半导体激光起爆炸药试验与仿真研究*

湛 赞，谭 明，严 楠，贺 翔，李朝振，樊志伟

(1 北京理工大学爆炸科学重点试验室， 北京 100081； 2 西安航天动力技术研究所， 西安 710025；3 四川华川工业有限公司， 成都 610106)

0 引言

激光起爆技术具有安全、可靠、防止静电和电磁干扰，且能实现多点同步起爆等优点，是含能材料钝感起爆的重要途径[1]。目前，国外已有多个武器系统成功运用激光起爆系统[2-6]。国内主要有北京理工大学[7]、南京理工大学[8-9]、中国工程物理研究所[10-11]、陕西应用物理化学研究所[12-13]、长春光机所[14]等对激光起爆技术开展试验及应用研究，目前已实现了原理样机的设计，但还未实现具体武器系统型号的运用。

传统炸药(如 RDX、PETN、HNS 等)与常用激光波长 (如1 064 nm 、532 nm 等)不易匹配[15]。然而，通过掺杂碳黑，炸药激光感度明显提高[9]。此外，采用密闭透窗对炸药进行约束也能明显提供炸药的激光起爆感度[8]。目前开展激光起爆炸药试验主要以固体激光器为主，其中以掺杂碳黑的PETN炸药激光感度最高[8]。在半导体激光起爆方面主要对激光起爆药[14-16](BNCP等)开展了试验研究，直接采用半导体激光起爆炸药研究较少，主要由于半导体激光器相对于固体激光器功率较低，从而导致炸药燃烧转爆轰成长距离较长。但相对于固体激光器，半导体激光器具有体积小、重量轻、电光转换效率高、价格低等优点，更适合运用在武器系统中。随着半导体激光器功率的提高，半导体激光直接起爆炸药将成为新的研究热点。

为确定半导体激光起爆炸药的可行性，实现激光起爆系统在武器系统中的运用，对半导体激光起爆炸药开展研究。针对武器系统对激光起爆系统的需求，设计实用型半导体激光起爆系统，并对掺杂碳黑的太安炸药进行半导体激光直接起爆试验。通过AUTODYN软件对激光起爆过程进行仿真，为激光起爆器的设计提供参考。

1 半导体激光起爆系统

半导体激光起爆系统主要由半导体激光器、光纤和光纤连接器、激光起爆器组成。半导体激光器产生激光，通过光纤和光纤连接器进行光能传输，最后作用于激光起爆器进行爆轰输出。激光器和起爆器是系统设计的重点，对其分别开展设计研究。

1.1 半导体激光器

选用长春光机所生产的双波长激光二极管，其点火激光波长为980 nm，额定工作电流为8 A，额定输出功率为8 W。检测激光波长为1 310 nm，工作电流为15 mA，输出功率为1 mW。光纤芯径为105/125 μm，光纤接头为FC/PC。激光二极管电光转化效率为55%，具有较高转换效率。温漂系数为0.28 nm/℃，温度稳定性较好。

为使半导体激光器适用于弹上武器系统中，需要使激光器的电源输入与弹上电源相匹配。弹上电源一般为热电池，电压为(24±2) V。故将激光器控制盒的电源输入设计为24 V直流电压输入，并能适应输入电压22～26 V情况下输出激光功率稳定的功能，使其适用于弹上电源系统。

激光器接口主要有3个，分别为电源输入接口、同步信号接口和激光输出接口。其中，电源输入接口输入24 V恒压源，为激光器供电。同步信号接口为980 nm点火激光提供同步信号，用于激光点火延迟时间的同步测试。激光输出接口为FC型法兰接口，与外接光纤对接并输出激光。此外，设计一个钥匙开关作为电路保险，操作人员手持钥匙开关进行光路连接从而保证人员安全性。设计的激光器外壳如图1所示。激光器外壳采用耐腐蚀性铝合金，壳体底部留有螺钉固定座，便于安装固定。外壳尺寸为140 mm×150 mm×55 mm。

