二、小型Q開關(guān)釹玻璃激光器 外形尺寸：9.515.833cm3 重 量：6.2kg輸出能量：20ms脈沖的最大輸出能量為60J 三、小型自持OEM激光器（八十年代） 外形尺寸：8.96.12.8cm3 重 量：0.34kg輸出能量：輸出脈沖功率100W 已經(jīng)采用的激光器及特性見表2.2，這些激光都能產(chǎn)生較高功率或能量密度的激光脈沖，能以較大的能量

8、同時(shí)起爆幾個(gè)分系統(tǒng)。其缺點(diǎn)是：（1）激光效率不高（10%），大約只有13%的輸入電能轉(zhuǎn)換成有效的輸出光能；（2）尺寸和重量較大（相對于戰(zhàn)術(shù)武器）；（3）成本還較高。 表2.2 美國空軍和能源部激光軍械點(diǎn)火系統(tǒng)使用的激光器及特性系 統(tǒng)類 型波長(nm)發(fā)射脈沖激光棒激光泵浦諧振腔形 式能量（mJ）寬度摻雜物工作物質(zhì)美國空軍小型洲際彈道導(dǎo)彈（ICBM）釹釓-鈧-釹石榴石（GSGG）閃光燈CC-PL（2）10603000.12mSF16A戰(zhàn)斗機(jī)釹玻璃PZP（1）PL-PL（3）1053600010mS新型空-空導(dǎo)彈（AAAM）釹玻璃PZPPL-PL1053400010mS先進(jìn)的發(fā)射系統(tǒng)（ALS）釹釔

9、鋁石榴石（YAN）閃光燈PL-PL1060100連續(xù)波美國能源部圣地亞國立試驗(yàn)室/光起爆裝置（SNL/DOI）1#釹玻璃閃光燈PL-PL105330025nS圣地亞國立試驗(yàn)室/光起爆裝置（SNL/DOI）2#釹鉻：GSGG閃光燈PR-PR（4）106125016nS圣地亞國立試驗(yàn)室/激光二極管起爆裝置（SNL/DOI）鋁鎵鋁砷：（GaAlAs）PL-PL82010010mS注：（1）PZP：高溫鋯泵浦。 （2）CC-PL：角隅棱鏡一平面鏡諧振腔。 （3）PL-PL：平面鏡一平面鏡諧振腔。 （4）PR-PR：波羅棱鏡一波羅棱鏡諧振腔。激光點(diǎn)火系統(tǒng)的最新發(fā)展是激光二極管點(diǎn)火系統(tǒng)。激光二極管又稱半導(dǎo)

10、體激光器或二極管激光器，其特點(diǎn)是：小巧靈活、使用方便，結(jié)構(gòu)均勻性好，能適應(yīng)各種溫度、沖擊和震動的環(huán)境，能量轉(zhuǎn)換率高（理論效率達(dá)3040%），只需要低電壓啟動，可輸出連續(xù)波1W以上的功率。第一代激光二極管是P-N結(jié)砷化鎵二極管，厚度約1mm；第二代激光二極管是雙（多）異質(zhì)結(jié)二極管，它大大降低了產(chǎn)生激光的閾值電流，增大了輸出功率。進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)品是列陣式激光二極管，增加了輸出功率。第六節(jié) 光導(dǎo)纖維及聯(lián)接方式光導(dǎo)纖維的作用是傳輸激光。其衰減率（每千米幾分貝）不能太大，否則輸出能量太小，難以起爆藥劑。而高功率或高能量密度的激光器又很難將激光脈沖耦合進(jìn)光纖中，也很難在光纖中傳播，這是由于在高功率和高能量

11、密度時(shí)，較高階次的吸收過程變得突出了。因此要求：1、改進(jìn)炸藥成分，增加對光的吸收，降低閾值能量；2、改進(jìn)激光器，提高輸出能量；3、改進(jìn)光纖，增加高能量脈沖的傳輸性能，降低傳輸衰減損耗；4、改進(jìn)聯(lián)接方式及器件，使耦合衰減降低到最低程度。在激光點(diǎn)火系統(tǒng)中經(jīng)常使用的光纖維有兩種：分級指數(shù)（graded indes）纖維（梯度折射率纖維）和步長指數(shù)（Step inder）纖維（同步折射率纖維）。在激光二極管點(diǎn)火系統(tǒng)中通常使用具有梯度折射率的細(xì)芯光導(dǎo)纖維。其芯徑為100m，包層直徑為140m，纖維的數(shù)值口徑（NA）是0.29，與過去使用的具有同步折射率的光導(dǎo)纖維相比，它可以大大降低起爆藥劑的閾值點(diǎn)火能量

12、。例如，可使Ti/KC1O4和摻雜碳黑的CP炸藥的閾值能量降低約30%。光纖既要與激光器相耦合，又要與點(diǎn)火器中的初級裝藥相耦合，其聯(lián)接方式有三種：1、光纖直接置入式：光纖的一端直接封接在藥劑中，另一端直接與激光器聯(lián)接； 2、光纖“腳芯”式：用短光纖作“腳芯”，類似于電點(diǎn)火中的金屬腳線； 3、光學(xué)窗口式：一個(gè)很薄的玻璃窗口或結(jié)晶材料，該晶體有兩個(gè)相對的光進(jìn)和光出的表面，其中一個(gè)或兩個(gè)表面上鍍上可被激光束汽化的金屬（鋁、金、銀）消蝕鏡面。在入射表面和傳輸光纖交界處中心有一個(gè)開口，利于光束進(jìn)入晶體，并防止雜散輻射。當(dāng)窗口輸出端的鏡面汽化時(shí)，其汽化產(chǎn)物能促進(jìn)和增強(qiáng)激光束引起的爆轟。 光纖引出端和點(diǎn)火光

13、纜纖維的聯(lián)接有專用的光纖聯(lián)接器。有的聯(lián)接器還要加一個(gè)轉(zhuǎn)接口，以使光纖頭部準(zhǔn)確定位。瑞典的一種激光二極管點(diǎn)火系統(tǒng)采用一個(gè)帶有SMA型聯(lián)接器的螺旋聯(lián)接，點(diǎn)火光纜和點(diǎn)火器光纖的聯(lián)接采用一個(gè)帶有STC型聯(lián)接器的卡口（插銷）式聯(lián)接，其有關(guān)數(shù)據(jù)見表2.3。 表2.3 光纖聯(lián)接器的有關(guān)數(shù)據(jù)類 型SMA-6140-2251STC-3140-2151衰 減(dB)0.90.200.560.20孔的特征數(shù)據(jù)(mm)0.1430.144對500個(gè)光纜的耐受能力（總損耗dB）0.20.1工作溫度（）-40+120-40+80第七節(jié) 激光點(diǎn)火器激光點(diǎn)火器包括光纖聯(lián)接器、一段點(diǎn)火光纜和起爆藥劑。對不同的輸出激光脈沖要求使

14、用相應(yīng)的不同的起爆藥劑才能有效點(diǎn)火。表2.4所列藥劑對不同的激光波長有不同的反應(yīng)，用增益開關(guān)激光器發(fā)射的長持續(xù)時(shí)間脈沖對煙火劑和起爆藥的點(diǎn)火要比猛炸藥更容易。目前的激光二極管輸出功率還不足于直接起爆猛炸藥，主要采用以燃燒轉(zhuǎn)爆轟的形式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火起爆。美海軍研制的一種激光點(diǎn)火的燃燒轉(zhuǎn)爆轟（DDT）起爆系統(tǒng)的基本裝藥為：初級裝藥（點(diǎn)火藥）：HMX97%，碳黑3%，其中HMX的比表面積要求 達(dá)到7460cm2/g，高密度（=1.55）（防止經(jīng)過細(xì)孔 排氣）。過渡藥：HMX，比表面積為7460cm2/g，低密度（=1.0）（以防爆轟成 長期增加）。輸出裝藥：HMX（同上），=1.2g/cm3。 對脈沖寬度