图1 小型化激光器实物照片

图2 激光器电源和同步信号航空插头

1.2 激光起爆器

激光起爆器是激光起爆系统的输出作用单元，文中主要以光窗式激光起爆器开展试验研究。光窗式激光起爆器结构示意图如图3所示。输入端为FC型连接口，并与点火光纤进行连接，输出端为M10×1-6g的外螺纹。光窗采用Φ5×0.6 mm的K9玻璃，具有激光透射率高、耐压强度好、价格较低的优点。点火器输出外壳壁厚2.5 mm，材料为不锈钢，具有一定的强度，保证炸药起爆后能维持爆轰压力。装药高度10 mm，从而保证燃烧转爆轰的成长距离。此外，通过盖片对起爆器进行收口，保证炸药的密封性。

图3 光窗式激光起爆器结构图

2 半导体激光起爆试验

为确定半导体激光直接起爆炸药的可行性，并确定激光起爆器爆轰输出压力，开展半导体激光直接起爆炸药的试验研究。

2.1 激光起爆试验系统

激光起爆试验由24 V恒压源、激光器、光纤、光纤连接器、激光起爆器、钢凹鉴定块、防爆箱等组成，试验测试系统原理图如图4所示。24 V恒压源为激光器提供电能输入，激光器在电能激励下输出点火激光，通过光纤和光纤连接器进行光能传输，最后通过激光起爆器作用于炸药进行激光起爆。钢凹鉴定块与激光起爆器输出端面粘接固定，并置于防爆箱中，通过钢凹鉴定块的钢凹深度确定爆轰输出威力大小。

图4 半导体激光起爆装置示意图

2.2 激光起爆试验条件

采用小型化半导体激光器输出8 W功率、980 nm波长点火激光，远大于目前文献报道的二极管激光器功率值。利用光学计算可以得出，通过光窗后激光平均功率密度为5.8×103W/cm2，根据激光与材料在不同功率密度下的物理现象可知[17]，激光功率密度在104W/cm2以下时材料表现为加热现象。因此，对半导体激光起爆炸药主要采用热起爆机理进行分析。试验在25 ℃室温下进行。根据激光起爆原理图搭建激光起爆测试系统，如图5所示。

图5 激光起爆试验系统实物图

用钢凹法对激光起爆器输出爆轰压力进行测试，以判断激光起爆试验是否达到爆轰程度，钢块尺寸Φ27×15 mm，如图6所示。

图6 激光起爆器和钢块安装图

选择掺杂1%碳黑的PETN炸药进行激光起爆试验。PETN装药量为280 mg，压药压力为30 MPa，装药尺寸为Φ5×10 mm。计算得到PETN的装药密度为1.43 g/cm3。

2.3 激光起爆试验结果

采用激光起爆测试系统对掺杂1%碳黑的PETN进行了激光起爆试验。激光起爆试验现象为:光纤炸断，光纤接头和壳体连在一起，起爆器壳体炸成喇叭口形破裂残骸，光窗炸碎，如图7所示。

图7 起爆试验后起爆器及光纤头照片

采用钢凹测试仪器测试钢凹深度，如图8所示，钢凹深度为0.18 mm。激光起爆试验结果表明，半导体激光直接起爆炸药原理上可行。

图8 钢凹深度测试图

3 半导体激光起爆仿真

AUTODYN是国防军工领域常用的数值模拟软件，主要采用有限差分、定容及有限元技术对固体、流体和气体的动态特性及其相互作用进行分析，特别适用于爆炸与冲击问题的计算[18]。根据物理模型的不同特点，软件提供了不同的数值处理器。Lagrange处理器适用于模拟固体及结构；Euler处理器适用于模拟流体、气体及大变形。为此，文中借助AUTODYN软件对炸药激光起爆过程进行仿真分析，为激光起爆器的设计提供参考。

3.1 激光起爆仿真模型

根据试验条件建立简化的激光起爆仿真模型，如图9所示。激光起爆为轴对称结构，因此选取起爆器左端中心点为坐标原点、X轴为对称轴建立二维轴对称模型。起爆器左侧为固定约束，内部为PETN炸药。由于炸药在左端面上接收激光能量，因此在炸药左端沿对称轴位置设置起爆点模拟激光起爆，起爆点位于图9红点处。结合仿真精度和计算时间，有限单元大小设置为0.025 mm。