15、為10ms的激光二極管閾值點(diǎn)火能量約為70160mw、0.74mJ。 Ti/KC1O4，TiH0.65/ KC1O4、Ti/H1.65 KC1O4藥劑的激光二極管閾值點(diǎn)火能量為2.83.3mJ。 CP炸藥摻雜3.2%碳黑，其10ms脈沖的點(diǎn)火閾值達(dá)0.47mJ。實(shí)驗(yàn)指出，比表面積對藥劑感度有很大影響，光點(diǎn)尺寸增加一倍使起爆閾值增加2.7倍，而脈沖寬度從10ms增加到100ms，起爆閾值卻降低得不多。 表2.4 激光脈沖起爆煙火劑和炸藥的特性藥 劑nm脈沖寬度能量mJ能量密度GW/cm2激光類型nsmsBaNO31050高熱激光斯蒂芬酸鉛10601015pyrolaser115釹：玻璃Ti/KC

16、1O4800103鎵鋁砷二極管CP8006-7鎵鋁砷二極管PETN106020,10100.71/75*釹：釔鋁石榴石53215,1070.50/2.5釹：釔鋁石榴石 雙重35512,1070.25/0.7釹：釔鋁石榴石 三重30824,20750.50/0.5XeC1激發(fā)物1060508073釹：釔鋁石榴石RDX3082447XeC1HMX308240.7XeC1 注： * 約束的 / 未約束的第八節(jié) 激光的多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng) 多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)就是利用分布在裝藥周圍的許多點(diǎn)火點(diǎn)同時(shí)（或按設(shè)計(jì)的時(shí)間次序）點(diǎn)燃藥劑。多點(diǎn)點(diǎn)火的優(yōu)點(diǎn)是多點(diǎn)同時(shí)點(diǎn)火，使火焰迅速擴(kuò)展，不會產(chǎn)生或者很少產(chǎn)生軸向壓力波（它在常規(guī)點(diǎn)火

17、系統(tǒng)中可能產(chǎn)生），該波的缺點(diǎn)是對整彈運(yùn)行可能產(chǎn)生不利的影響，對彈藥中的電子部件可能產(chǎn)生破壞，甚至影響火炮后膛壽命。此外，同時(shí)點(diǎn)火還能改善整彈的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)（點(diǎn)火分布）和改善點(diǎn)火材料的燃燒徹底性。多點(diǎn)點(diǎn)火包括單路多點(diǎn)點(diǎn)火、多路多點(diǎn)點(diǎn)火和均勻點(diǎn)火三種形式。其中均勻點(diǎn)火是多點(diǎn)點(diǎn)火的發(fā)展。多路點(diǎn)火系統(tǒng)通常由一個(gè)激光器、多枝光纖和多個(gè)點(diǎn)火器組成，如圖2.2所示。圖2.2 多點(diǎn)點(diǎn)火系統(tǒng)示意圖第九節(jié) 炸藥激光器 對推進(jìn)劑的均勻點(diǎn)火是利用“炸藥激光器”來實(shí)現(xiàn)的。它是用炸藥做最初能量使激光介質(zhì)（染料）放出激光的。其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2.3。 當(dāng)園盤形狀的高能炸藥（約1g，化學(xué)能為500J/g）爆轟后，其釋放的能量對

18、空腔內(nèi)的少量惰性氣體進(jìn)行沖擊壓縮，隨之產(chǎn)生高于2500K的熱氣區(qū)，并發(fā)出熒光。來自加熱惰性氣體的熒光和光熱被園錐反射器聚集并反射到激光材料上，使之釋放出激光，此激光進(jìn)入推進(jìn)劑的軸向空腔中，在空腔表面反射并均勻地使推進(jìn)劑點(diǎn)火。其能量密度大于1J/cm2。足以點(diǎn)燃任何現(xiàn)代推進(jìn)劑。如引爆上述高能裝藥的裝置采用激光雷管，則此系統(tǒng)為全光學(xué)點(diǎn)火系統(tǒng)，不僅安全、可靠、耐用，而且作用迅速。10彈藥； 12殼體； 13彈丸； 14推進(jìn)劑； 15空腔（惰性氣體）16推時(shí)劑軸中心空腔； 17高能炸藥； 18園錐反射器；19激光染料介質(zhì)；21部分反射鏡； 22全反射鏡； 23透明窗口圖2.3 炸藥激光器對推進(jìn)劑點(diǎn)火示