图9 激光起爆仿真模型

为确定炸药起爆输出威力，在起爆器输出位置加入钢块。钢块选择材料库中的STEEL1007不锈钢材料。钢块右侧设置为固定约束，保证钢块在炸药起爆后不会飞出。在钢块表面沿对称轴设置高斯点1，炸药起爆后通过分析高斯点的压力-时间曲线可以确定炸药的爆轰成长规律，通过高斯点的速度积分-时间曲线可以确定钢块凹陷的深度，并通过试验得到的钢凹深度和仿真结果进行对比。

激光起爆装药为太安炸药，选择材料库PETN炸药，并更改材料密度为实际值1.43 g/cm3。PETN炸药爆轰产物膨胀过程属于流体动力学范畴，爆轰产物膨胀过程为稀疏介质飞散运动过程；Euler网格比较适合模拟流体动力学中大变形的问题，因此采用Euler算法计算PETN炸药爆轰产物膨胀过程，采用JWL状态方程模拟PETN炸药的爆轰产物膨胀做功过程。起爆器和钢块在PETN爆轰产物膨胀做功过程中发生形变，将起爆器和钢块的材料属性赋予到Lagrange网格节点上，且在Lagrange算法中容易确定材料运动的时间历程，因此采用Lagrange算法计算点火器变形和钢块凹陷过程。在数值模拟中，空气采用Euler算法描述，起爆器和钢块采用拉格朗日算法描述。在拉格朗日网格和欧拉网格边界接触采用自动流固耦合，即采用AUTODYN的流固耦合算法描述炸药起爆后与起爆器和钢块的相互作用。

3.2 激光起爆仿真结果

炸药起爆后不同时刻仿真结果如图10所示。从图中可以看出，起爆2 μs后，爆轰波开始传播到钢块表面。在起爆20 μs时，点火器和钢块均出现明显形变，点火器弯折处出现应力集中。

图10 不同时刻起爆器起爆过程

炸药起爆后起爆器和钢块变形情况如图11所示。从图中可以看出，炸药起爆后起爆器呈喇叭口形状，钢块中心出现圆形凹坑，仿真现象和试验现象一致。

图11 起爆后起爆器和钢块仿真结果

为确定炸药激光起爆输出爆轰压力，设置高斯点进行分析，高斯点的压力-时间曲线、X方向位移(速度积分)-时间曲线如图12所示。结果显示，炸药起爆输出峰值压力为7.9 GPa，钢凹深度为0.73 mm。

图12 高斯点测试结果

仿真得到的钢凹深度大于试验测试的钢凹深度。分析仿真结果和试验结果误差来源可知，实际上炸药起爆需要经过燃烧转爆轰的成长过程，而激光起爆仿真模型没有考虑炸药起爆燃烧转爆轰过程。仿真过程增加了炸药起爆输出威力，得到的炸药爆轰压力大于实际输出压力，钢凹深度也大于试验测试值。因此，文中采用AUTODYN软件对激光起爆过程进行仿真，只能定性得出起爆后起爆器和钢块的变形情况，对激光起爆过程进行定量分析还有待进一步开展研究。

4 结论

为研究半导体激光直接起爆炸药的可行性，文中开展半导体激光起爆技术的试验与仿真研究。通过搭建激光起爆系统，开展了掺杂1%碳黑的PETN激光起爆试验，并通过AUTODYN软件对激光起爆燃烧转爆轰过程进行仿真研究。主要结论如下：

1)设计了实用性半导体激光起爆系统，该系统能成功起爆掺杂1%碳黑的PETN，验证了半导体激光直接起爆炸药的可行性。

2)采用AUTODYN软件建立了激光起爆过程的仿真模型。仿真能模拟激光起爆后壳体变形情况，但不能定量分析激光起爆输出过程。