19、意圖“炸藥激光器”具有非致命和不損壞建筑物的特點(diǎn)，可容易地由單個(gè)士兵無外界能源的情況下操作，發(fā)出激光使坦克的光學(xué)傳感器及人員失去戰(zhàn)斗力。據(jù)報(bào)道，該激光器還能用于城市防暴和低強(qiáng)度的沖突中。第十節(jié) 激光雷管 用激光作為激發(fā)能量的雷管稱為激光雷管，亦稱激光起爆裝置。與激光點(diǎn)火器（輸出燃燒）不同，激光雷管（起爆裝置）輸出的是爆轟。因此，它的結(jié)構(gòu)和裝藥要復(fù)雜些。 實(shí)現(xiàn)爆轟輸出的途徑通常有兩個(gè)： 第一，使用激光點(diǎn)燃起爆藥完成燃燒轉(zhuǎn)爆轟，這類似于目前的電雷管。盡管這種方法比較容易實(shí)現(xiàn)，但敏感起爆藥的使用卻給激光雷管的生產(chǎn)及使用增加了危險(xiǎn)性，從而抵消了激光雷管的優(yōu)勢，因此，是一種不可取的途徑；第二，采用全猛炸

20、藥的燃燒轉(zhuǎn)爆轟結(jié)構(gòu)，盡管工藝結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但它維持了激光雷管的鈍感特點(diǎn)，有益于生產(chǎn)和使用。實(shí)現(xiàn)燃燒轉(zhuǎn)爆轟首先要保證點(diǎn)火藥點(diǎn)火后形高溫高壓氣體，而維持點(diǎn)火后器件結(jié)構(gòu)的完整性是關(guān)鍵所在。因此，激光雷管都采用了窗口式結(jié)構(gòu)，即在光纖與點(diǎn)火藥之間密封一相對厚有一定強(qiáng)度且能透射激光的窗口。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，典型的激光雷管由窗口、點(diǎn)火藥（高密度HMX）、加速片、轉(zhuǎn)換藥（低密度HMX）和輸出藥（高密度HMX）五部分組成。整個(gè)雷管的作用過程分為點(diǎn)火和燃燒轉(zhuǎn)爆轟兩個(gè)階段。點(diǎn)火藥的前端由密封的窗口約束，其后端使用一加速片約束。點(diǎn)火藥在吸收激光后將在約束環(huán)境中燃燒產(chǎn)生高壓氣體直到加速片破裂。破裂的加速片將在轉(zhuǎn)換藥中快速壓

21、縮，在此形成沖擊波并實(shí)現(xiàn)爆轟。激光雷管已開始研究應(yīng)用于工程爆破領(lǐng)域。日本專利報(bào)導(dǎo)了一種低能激發(fā)的激光（延期）起爆雷管。其特點(diǎn)是較低的能量即可使激光雷管起爆，而且具有可靠的延期功能和高的起爆性能。在爆破現(xiàn)場大幅度地增加了激光起爆雷管的齊發(fā)爆破數(shù)量，提高了爆破作業(yè)效率。該雷管有瞬發(fā)和延期的兩種。其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2.4。 該雷管由管狀殼體、光導(dǎo)纖維、內(nèi)管和點(diǎn)火藥、延期藥、上層裝藥和下層裝藥等構(gòu)成。點(diǎn)火藥與延期藥由氧化劑和還原劑組成（5/59/1），在裝藥層中，上層裝藥密度較小，下層裝藥密度較大。上裝藥層可以是多層的，并依次提高裝藥密度。光纖離點(diǎn)火藥上表面的最佳距離為48mm。 點(diǎn)火藥可使用的氧化劑有：鉛丹、氧化銅、三氧化二鐵、過氧化